利用冶炼工业废弃物镍渣研制混凝土储热材料.pdf

2 0 1 5年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRET E AND CEMENT PR0DUCTS 201 5 No 2 F e b r u a r y 利用冶 炼工业废弃物镍渣研制混凝土储热材料 孟 渊 ， 田斌 守 ， 邵继新 ， 冯 启彪 ( 甘肃省建材科研设计院 ， 兰州 7 3 0 0 2 0 ) 摘 要 ： 利用冶炼废弃物镍渣研制储热 混凝 土。 研究表明 ， 利 用镍渣 高密度 的特性可以配置表现 密度大、 热容值 高以 及 传 热 性 能 良好 的 混凝 土储 热材 料 。 关键词 ： 镍 渣 ： 储热 混凝 土； 表观密度 ； 比热 Ab s t r a c t ： T h e h e a t s t o r a g e c o n c r e t e i s d e v e l o p e d b y u s i n g n i c k e l s l a g w h i c h i s a k i n d o f s me l t i n g w a s t e s l a g 1 h e s t u d i e s s h o w t h a t t h e h i g h d e n s i t y o f t h e s l a g ma k e s i t p o s s i b l e t o p r e p a r e h e a t s t o r a g e c o n c r e t e w i t h h i g h a p p a r e n t d e n s i t y ， g h e a t c a p a c i t a n d髫 o 0 d I e a t t r a r s f e r p e r f o r ma n c e Ke y wo r ds ：Ni c k e l s l a g ；He a t s t o r a g e c o nc r e t e ；App a r e n t d e ns i t y ；Sp e c i fic he a t 中图分类号 ： T Q1 7 8 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 2 9 3 0 3 0前 言 近 年来 ， 随着 对 可再 生 清 洁能 源 开 发利 用 的逐 步兴起 太阳能产业的发展规模迅速扩大。但是 ， 由 于太 阳能受 天气 阴晴 、 昼夜更替和季节变化等 自然 规 律 的影 响而 具 有 时效 性 和 不稳 定 性 ， 制约 着 太 阳 能产业的发展 。因此 ， 太阳能储热技术成为 国内外 学 者研 究 的热 点课 题 。常见 的储 热材 料 有显 热储 热 材料 、潜热储热材料 和化学反应储热材料三大类 。 其 中 显热储热体 由于取材方便 、 成本低廉 使用维 护简单等特点而被广泛应用。显热储热体的储热量 可 以用 下 式计 算 ： 一T 1 Q J c p d T ( 1 ) 式 中： Q为储热量 ， W； T为温度 ， K； c为储热体 比热 ， k J ( k g q C ) ； p为储 热 体表 观密 度 ， k g m 。 从式( 1 ) 可以看 出， 储热量与储热体表观密度和 比热容有关 ， 储热体的表观密度和 比热容越高 ， 则储 热效率越高。 混凝土导热系数提高 ， 有利于提高储热 放热速率 。 因此 ， 高密度 、 高比热容 、 高导热性能等技 术指标是显热储热材料 的追求 目标 。一些科学家在 这 个 领域 展 开 了研究 ， 并 取得 了一 些研 究成 果 ， 德 国、 的 D o e r t e L a i n g得 到 了表 观密度 2 7 5 0 k g m ，比热 0 9 1 6 k J ( k g o C) ， 导 热 系 数 1 0 W ( m K) 的储 热混 凝 土I 】 1 ； 朱教 群等人制备 出了导热系数 2 3 4 W ( m K) 的储 热混 凝土 。 本研究采用正交试验 ， 选用镍渣代替建筑用砂 ， 基 金项 目：甘 肃省 科 技创 新 团 队建设 计 划 支撑 项 目( 1 2 0 7 T r C A O 0 7 ) ； 甘肃 省科 技支撑计划项 目( 1 1 0 4 J K C A1 1 0 ) 。 设计 不 同 的混凝 土配 合 比 ，对 所研 制混 凝土 的表 观 密 度 、 比热容 值 和强度 等 主要 指标进 行 了测试 。 利用 镍渣堆积密度大的特点 ，并通过添加钢纤维等措施 对 储热 混凝 土 的力学 性 能和传 热性 能进 行 了优化 改 进 3 1 ， 配制 出了性 能指标稳定 ， 成本低廉 ， 应用广泛 的混凝土储热材料。 1 研 究 过程 1 1 原材 料 水泥 ： P O 4 2 5级普 通硅酸盐水泥 ，符合 G B 1 7 5 2 0 o 7 镍渣 ( 极差= 2 0 0 ) 石子 ( 极差= 0 4 6 ) 钢 纤 维 ( 极 差= 0 4 3 ) 。 图 1 为各 因素对强度的影响曲线。 从 图 1 可见 ， 影响强度的主要因素是水泥 ， 随水泥掺加量的增加 ， 强度直线上升 。 其次是镍渣 ， 原 因之一是其熔炼过程 形成的活性矿物有利于形成强度 ； 另外 ， 镍渣粗糙不 日 岂 憩 9 4 水 泥对强度 的影 响 规 则 的表面 ， 改变 了混凝 土 的内部结 构 ， 强 化 了混凝 土 中集 料与胶 结料 的界 面过 渡 区 ，显著 改善 了混凝 土 的力 学性 能 。石子对 强度 的贡献 主要 与配 合 比的 合理性有关 ，在其第二水平对应的配比参数对强度 更有利 。 钢纤维对抗压强度的影响最小 ， 但其无规则 的分 布对 阻碍混 凝土 内部微 裂缝 的扩展 及宏 观裂 缝 的形成起到积极的作用 。并对改善混凝土的耐久性 能和传热性能具有明显的作用。 石子对强度的影响 镍渣对强度的影响 钢纤维对强度的影响 图 1 各 因素对强度的影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 孟渊 ， 田斌守 ， 邵继新 ， 等 利用冶炼工业废弃物镍渣研制混凝土储热材料 ( 2 ) 各 因素对 表 观密 度 的影 响程度 的大小 为 ： 镍 渣 ( 极 差= 1 0 0 7 ) 钢 纤 维 ( 极差 = 4 0 ) 石 子 ( 极 差= 5 7 ) 水泥 ( 极差= 3 3 ) 。 图 2为各因素对材料表观密度影响曲线，由图 2可 见 。 镍 渣 对表 观密 度起 着决 定性 作用 。 试验 所用 镍渣是冶炼镍铁合金产生的固体废渣 ， 含铁量高 ， 表 观密度大 ， 对配制高密度混凝土作用明显 。 镍渣在细 3 0 0 0 2 8 0 0 越 2 6 0 0 韶 霞 2 4 0 0 1葚 2 2o o Tl T2 T 3 水 泥对表 观密度的影响 兰 糖 霞 懈 T1 T2 T 3 石子对表 观密度 的影 响 吕 稍 镤 1莘 骨料 中的 比例分别 为 0 、 6 2 和 1 0 0 三个水平 ， 对 应 的表观密度 分别为 2 2 1 0 k m3 2 8 9 3 k m 和 3 2 1 7 k g m ， 增幅达 4 4 。钢纤维对混凝土表观密度的贡 献较大，表观密度随着钢纤维掺量的增加而增大的 趋势较为明显 。水泥和石子两个因素对表观密度升 降的影响仅与其对混凝土的密实性有关 水平比较 接近 ， 对表观密度的影响均较小。 Tl T2 T 3 镍 渣对表观密度的影响 图 2 各 因素对表观密度 的影 响 ( 3 ) 各因素对 比热影 响程度的大小为 ： 镍渣 ( 极 差= 0 2 8 ) 水泥 ( 极差= O 1 4 钢纤维 ( 极差= 0 0 2 ) = 石 子 ( 极差 = 0 0 2 ) 。 图 3为 各 因素 对材 料 比热 的影 响 曲线 ，从 图 3 可以看 出，曲线的变化趋势与表观密度的变化趋势 基本一致 ， 表观密度越大则其 比热容越大。 镍渣由于 1 2 O 1 1 0 壹 1 0 o 蕞0 9 0 T1 1 2 O 1 1 O j 1 0 o 番 0 9 0 筮 O 8 O T1 立 谣 扛 T1 T 2 T 3 钢纤维对表观密度的影 响 高密度的特性 ，使得其配置的混凝土具有高比热容 值的优势 。 与其它三个 因素相比， 镍渣对 比热容值的 贡献具有绝对优势 。比热容值随镍渣掺加量变化的 曲线比较陡直。在不同掺量下 ， 水泥、 石子和钢纤维 三个因素会影响混凝土的密实度 ，由此也会对 比热 容产生一定 的影响 ， 但影响程度很小。 水泥对 比热 容的影响 石子对 比热容 的影 响 镍 渣对 比热容的影响 图 3 各 因素对 比热容 的影 响 3结 论 ( 1 ) 本研究用冶炼废弃物镍渣配置 出了强度大 于 3 2 MP a ，表 观 密 度 大 于 3 2 0 0 k m ， 比热 容 为 1 2 2 4 k J ( k g ) 的储热混凝 土 ， 该混凝土在用 于太 阳能热利用过程 中的储热时 ，可提高太阳能的利用 率。 ( 2 ) 本研究采用石子 、 镍渣 、 钢纤维等材料形成 骨料 优化了混凝土的内部结构 ， 改善了混凝 土的力 学性能、 抗 冲击及传热速率 、 热应力等性能 ， 并且 可 循环重复使用。 ( 3 ) 本研究对 固体废弃物镍渣进行 了利用 ， 有利 于减轻环境负担 ， 实现变废为宝 ， 社会和经济效益较 显著。 1 -2 0 1 1 0 1 0 0 熏 0 9 0 丑 O 8 O T1 r 2 T3 钢纤维对 比热容 的影响 参 考文献 ： 1 D o e r t e L a i n g ，Wo l f - D i e t e r S t e i n m a n n ，R a i n e r T a m me ， C h r i s t o p h Ri c h t e r S o l i d me d i a t h e r ma l s t o r a g e f o r p a r a b o l i c t r D u g h p o w e r p l a n t s J S o l a r E n e r g y ，2 0 0 6 ， 8 0 ： 1 2 8 3 - 1 2 8 9 【 2 朱教群， 童雨舟， 周卫兵， 等 太 阳能发电用高温混凝土储热 材料的制备及性能研究 J 1 节能， 2 0 0 9 ( 8 ) ： 2 3 2 5 【 3 陈友治 ， 李儒 光， 李 新平， 等 高性能 重质混凝 土 的制 备 J 混 凝 土， 2 0 1 1 ( 4 】 ： 9 7 1 0 0 【 4 李秀领， 罗敏让， 王娟 绿色高性能 纤维增强水泥基复合材 料正交试验设计及工作性能研究 J 混凝土， 2 0 1 3 ( 1 2 ) ： 8 - 1 0 收稿 日期 ： 2 0 1 4 1 2 1 5 作者简 介 ： 孟渊( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 工程师。 联 系电话 ： 1 3 0 8 8 7 5 6 0 8 6 E- ma i l ： I z me n g y u a n 1 6 3 c o m 一 9 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m