低温储热混凝土材料的研究开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1.研究背景

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础,是当代各国的重要战略资源。目前全球消耗的能源是大部分煤炭、石油、天然气这三种传统的不可再生能源。据权威的《bp世界能源统计年鉴》提供的数据显示,2016年世界探明石油储量约2707亿吨,按照2016年产量水平计算,可满足世界57年的需求。截至2016底,世界天然气探明储量为186.6×1012m3,该储备足以保证52.5年的供应需要。2016年,世界煤炭探明储量为1. 14×1012吨,足够满足153年的需求,大约是石油和天然气储量比的三倍。但是随着储量的减少,开采难度就会加大,开采价值就会随之下降,不可再生能源的开采年限还将大大减少[1]

在面对传统能源逐渐枯竭的同时,传统三大能源的高能耗、高污染也是必须考虑的问题。传统能源燃烧后会产生大量的二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物、碳氢化物、颗粒物以及二氧化碳等大气污染物,造成了巨大的大气污染,严重危害人类的生存。因此开发和寻找新型能源,尤其是可再生能源,已经成为现如今一大趋势,也是当今的一个研究热点内容。

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2. 研究的基本内容与方案

3.研究内容和技术路线

虽然混凝土作为储热材料具有许多优异性能,如:成本低廉、机械性能良好、可承受多次载荷的热循环等。但是要在低温条件下储存或者释放热量,混凝土必须通过一些技术来改善其相关性能,如:导热系数、抗高温性、蓄热量等等。对于储热材料来说,导热系数是一个关键性的性能指标,因为较高的导热系数能够迅速而有效的吸收和释放能量,较高的导热系数可以大大提高储热材料的工作效率。混凝土的热导率作为一种物理性质,与其组成材料和结构有关。比如:混凝土用的集料热导率高则其导热率就高、如果混凝土的气孔率低则混凝土总体的热导率就高。现有研究表明,通过一些措施确实改善混凝土的导热系数,如在混凝土内掺入钢纤维、粉煤灰以及石墨等,都是提高混凝土的导热性和耐温性的有效措施。因此混凝土作为一种水泥基复合材料,要提高其热性能,有效的方法就是从材料的选取入手。一、加入热导率高的集料,考虑采用高含铁量钢渣、铜矿砂;二、是采用钢纤维,在混凝土中掺入一定量的钢纤维来改善热性能;三、掺入导热性能较好的石墨粉。通过一系列措施,改善混凝土的性能,它将会是一种非常具有前景的储热材料。

3.1 结构表征与性能测试

1、物相表征:在功能材料领域,确定材料以及复合物的物相对研究最终材料的性能非常重要。因为某些材料在特定的衍射角会有特征表达的衍射峰,X射线衍射仪(X-Ray Diffraction,XRD)可以通过测试出材料的特征衍射峰,因此可以通过借助XRD,确定混凝土及其复合物物相成分。同时,功能材料的微结构直接影响材料的某些关键性能,如何实现材料的性能调控,首先需精准的表征材料微观结构。

2、形貌表征:扫描电子显微镜(Scanning Electronic Microscopy,SEM)通过电子枪发射出来的电子束与被测物质作用,产生二次电子和背散射电子,不同类型的电子探头分别捕获二次电子和背散射电子,形成对应的形貌像和成分像。通过形貌像可以获知混凝土材料的颗粒形状、大小、堆积情况等物理信息;通过成分像中颜色衬度的不同定性获取元素、物相组成、嵌布等化学信息。

3、热分析:混凝土材料在加热处理过程会发生物理化学变化,包括吸附水的脱附、结晶水的脱出、材料晶型的转变以及新物相的形成等。同时,也会发生质量的变化,所以采用热重-差式扫描量热法(Thermogravimetric Analysis-Differential Scanning Calorimeter,TG-DSC)测定混凝土及复合材料在加热过程的物理化学变化。

4、导热系数测试:导热系数作为储热材料的关键性能之一,本次实验采用的测试仪器为DTC-300,其测量准确,性能优良,是一种用于测量多种材料导热系数的保护热流计法导热仪,所测量的材料覆盖了高分子材料、陶瓷、复合材料、玻璃、橡胶、岩石、混凝土和一些金属材料,以及其他的具有低、中导热系数的材料。

5、储热容量测试:储热容量体现了储热材料储放热量大小,是储热材料的另一个关键指标。差示扫描量热法(DSC)是一种热分析法,在程序控制温度下,测量输入试样和参比物的功率差(如以热的形式)与温度之间的关系。差示扫描量热仪记录到的曲线称DSC曲线,它以样品吸热或放热的速率,即热流率dH/dt(单位毫焦/秒)为纵坐标,以温度T或时间t为横坐标,可以测定多种热力学和动力学参数,例如比热容、反应热、转变热等,该法使用温度范围宽(-175~725℃)、分辨率高、试样用量少,适用于无机物、有机化合物及药物分析,因此DSC仪器适用于本次实验测量样品的比热容。

6、储放热性能测试:为了模拟储热材料的储热、放热过程,同时更直观的表现制备的材料储热放热速率,采用储放热测试平台(图3-1)评价样品的储放热性能。评价过程为:(1)将样品装入测试管,同时将精度为±0.1℃的热电偶放置在测试管中心检测样品温度;将测试管置于25℃恒温水浴中,直至达到热平衡;(2)达到热平衡后,迅速将移测试管移至70℃水浴锅中,进行储热过程测试,直至温度到达70℃;(3)完成储热测试后,将测试管迅速移回25℃恒温水浴中,进行放热过程测试,直至温度降至25℃。整个过程,采用温度计数器记录温度的变化。

图3-1 储放热测试平台

3.2 研究内容

本文就其设计与制备展开研究,主要研究内容包括以下几个方面:

1、研究低温储热混凝土的配比及其制备工艺;

2、研究影响混凝土性能的技术因素,如配合料掺量等;

3、探讨及表征材料微观结构;

4、对材料性能进行研究分析。

3.3 技术路线

本文通过对提高混凝土导热系数和比热容系数的材料进行研究,确定储热混凝土材料的最优配方,进行混凝土储热实验并测试其性能。同时,通过XRD、SEM等测试仪器探究储热混凝土的微观结构。记录实验过程和现象,对实验结果做出分析。

3. 研究计划与安排

4.进度安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-8周:按照设计方案进行配料研究,制备储热混凝土。

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4. 参考文献(12篇以上)

5.参考文献

[1]代晓东,王余宝,毕晓光,等.2016年世界能源供需情况分析与未来展望——基于《bp世界能源统计年鉴》与《bp世界能源展望》[j].天然气与石油,2017,35(06):8-12 17.

[2]吴艳元.太阳能跨季节蓄热采暖技术研究与实践[j].建设科技,2017(22):29-31.

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