开题报告——钢渣泡沫混凝土的保温性能研究

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安徽工业大学（硕士学位论文）开题报告及工作计划表姓名石司琴学号1320190391专业供热供燃气通风及空调工程研究方向绿色节能建筑材料导师姓名陈德鹏安徽工业大学研究生学院2014年11月-12- _____2013____级硕士学位论文开题报告论文题目钢渣泡沫混凝土的保温性能研究论文选题来源住房和城乡建设部科学技术项目本课题研究的目的、意义：本课题立足钢渣在墙体材料中的资源化利用，研究钢渣等体积替换细骨料所制成的钢渣泡沫混凝土的保温性能。通过对钢渣在这方面的研究，为钢渣在建筑材料方面的利用提供理论支撑。目前的泡沫混凝土在保温材料方面应用较广泛，但也由于其自身结构问题限制了它的进一步广泛应用，将钢渣掺入泡沫混凝土中不仅能改善泡沫混凝土的自身结构问题还能资源化利用钢渣，根据钢渣微观结构与组成以及泡沫混凝土的组成结构，着重考虑钢渣成分、水化反应、吸水性、表面特征、膨胀活性和发泡剂性能的影响，对泡沫混凝土的强度、容重、吸水率、导热系数等进行研究。通过实验对钢渣泡沫混凝土的力学性能和热物性能进行分析总结，得出：钢渣泡沫混凝土能作为保温材料的钢渣最佳掺量；钢渣泡沫混凝土的导热系数与孔隙率、容重、干密度及吸水率之间的关系；钢渣性能对泡沫的影响规律，最后通过abaqus建立模型模拟试块的导热性能，对导热系数模型进行研究，推导钢渣泡沫混凝土导热系数模型。期待研究后的钢渣泡沫混凝土能比普通混凝土的热工性能好，比泡沫混凝土的力学性能强。钢渣泡沫混凝土在保温材料领域的应用，为解决钢渣低能耗应用，提高钢渣资源化利用效率奠定理论与技术基础，研究成果的推广应用具有重要经济、环境和社会效益。目前我国对工业固体废物的综合利用还仅限于初级的粗放式利用，如铺路、生产水泥建材、矿坑填充等，高附加值的产品较少。与国外相比，我国工业固体废物资源化的水平也较低，所以，加强我国固体废物综合利用率是我国亟待解决的一大问题，让固体废物资源化，不仅保护环境和自然资源，更产生巨大的社会效益和经济效益。工信部发布《大宗工业固体废物综合利用“十二五”规划》。《规划》明确，到2015年大宗工业固体废物综合利用率将达50%。钢渣是炼钢工业排出的废渣，产量大且综合利用率低，其排出量约为粗钢产量的15～20%。造成了严重的环境污染，占用了大量的土地，破坏了生态环境。如何实现钢渣高附加值的规模化利用一直是我国工业上的主要研究方向。钢渣成分复杂多变，国内外研究者对其也进行了大量研究，但由于其成分原因不能对其进行统一处理。目前，我国钢渣应用的领域主要有：(1)用于建筑行业；(2)用于冶金原料；(3)用于污水处理；(4)用于农业等。从钢渣的利用形式来看，主要有内循环和外循环两种，内循环主要是指企业内部对于钢渣的再回收利用，外循环主要体现在建筑材料中的应用。钢渣的大量排放，不仅给钢铁公司增加了经济负担，而且由于需要场地堆放，在堆弃过程中侵占了大面积的农田，进而对空气、水质等造成了极其严重的污染，也对居民的正常生活造成了严重的影响。钢渣的综合治理工作迫在眉睫，大宗量、高附加值的利用就显得尤为重要。-12- 泡沫混凝土是一种利废、环保、节能、低廉且具有不燃性的新型建筑节能材料，然而目前泡沫混凝土的研究与应用方面存在许多问题，因其自身的结构特性存在：强度偏低、易开裂、吸水、收缩率大等问题，限制了它的广泛应用。本课题采用钢渣等体积替换泡沫混凝土中的砂作为细骨料展开研究，通过分析钢渣自身特性、泡沫混凝土的结构构成，期待研究总结出最佳掺量的钢渣泡沫混凝土的保温隔热性能，在一定程度和方面上改善泡沫混凝土的结构特性问题，进而推动泡沫混凝土的广泛应用，也有望打破限制钢渣在混凝土中大量、高附加值利用技术瓶颈，将促使大量工业废钢渣变废为宝，推进“节材与材料资源合理利用技术”在建筑事业中快速发展提供理论依据。研究一种集承重和保温于一体的新型墙体材料。本课题国内外研究概况（并在表格最后附上文献综述）：（1）钢渣微观结构与组成近年来，国内外对钢渣的研究较多，钢渣量多且对环境污染严重，使得钢渣处理问题迫切，这就需要对钢渣成分进行分析。钢渣所含成分复杂，主要是由钙、铁、硅、镁和少量铝、锰、磷等的氧化物组成，其主要的矿物相为硅酸三钙、硅酸二钙、钙镁橄榄石、钙镁蔷薇辉石、铁铝酸钙以及硅、镁、铁、锰、磷的氧化物形成的固熔体，还含有少量游离氧化钙以及金属铁、氟磷灰石等。高成明对钢渣的分析比较深入，主要分析钢渣的各成分及各成分含量对钢渣活性的影响，最后得出结论：决定钢渣活性的主要成分有CaO、SIO2、AL2O3，还重点研究了钢渣粉胶凝材料的水化机理，钢渣激发研究和钢渣粉掺和料的基本性能及其相容。钢渣中所含的C2S和C3S等，使得钢渣具有一定的胶凝性。关少波对钢渣粉活性与胶凝性及其混凝土性能进行了研究，深入研究了钢渣的组成、颗粒形态、冷却方式以及粉磨方法对钢渣粉胶凝性能的影响，阐述了不同影响因素的相互作用，进一步证明了钢渣胶凝性产生的原因、作用及潜力，提出钢渣粉机械一化学复合活化方法，通过试验研究了钢渣粉活性激发的影响因素及相应的工艺参数，建立了剥离水泥强度影响的钢渣活性因子评价方法，由此更科学地确定了钢渣粉的最优比表面积和掺量范围。具备了可用作水泥混合材和混凝土掺合料的条件。有的地区因矿石含钛和钒，钢渣中也稍含有这些成分。钢渣中各种成分的含量因炼钢炉型、钢种以及每炉钢冶炼阶段的不同，有较大的差异。邢琳琳从钢渣稳定性与钢渣粗骨料混凝土的试验研究中，分析了钢渣成分并按照《钢渣稳定性试验方法》（GB/T24175-2009）中规定的试验方法测试钢渣的粉化率，并测定钢渣和碎石不同比例下的试样粉化率；同时，进行混凝土试块压蒸试验，为钢渣在混凝土的最大掺量提供依据。钢渣的综合利用受限也主要是由于钢渣的成分多变且稳定性不高等原因。（2）钢渣混凝土的研究钢渣在混凝土中的研究应用相对较多，与一般的普通混凝土相比，钢渣混凝土的各项力学性能均较好，而且钢渣由于其自身耐磨性好，加入到混凝土中能使之具有良好的耐磨性和耐久性。钢渣有与水泥相同的成分，也就有一定的胶凝性，加入钢渣能很好的改善界面过渡区，加强混凝土的强度。有些文献中指出：水泥与钢渣之间具有“协同效应”，能促进水化反应，提高试块强度。在强度方面的研究有文献[20]中指出：与普通混凝土相比，钢渣混凝土的抗压和抗弯强度略高于普通混凝土，钢渣混凝土还具有较高劈拉强度和弹性模量，但钢渣混凝土干缩性能低于普通混凝土。-12- 近几年，钢渣用于混凝土越来越多，钱觉时，李长太等（2004年）人在D.D.L.Chung和Feldman,R.F.研究的基础上，进行了钢渣混凝土导电性能的研究，分析了硅灰和粉煤灰对钢渣混凝土导电性能的影响。钢渣混凝土也应用于墙体保温材料中，杨仁全研究了钢渣混凝土砌块在日光温室中的应用，通过实验得到钢渣混凝土的导热系数和蓄热系数比黏土砖更适合作保温材料，比加气混凝土更适合作蓄热材料。要提高日光温室的蓄热保温性能就要使得导热系数小，蓄热系数和热惰性指标要大，还介绍了用稳态平板法和非稳态常功率平面热源法测量导热系数。钢渣混凝土的研究不仅提高了钢渣利用的附加值，同时也对改善混凝土质量做出贡献，利于水泥混凝土行业可持续发展战略，又兼具社会环保意义。（3）发泡剂及泡沫混凝土的研究目前，我国主要的保温混凝土材料是泡沫混凝土，对泡沫混凝土的研究相对较多，其中对发泡剂的研究是一个重要的环节。泡沫混凝土发泡剂主要有4类：松香树脂类发泡剂(第一代发泡剂)、合成类发泡剂(第二代发泡剂)、蛋白型发泡剂(第三代发泡剂)及复合型发泡剂(第四代发泡剂)。近年来，国内外一些学者也对新型发泡剂进行了制备和研究。林雪志等以糖基聚氧乙烯醚等原料复合成一种新型发泡剂，这种发泡剂稳定性好，并且气泡高度高达167.5mm，泡沫半衰期能达到65min。杨久俊等制备了无机热聚物发泡剂，由此种发泡剂产生的气泡稳定性及塑化分散性好气泡细腻均匀，并且还可以使泡沫混凝土的实际密度保持在设计范围之内。AloisSommer等将藻酸盐与聚丙烯酸酯聚氯乙烯烷基硫酸盐进行混合，制备了屋面装饰层和地面涂层专用的有机型发泡剂。在建筑材料方面，泡沫混凝土作为一种无机建筑保温材料，具有质量轻、保温隔热好、防火性能优良等特点，在建筑工程中有广泛的应用前景，目前我国已广泛应用。河海大学材料学院的王伟，熊传胜分析了外墙保温材料的燃烧(耐火性和安全性能)，从不同干密度、不同等级、不同灼烧时间进行了防火性实验，列举了泡沫混凝土的主要应用方面和制备方法。邢燕，王鸿飞等浅谈发泡混凝土在建筑墙体节能的应用，主要谈论的是现行的墙体保温做法，分析了发泡混凝土的性能，其在外墙体保温中有很广的前景。刘阳等在保温隔热墙体材料与建筑节能文献中主要介绍了几种保温隔热墙体材料的性能及应用，主要有聚苯乙烯泡沫塑料、聚氨酯泡沫塑料、颗粒保温材料、泡沫混凝土、岩棉、玻璃棉及新型的相变储能材料等。谢斌等对泡沫混凝土保温板力学与热工性能进行了实验研究，分析了不同掺和料掺量对导热系数的影响，导热系数会随时间、配合比、水侵蚀软化等的影响因素，通过干密度试验和导热系数试验，测出粉煤灰和硅灰对导热系数的影响。刘力的泡沫混凝土墙体自保温工艺论文中主要讲述保温系统的分类和综合性能，以及泡沫混凝土的应用方面，其分类，主要组成材料及配合比，并介绍了发泡剂的相关内容，还有其他掺和料及其掺量的影响。盖广清等的“掺粉煤灰陶粒泡沫混凝土承重保温砌块的研究”主要研究掺粉煤灰对陶粒泡沫混凝土的强度和表观密度的影响，从陶粒的基本性能和级配出发，掺泡沫以改善其和易性、孔结构来提高强度。粉煤灰有吸泡作用，用粉煤灰超量取代水泥，测定不同取代量对各性能的影响。（3）钢渣泡沫混凝土的研究从建筑节能方面，一些陶粒，粉煤灰，钢渣等都加入泡沫混凝土原料中，这样不仅降低了泡沫混凝土的成本也使得一些工业废渣回收利用。-12- 赛音巴特尔对钢渣掺量影响泡沫混凝土性能做了研究，作者采用超细粉磨，化学激发的复合方式来改善安定性和水化活性，进而取代部分水泥制备钢渣泡沫混凝土，通过设置不同掺量比的实验来测量抗压强度，抗折强度和导热系数，结果表明：绝对干密度和吸水率对导热系数有影响。他的另一篇文章“超细钢渣废渣掺量对泡沫混凝土性能的影响研究”中还从配合比设计方面分析其水化性胶凝性，最后总结得出结论：随着钢渣掺量的增加，泡沫混凝土的抗压、抗折强度呈逐渐降低趋势，强度变化率呈上升趋势，主要是因为其水化活性较水泥低，胶凝性下降；钢渣泡沫混凝土的吸水率和导热系数均上升，但总体变化相对不大，在标准允许范围内，最后钢渣的掺入对泡沫混凝土后期强度发展有积极作用。河海大学的熊传胜，王伟等研制了以钢渣和粉煤灰为掺合料的水泥基泡沫混凝土，他们是以钢渣粉取代水泥进行研究，研究的结果表明：钢渣粉对泡沫混凝土的干体积密度影响不大，但会降低泡沫混凝土的强度，并且还得出泡沫混凝土的干体积密度对导热率的关系近似呈指数关系。邓德敏、贺婷等研究了钢渣细度和掺入量对钢渣复合水泥基泡沫混凝土指标的影响，结果表明；同一钢渣掺入量下，随钢渣比表面积增大，泡沫混凝土砌块7天和28天抗压、抗折强度总体呈现先上升后下降的“山”型变化；在同一钢渣比表面积条件下，随着钢渣掺入量增加，泡沫混凝土砌块的抗压强度整体呈降低趋势；当加入钢渣微粉小于20%时，砌块28天强度高于纯水泥时的强度，继续增加掺量时强度反而降低。钢渣粉作为水泥或混凝土掺和料的技术工艺尚存在许多不足之处,其中的技术改进空间较大。综述所述，国内外研究者对钢渣泡沫混凝土的研究相对较少，研究者中也大多只是利用钢渣磨细粉化取代水泥进行研究，本课题组提出采用钢渣砂研究钢渣泡沫混凝土在周期性温湿度变化下的导热系数保温性能，对其力学性能和热工性能进行研究，期待研究结果在力学性能方面比泡沫混凝土强，在热工性能方面能比普通混凝土好，不仅对两种混凝土是很好的改进而且还能进一步将钢渣资源化利用在混凝土中，具有巨大的研究意义。-12- 本课题研究内容、研究方法及研究思路（技术路线）：1研究内容（1）发泡剂的选择与优化研究泡沫剂品种和发泡液浓度是决定泡沫混凝土性能的关键因素之一。泡沫剂品种不同，其发泡效果和泡沫稳定性差异较大，不但影响泡沫混凝土浆体流动性和稳定性，而且影响硬化体的密度和强度。所以研究钢渣泡沫混凝土对发泡剂的选择和发泡液的浓度要求很严谨。（2）钢渣泡沫混凝土配合比设计研究配合比的设计对钢渣泡沫混凝土性能有显著影响。其中水料比过低，料浆过稠，一方面影响料浆均匀性，物料容易结团而不易混合均匀；另一方面钢渣和泡沫在料浆中难以充分混合均匀，因钢渣料浆阻力较大泡沫易破裂，导致泡沫损失。此外，料浆过稠还会影响钢渣泡沫混凝土及其制品的成型效果。水料比过高，浆体稠度过小，粘度降低，浆体凝结硬化缓慢，容易出现分层离析，影响料浆稳定性。适宜的配合比不仅能确保物料混合均匀，而且使钢渣和泡沫在混入浆体后易分散均匀，保证钢渣泡沫混凝土浆料的均匀性和稳定性。（3）钢渣泡沫混凝土的基本性能研究通过实验对钢渣泡沫混凝土的一些基本性能进行研究，测量试验中钢渣泡沫混凝土的容重，对泡沫剂发泡的质量的观察，对混凝土的干密度、吸水率、干燥收缩率、孔隙率、抗压强度及导热系数进行测量。整理总结各物理量之间的曲线关系。（4）钢渣泡沫混凝土保温性能及改善技术研究由于钢渣表面多孔且多棱角，对泡沫的稳定性有很大影响，通过实验找出钢渣和泡沫之间的适宜的浓度比例，保温性能主要取决于泡沫，加入钢渣砂前期的水化反应较弱，对泡沫的影响较小，后期钢渣的水化反应较大，但后期泡沫基本稳定，在实验中可以考虑加入速凝剂来减小浆体的凝结时间，所以加入钢渣砂对泡沫混凝土还是有一定的自保温性能。（5）软件模拟及导热系数模型研究运用abaqus模拟掺入不同钢渣比例的试件保温性能，验证实验结果，总结几种泡沫混凝土的导热系数模型来提出钢渣泡沫混凝土的导热系数模型的研究。2.研究方法本课题整体方法思路是：首先采用理论分析，查阅资料分析理论的可行性，然后进行试验研究，通过实验得出各物理量之间的关系，最后，借助有限元数值模拟，验证实验的结果，提出适宜钢渣泡沫混凝土的导热系数模型。通过理论与实验的相互验证检验，所得结果更具可靠性。实验中钢渣泡沫混凝土的制作工艺流程图如下：-12- 图1.钢渣泡沫混凝土的制备工艺流程3.研究思路首先分析检测钢渣水泥的相关性能，通过实验选出较优发泡剂和合适的实验配合比；然后控制钢渣掺量，实验中测量容重、干湿表观密度、抗压强度、孔隙率及导热系数，最后还进行耐久性测试；根据实验结果，处理整合数据得出各物理量之间的关系曲线，最后利用有限元方法建立模型检测实验结果的可靠性，研究导热系数模型，最终得出项目预期需要的结果。（1）钢渣、水泥的性能检测钢渣是炼钢工业排出的废渣，它密度大且结构致密，较耐磨抗压性好，再者钢渣的成分复杂，一些游离的氧化物使得钢渣的具有一定的活性且微膨胀，试验中钢渣均是等体积代替砂作细骨料，首先要研究钢渣砂的特性和稳定性，SEM、XRF、XRD测试技术研究钢渣砂的几何性质、化学成分和矿物组成等特性。注意分析钢渣均匀性和级配。同时也需检测水泥的一些相关性能。（2）发泡剂的选择试验发泡剂的选择对钢渣泡沫混凝土的实验是关键因素，发泡剂的影响因素较多，使用正确的检测方法选择合适的发泡剂至关重要。发泡剂是选择采用发泡倍数及沉降距法进行检测，选择不同发泡剂，测量其发泡倍数、1h泡沫沉降距和1h泡沫泌水量来检测发泡剂发泡的质量。（3）钢渣泡沫混凝土基本性能试验通过实验选定较优的发泡剂和合适的配合比进行实验，将钢渣等体积替换泡沫混凝土中的砂，测量钢渣泡沫混凝土的干体积密度、容重、抗压强度、干燥收缩及导热系数等物理量。测试方法均参照JC/T1062-2007《泡沫混凝土砌块》。-12- （4）钢渣泡沫混凝土保温性能及其影响规律研究通过测定试块的导热系数，比较钢渣泡沫混凝土的导热系数和普通混凝土的导热系数，得出最后的规律，并且通过对钢渣泡沫混凝土的基本性能的测量找出影响导热系数的物理量。运用数值模拟验证实验结果，参考相关文献资料推导出钢渣泡沫混凝土导热系数模型。整体的技术路线图如下：-12- 本课题预期的进展和成果：1、预期进展2014年10月至2014年11月查阅整理相关资料，设计实验方案；2014年12月至2015年1月完成所有的实验部分，测量各物理量；2015年2月至2015年6月提出钢渣泡沫混凝土的复合体系有限单元模型；模拟钢渣泡沫混凝土的热传递过程；2015年7月至2015年9月整理数据，查阅文献，发表学术论文；2015年9月至2016年1月整理所有资料，撰写毕业论文；2016年2月至2016年5月修改整理论文，准备答辩及相关事宜；2、预期成果本课题通过实验探究钢渣泡沫混凝土作为保温承重材料的钢渣最佳掺量，预期得到钢渣泡沫混凝土的导热系数与孔隙率、容重、干密度及吸水率之间的关系，拟合各物理量之间的曲线关系；钢渣性能对泡沫的影响规律；推导钢渣泡沫混凝土导热系数模型。从试验方向，整理实验结果，拟合曲线关系，整理发表论文；从数值模拟方向，可以推导钢渣泡沫混凝土导热系数模型，软件模拟，整理发表论文；整理所有资料，完成毕业论文。-12- 本课题特色与创新之处：（1）本课题的研究着眼于钢渣的大宗量、低能耗高效利用，超越了过去大多将钢渣磨细作为水泥掺合料或者以钢渣微粉掺合料形式用于混凝土的视野。（2）目前泡沫混凝土自身结构问题限制了其广泛应用，通过钢渣性能改变泡沫混凝土的结构问题，研究的钢渣泡沫混凝土比普通混凝土保温性能好，这样实现了钢渣的回收利用，变废为宝，并且推动泡沫混凝土的广泛应用。（3）通过有限元软件模拟的分析，对比实验所得数据进行拟合处理，总结推导钢渣泡沫混凝土的导热系数模型，寻找钢渣性能对泡沫的影响规律。预计存在的主要问题、困难及解决办法：（1）钢渣用作集料与发泡剂的适应性问题钢渣表面粗糙且具有吸水性，其表面形状和吸水性将对发泡剂的效果产生影响，使发泡剂发泡机理和效果与普通泡沫混凝土相比发生很大变化，必须解决钢渣与发泡剂的适应性问题，明确内部的发泡机理，优选适用的发泡剂并保证其效果是研究的关键问题之一。解决方案：钢渣作为细骨料，其比表面积相对较小使得初始水化反应较慢，可以考虑加入速凝剂来加速混凝土浆体的凝结时间，以致钢渣水化反应吸水和产生的水化热对泡沫的稳定性影响小，又因早期强度低，也可以考虑同时加入早强剂改变混凝土早期强度。（2）钢渣泡沫混凝土孔结构对导热系数的关系钢渣将提高导热性，钢渣用量对发泡剂效果、孔隙特征都有着很重要的影响，分析钢渣用量、容重，泡沫性能等对孔结构的影响，特别是钢渣用量对泡沫混凝土的孔隙特征产生的效果，指出孔结构对导热系数的影响是问题的关键。解决方案：分析钢渣泡沫混凝土成型机理，观察试块的孔结构，用有限元数值模拟不同钢渣掺量对导热系数的影响，从理论提出一种由泡沫气相、钢渣固相和水泥固相组成的复合材料的新的导热系数模型，可以准确预测钢渣泡沫混凝土的导热系数。-12- 导师意见：导师签字：年月日-12- 开题报告会评审组提出的主要问题、建议及意见：评审组组长（签名）：年月日-12- 附：文献综述（要求格式明确、条理清楚、内容系统，并注明参考文献，以同类纸张附后）-12-