钢纤维石墨电热混凝土热学性能研究

发布时间：2020-05-11 14:26

【摘要】：在混凝土中掺入钢纤维、石墨等导电材料,制备出电热混凝土,除满足力学性能外上,又具备电热性能。本文针对钢纤维石墨电热混凝土的热学性能,进行理论分析、试验探索、数值模拟以及应用推广系列的研究,以期将其推广应用于室内采暖及路面融雪除冰,进一步推动混凝土这种传统建筑材料的多功能化和智能化,顺应科技发展趋势。研究内容及取得的主要成果如下:(1)钢纤维石墨电热混凝土的热学参数。试验发现,钢纤维石墨电热混凝土孔隙比达11.7%。因此,应将钢纤维石墨电热混凝土视为钢纤维、石墨、混凝土、空气四相复合材料进行热学参数分析。复合材料密度计算方法及串联的热阻网络模型可用于计算钢纤维石墨电热混凝土的密度和导热系数。在计算过程中,应考虑孔隙比影响,将空气作为一种组分参与计算。(2)导电材料对钢纤维石墨电热混凝土的热学参数的影响。研究发现,密度与石墨掺量、钢纤维长度成反比,与钢纤维掺量成正比;导热系数与石墨、钢纤维掺量成正比。其中,导热系数与石墨掺量的关系较为显著。(3)研究了不同空间下,采用不同电压对电热混凝土板进行升温试验,对比发现,密闭空间由于热量损失较少而升温较快;且随着电压的升高,这种现象更加明显。(4)结合室内升温实验结果,验证了ANSYS有限元模型的正确性。然后利用有限元模拟分析了电热混凝土在不同初始条件、不同配合比和不同风速下的升温效果,量化分析了电热混凝土的热量损耗情况。结果表明,在其他条件相同的情况下,初始温度越高,电热混凝土升温效果越明显。相同功率下,电热混凝土板在20℃下升高的温度是在-10℃下升高温度的3倍。随着电热混凝土板温度的升高,其吸收和传递过程中损失的热量逐渐增多,但有效热量的利用率总体呈增大趋势。(5)ANSYS有限元模拟分析得到,相同初始条件下,输入功率越大,电热混凝土升温越快。电热混凝土板在输入功率为2000 W/m2下升高的温度是在1000 W/m2下升高温度的2倍,而电热混凝土板所吸收的热量和传递过程中损失的热量均增多,但较大的输入功率会有更高的有效热量利用率。(6)在相同初始条件下,随着风力的加强,电热混凝土板表面升高的温度总体呈下降趋势,大部分的热量损失是由电热混凝土板与空气产生的对流所引起的。(7)对实际工程进行了升温、融雪除冰试验,并分析了不同环境下的电热混凝土板的热学性能。通电2小时后,电热混凝土板表层温度从1℃升高到4.5℃,水泥砂浆层温度从0.5℃升高到2.5℃,路面温度和室外环境温度一直呈下降趋势,但依然达到了平均3℃的温差,钢纤维石墨电热混凝土路面升温效果明显,满足室外融雪除冰的要求。
【图文】：

钢纤维,石墨

钢纤维

石墨,钢纤维

石墨Fig2-1SteelfibreFig2-2Graphite
【学位授予单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528

【参考文献】