铜矿渣细骨料HPC性能实验及HPC能量桩传热数值模拟研究

发布时间：2020-05-11 18:11

【摘要】：根据“建筑节能与绿色建筑发展”理念,将铜矿渣作为细骨料,应用于高性能混凝土(HPC)。根据《高性能混凝土设计规程》设计HPC配合比,掺入适量石墨和钢纤维,制备具有优良力学性能和导热性能的HPC,并与绿色建筑节能-地源热泵能量桩系统有机结合,进行换热模拟研究。考虑能量桩的强度、稳定性、换热效率等因素,对能量桩HPC的材料进行选取,针对含钢纤维和不含钢纤维两种情况,考察铜矿渣取代率对HPC砂浆流动性、抗压性能、抗折性能、导热性能的影响。论文主要研究内容和结论如下:(1)考察铜渣取代率对HPC抗压性能和抗折性能的影响。铜渣混凝土试件的抗压试验表明,随着铜渣取代率的增加,铜渣混凝土的破坏程度增大,试件端部约束力减小,钢纤维增强铜渣混凝土抗裂性能优异,但随着铜渣取代率的提高,钢纤维增强铜渣混凝土试件的抗裂性能降低。通过在混凝土中掺入钢纤维,提高了铜渣代替砂石作为细集料的取代率。对于铜渣混凝土梁,其抗弯强度随着铜渣取代率的增加而逐渐降低,而对于钢纤维铜渣混凝土梁,当铜渣取代率为40%时,其抗弯强度最大,破坏挠度最大。当铜渣置换率小于45%时,钢纤维增强铜渣混凝土梁具有比钢纤维增强混凝土梁更好的抗折性能。(2)在铜矿渣取代率为30%~50%范围内,基于正交实验方法,考察铜矿渣取代率、钢纤维掺入量、石墨掺入量对HPC抗压、抗折和导热性能的影响。结果表明HPC抗压强度和抗折强度均随钢纤维掺入量的增加而增大,随石墨掺入量的增加而减小,而HPC导热系数随铜矿渣、钢纤维、石墨掺入量的增加均呈上升趋势,但石墨对HPC导热性能的影响最为显著。(3)构建HPC能量桩系统单U型换热管能量桩的换热模型。利用FULENT软件对能量桩进行换热模拟,分析了三维稳态工况下,HPC能量桩的流固耦合换热特点,通过进出口温度差和水平热量扩散程度两个维度,对比分析常规石英砂HPC能量桩、铜矿渣HPC能量桩、石墨HPC能量桩热传导规律和换热性能,结果表明石墨HPC能量桩相比常规石英砂HPC能量桩水平热传导速率提高了49.7%,进、出口温度换热效率提高了12.9%,具有较高的换热性能。综上所述,相比一般能量桩而言,铜矿渣细骨料HPC能量桩能有效提高换热效率和结构的力学性能。因此,本文研究结果可为利用铜矿渣制备高强度和高导热性HPC,并将该类HPC应用于能量桩的生产实践提供技术支持。
【图文】：

变化情况图,精炼铜,全球,产值

图 1-1 1995-2015 全球精炼铜产值变化情况铜生产过程中产生的废弃物。每生产一吨铜，约产生来，除 2002 年外，全球精炼铜产量均有积极增长。2308 万吨，其中,中国精炼铜产量 7963.6 万吨，近两年。如图 1-1 数据显示，2016 年全球炼铜产量较 2015

废铜矿

第二章能量桩 HPC 材料及配合比设计2.1 铜矿渣与石英砂铜矿渣是一种黑色的玻璃状颗粒，在性质上是颗粒状的，与石英砂具有类似的砂粒径范围。铜渣的比重为 3.85。铜渣中游离含水率小于 0.5%，二氧化硅含量约为 29%，是可溶性的，因为它是正常浇注操作中使用的天然细集料的成分之一，如图 2-1 实验室所用铜矿渣实物图。石英砂，如图 2-2 实验室所用石英砂实物图，它是经过石英石按照细集模度加工而成。物理性质：坚硬、耐磨，表面粗糙、乳白色或半透明状；化学性质相对稳定的硅酸盐矿物。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU473.1;TU83

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