雷洪凯的论文

1、钢纤维对水泥基太阳能吸收材料 力学和热学性能的影响 指导老师：王琦教授 班级：材料0902班 学生：雷洪凯 论文框架论文框架 课题研究背景、目的和意义课题研究背景、目的和意义 课题研究内容及结果分析课题研究内容及结果分析 实验结论实验结论 一一. . 课题研究课题研究背景背景、目的和意义、目的和意义 全球能源全球能源 危机日益加深危机日益加深 我国环境污我国环境污 染非常严重染非常严重 需要大力开发太阳需要大力开发太阳 能等清洁能源在能等清洁能源在 总能源的比重总能源的比重 钢纤维能显著的提钢纤维能显著的提 高混凝土的抗折抗压强高混凝土的抗折抗压强 度，增强材料的柔韧度，增强材料的柔韧 性，减

2、小压折比，提高性，减小压折比，提高 材料的抗裂性。材料的抗裂性。 济南大学王琦教授济南大学王琦教授 及其科研组制备出及其科研组制备出 水泥基太阳能吸收水泥基太阳能吸收 材料材料 在王琦教授及其科研组所制备出的水泥基太阳在王琦教授及其科研组所制备出的水泥基太阳 能吸收材料的基础上，掺入适量的哑铃型钢纤能吸收材料的基础上，掺入适量的哑铃型钢纤 维，提高复合材料的力学性能及进一步提高热维，提高复合材料的力学性能及进一步提高热 学性能，使材料在保持良好热学性能的基学性能，使材料在保持良好热学性能的基 础上，同样具有良好的力学性能。础上，同样具有良好的力学性能。 二二. . 课题研究内容及结果分析课题研

3、究内容及结果分析 不同钢不同钢 纤维外纤维外 掺体积掺体积 分数分数 掺入掺入 水泥水泥 基太基太 阳能阳能 吸收吸收 材料材料 力学性能测试力学性能测试(3d， 7d，28d抗压抗折抗压抗折 强度，压折比强度，压折比) 绝干容重测试绝干容重测试 热学性能测试热学性能测试(导导 热系数，热扩散热系数，热扩散 系数，体积热容系数，体积热容) 实际太阳能吸热测量实际太阳能吸热测量 2 2.1.1.1.1 实验流程图实验流程图 2 2.1 .1 实验研究内容实验研究内容 2 2.1.2.1.2 钢纤维增强水泥基复合材料实验配比钢纤维增强水泥基复合材料实验配比 表一 编号 石墨： 水泥 炭黑： 水泥

4、氧化铁 黑：水 泥 水泥： 石英砂 水泥： 碳化硅 钢纤维 外掺体 积/总体 积(v%) B016：1008:10016:100100:256100:440 B116：1008:10016:100100:256100:441.5 B216：1008:10016:100100:256100:443.0 B316：1008:10016:100100:256100:444.5 B416：1008:10016:100100:256100:446.0 B516：1008:10016:100100:256100:447.5 实验选择固定石墨、炭黑、氧化铁黑、碳化硅，石英砂，水泥的条件下，实验选择固定石墨、

5、炭黑、氧化铁黑、碳化硅，石英砂，水泥的条件下， 选择不同的钢纤维外掺体积分数，钢纤维的掺量分别为选择不同的钢纤维外掺体积分数，钢纤维的掺量分别为0v%、1.5v%、3.0v%、 4.5v%、6.0v%、7.5v%。通过测定未加钢纤维水泥基复合材料的流动度，确通过测定未加钢纤维水泥基复合材料的流动度，确 定固定水灰比定固定水灰比0.611。测量不同水化龄期的抗折抗压强度，绝干容重，导热系测量不同水化龄期的抗折抗压强度，绝干容重，导热系 数，热扩散系数，体积热容等数，热扩散系数，体积热容等 水泥、石墨、水泥、石墨、 炭黑、氧铁黑炭黑、氧铁黑 标准砂、碳化硅、标准砂、碳化硅、 钢纤维钢纤维 混合干拌

6、混合干拌 3min 根据测定的标准稠根据测定的标准稠 度利用砂浆搅拌机度利用砂浆搅拌机 把所有组分进行标把所有组分进行标 准成型准成型 干拌5min 干拌5min 012345 3 4 5 6 7 8 9 10 11 3d 7d 28d 抗折强度/MPa 编号 012345 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 抗压强度MPa 编号 3d 7d 28d 图 1 图 2 2 2.2 .2 实验结果分析实验结果分析 2 2.2.1 .2.1 不同钢纤维外掺体积分数对水泥基复合材料抗折抗压强度的影响不同钢纤维外掺体积分数对水泥基复

7、合材料抗折抗压强度的影响 钢纤维对钢纤维对 水泥基复合材料的增强作用水泥基复合材料的增强作用 随着钢纤维参量的增加而趋于平缓随着钢纤维参量的增加而趋于平缓 且对早期抗折强度的提高更明显且对早期抗折强度的提高更明显 水泥基复合材料水泥基复合材料 各龄期抗压强度值有了明显各龄期抗压强度值有了明显 增长，水化增长，水化28d时，钢纤维外掺体积分数时，钢纤维外掺体积分数 为为4.5v%，材料的抗压强度最大，达到了，材料的抗压强度最大，达到了 48.81MPa，较未添加钢纤维时提高了，较未添加钢纤维时提高了49%。 012345 0 500 1000 1500 2000 2500 绝干容重/ (kg.m

8、 -3) 编号 图 3 表二 2 2.2.2 .2.2 不同钢纤维外掺体积分数对水泥基复合材料压折比和绝干容重的影响不同钢纤维外掺体积分数对水泥基复合材料压折比和绝干容重的影响 水化至水化至28d时材料的绝干容重时材料的绝干容重 随着钢纤维的增多而增大，随着钢纤维的增多而增大， 当钢纤维掺量为当钢纤维掺量为7.5v%时，时， 绝干容重达到了绝干容重达到了2374.1kgm-3， 比未添加钢纤维时，提高了比未添加钢纤维时，提高了19.09%。 编号28d压折比 绝干容重 / (kgm-3) B06.282049.9 B15.792108.3 B25.412219.9 B35.212298.6 B

9、44.742374.1 B54.222441.3 随着钢纤维体积外掺量的增加，材料随着钢纤维体积外掺量的增加，材料 的压折比降低，表明材料的韧性增强，的压折比降低，表明材料的韧性增强， 抗裂性增大，抗热冲击性随之提高。抗裂性增大，抗热冲击性随之提高。 如钢纤维外掺体积分数如钢纤维外掺体积分数7.5时，压折时，压折 比由未掺加样的比由未掺加样的6.28降低到降低到4.22，材，材 料的韧性明显提高。料的韧性明显提高。 2 2.2.3.2.3 钢纤维掺量对水泥基复合材料结构的影响钢纤维掺量对水泥基复合材料结构的影响 图图 4 4 钢纤维掺钢纤维掺 量为量为1.5v% 图图 5 5 钢纤维钢纤维 掺

10、量为掺量为4.5v% 图图 6 6 钢纤维掺钢纤维掺 量为量为7.5v% 钢纤维掺量为钢纤维掺量为1.5v%时，时， 钢纤维在水泥基复合材钢纤维在水泥基复合材 料中较好的分散开料中较好的分散开 钢纤维掺量为钢纤维掺量为4.5v%时，时， 钢纤维在水泥基复合材钢纤维在水泥基复合材 料中较好的分散开，且料中较好的分散开，且 各项异性很好各项异性很好 钢纤维掺量为钢纤维掺量为7.5v%时，时， 钢纤维在水泥基复合材钢纤维在水泥基复合材 料中各向异性变差，且料中各向异性变差，且 有团聚现象有团聚现象 B 纵向 A 横向 2 2.2.4.2.4 热学性能测试热学性能测试 水化28d时，将试样烘至绝干，用

11、Hot disk热常数分析仪测量不同钢纤维 外掺体积分数下，复合材料的热学性能，具体的测试结果见表三 表三： 012345 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 导热系数 /W.(m.K)- 1 编号 编号 导热系数 /W(mK) -1 热扩散系数 /(10-6m2s-1) 体积热容 /MJ(m3K) -1 B07.43427.1776134.23 B17.69737.6399135.49 B27.98947.9491136.80 B38.34158.3648137.62 B48.52248.6113138.53 B58.63228.8413139.46 水泥基复合材

12、料的导热系数随着钢纤维水泥基复合材料的导热系数随着钢纤维 外掺体积分数的增加而增大，外掺量外掺体积分数的增加而增大，外掺量 为为1.5v%、3.0v%、4.5v%、6.0v%、7.5v%， 导热系数相对于空白样分别增加导热系数相对于空白样分别增加3.54%、 7.47%、12.20%、14.64%、16.11%， 可见加入钢纤维提高了水泥的导热性能。可见加入钢纤维提高了水泥的导热性能。 012345 7.0 7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 8.4 8.6 8.8 9.0 热扩散系数/(10-6m2.s-1) 编号 012345 134 135 136 137 138 139 1

13、40 体积热容/MJ.(m3.K) -1 编号 复合材料的热扩散系数复合材料的热扩散系数 随着钢纤维外掺量的增随着钢纤维外掺量的增 加而增大，钢纤维外掺加而增大，钢纤维外掺 量量4.5%时，相对于空白时，相对于空白 样增加了样增加了16.54%。 经过钢纤维材料的掺加，水泥经过钢纤维材料的掺加，水泥 的体积热容得到很大幅度的提高。的体积热容得到很大幅度的提高。 各不同钢纤维体积掺量的试块各不同钢纤维体积掺量的试块 的体积热容都提高了的体积热容都提高了 图图 7 7 空白样空白样 图图 8 8 钢纤维掺量钢纤维掺量 1.51.5v v% % 图图 9 9 钢纤维掺量钢纤维掺量 4.5 4.5v

14、v% % 图图 10 10 钢纤维掺量钢纤维掺量 7.5 7.5v v% % 钢纤维体积掺量为钢纤维体积掺量为1.5v% 时，裂纹尺寸变小时，裂纹尺寸变小 钢纤维体积掺量为钢纤维体积掺量为7.5v% 时，裂纹尺寸变化不大时，裂纹尺寸变化不大。 钢纤维体积掺量为钢纤维体积掺量为4.5v% 时，裂纹尺寸最小时，裂纹尺寸最小 不掺加钢纤维时，不掺加钢纤维时， 材料的裂纹尺寸材料的裂纹尺寸较大较大 2 2.2.2.5 5不同钢纤维体积掺量下材料热循环破坏后微观结构的影不同钢纤维体积掺量下材料热循环破坏后微观结构的影 响响 在水泥基太阳能吸收材料中添在水泥基太阳能吸收材料中添 加钢纤维，不仅能够提高材料

15、加钢纤维，不仅能够提高材料 的力学性能和热学性能，而且的力学性能和热学性能，而且 能提高材料承受热循环破坏的能提高材料承受热循环破坏的 能力，抑制微裂纹的扩展。能力，抑制微裂纹的扩展。 掺钢纤维试板吸热结束时的温度掺钢纤维试板吸热结束时的温度 表四 图 11 2 2.2.2.6 6 水泥基太阳能吸收材料的实际热吸收效果水泥基太阳能吸收材料的实际热吸收效果 相比于水泥空白样掺钢相比于水泥空白样掺钢 纤维试样的温度都提纤维试样的温度都提 高了很多高了很多 钢纤维体积掺量（v%） 板面温度 （） 板底温度 （） 平均温度 （） 相差温度 （） 054.3658.5256.444.61 1.556.0

16、960.7358.414.64 3.057.0162.2659.635.25 4.557.8463.6060.725.76 6.057.5662.9960.275.43 7.557.1462.4059.775.26 掺加钢纤维以后，材料的吸热性能掺加钢纤维以后，材料的吸热性能 和蓄热性能力较空白样有较大提高和蓄热性能力较空白样有较大提高 。而在钢纤维体积掺量为。而在钢纤维体积掺量为4.5%4.5%时板时板 面温差最大为面温差最大为5.765.76。该掺量下的。该掺量下的 吸热性能，蓄热性能最佳。吸热性能，蓄热性能最佳。 三、三、结结 论论 1、随着钢纤维体积掺量的增加，各龄期抗折抗压强度较未添加钢纤维时增加明 显。钢纤维对复合材料早期力学性能增强更为明显。 2、水泥基复合材料的绝干容重比未添加钢纤维时均有所提高 3、钢纤维降低了材料的压折比，材料的韧性明显提高。 4、钢纤维进一步提高了水泥基复合材料的热学性能：复合材料的导热系数、热 扩散系数、体积热容比未掺加钢纤维时均有所增加。