CN102701704B - 一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种功能混凝土材料及其制备方法。一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土，其特征在于它由偏高岭土、改性水玻璃溶液、减水剂、玄武岩、细集料、钢纤维、有机纤维和石墨粉制备而成，1平方米混凝土中各原材料按如下比例配合：偏高岭土380~450kg/m3，改性水玻璃溶液220~310kg/m3，减水剂5~10kg/m3，玄武岩900~1200kg/m3，细集料590~710kg/m3，钢纤维10~20kg/m3，有机纤维0.5~1kg/m3，石墨粉10~20kg/m3，其中改性水玻璃溶液与偏高岭土的液固比为0.60~0.70；所述的细集料为普通砂、铜矿砂、钢渣砂。该方法制备出的高温储热材料具有成本低、容易现场制备、性能稳定、导热系数高并且耐久性高等特点。

Description

一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑材料领域，具体涉及一种功能混凝土材料及其制备方法。 
背景技术
随着传统不可再生能源的减少，能源问题日趋凸显。而太阳能是取之不尽的能源，相比较而言，其利用工艺过程简单可靠，能量转换环节较少，所以人们很快把焦点放在太阳能的利用上。但太阳能利用均存在一个突出的问题，即能量的储存问题，因为太阳能光热发电***无可避免地受到天气、昼夜的影响。有效的办法是采用储热***，其目的是将日光幅射充足时的热能储存起来，在日光幅射不足或夜间时释放出来产生蒸汽发电，总体作用是提高***可靠性，持续可供性和降低成本。而高温蓄热介质主要有固体如混凝土、可铸陶瓷、液体如矿物油、以及熔盐等类。油类蓄热介质长期化学性质不太稳定，有的易燃，使用成本较高；熔盐类蓄热介质也有明显的缺点。而混凝土是非常适宜的固体高温显热蓄热介质，其比热容较高，单位热量储存成本低，建造维护较易，是极具发展前景的一类储热材料。目前太阳能热电站用储热材料一般要求400℃左右，所以这就对混凝土的高温性能要求更为严格。但混凝土作为一种含水量较高、组分复杂且热稳定性不高的一种材料，要达到上述技术要求仍然存在较多的关键技术问题需要加以解决：1、混凝土高温下不稳定的问题，2、混凝土热导率较低的问题。 
发明内容
本发明的目的是提供一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土及其制备方法，该储热混凝土的热稳定性好和导热系数高。 
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土，其特征在于它由偏高岭土、改性水玻璃溶液、减水剂、玄武岩、细集料、钢纤维、有机纤维和石墨粉制备而成，1平方米混凝土中各原材料按如下比例配合：偏高岭土 380~450 kg/m3，改性水玻璃溶液220~310 kg/m3，减水剂5~10kg/m3，玄武岩900~1200 kg/m3，细集料590~710 kg/m3，钢纤维10~20kg/m3，有机纤维0.5~1kg/m3，石墨粉10~20kg/m3，其中改性水玻璃溶液与偏高岭土的液固比为0.60~0.70； 
所述的细集料为铜矿砂、钢渣砂中的任意一种或二种按任意配比的混合，或者为普通砂与铜矿砂、钢渣砂中的任意一种或二种的混合，普通砂的质量与铜矿砂、钢渣砂中的任意一种或二种按任意配比混合的质量比为0~1：1。
所述偏高岭土是由高岭土经650~750℃的温度下煅烧5~8h得到。 
所述改性水玻璃溶液是由在普通市售水玻璃溶液加入NaOH溶液改性而得，改性后的水玻璃模数为1.0~1.4，波美度为30~40%。 
所述减水剂为减水率≥15%的减水剂。 
所述玄武岩为粒径为5~25mm、连续级配的玄武岩。 
所述普通砂为一般的天然砂或机制砂，其细度模数为1.8~3.5；所述钢渣砂其细度模数为1.8~3.5；所述铜矿砂其细度模数为1.8~3.5。 
所述钢纤维为碳素钢纤维，长度为10~18mm。所述有机纤维为聚丙烯腈纤维，其直径10~20μm，长度为5~25mm。 
所述石墨粉其含碳量>99%（质量）。 
上述一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土的制备方法，其特征在于它包括如下步骤： 
1）按1平方米混凝土中各原材料按如下比例配合：偏高岭土 380~450 kg/m3，改性水玻璃溶液220~310 kg/m3，减水剂5~10kg/m3，玄武岩900~1200 kg/m3，细集料（普通砂、铜矿砂、钢渣砂的总和）590~710 kg/m3，钢纤维10~20kg/m3，有机纤维0.5~1kg/m3，石墨粉10~20kg/m3，其中改性水玻璃溶液与偏高岭土的液固比为0.60~0.70；选取偏高岭土、改性水玻璃溶液、减水剂、玄武岩、细集料、钢纤维、有机纤维和石墨粉；
2）将偏高岭土、改性水玻璃溶液、减水剂、玄武岩、细集料、钢纤维、有机纤维和石墨粉进行常规的搅拌、成型及养护（成型时，内埋置导热管，并且导热管引出导线至成型坯体外），最后，在正式使用前先通过埋置其中的导热管将其升温至40~60℃温度下加热6~12h，再升温至80~105℃温度下加热6~12h。
本发明以煅烧偏高岭土-改性水玻璃形成的地聚合物为胶凝材料，以玄武岩为粗骨料，普通砂、铜矿砂、钢渣砂为细骨料（细集料），同时在其中掺入钢纤维、有机纤维、石墨粉和减水剂，并且按照一定的配合比配合，经过常规的搅拌、成型及养护后，在正式使用前先通过埋置其中的导热管将其升温至40~60℃温度下加热6~12h，然后升温至80~105℃温度下加热6~12h。 
本发明的方法可显著改善混凝土的耐热性能和热学性能： 
（1）偏高岭土-改性水玻璃的地聚合物胶凝材料体系与骨料或各种纤维有较高的界面结合强度。一般普通硅酸盐水泥与骨料结合的界面上容易出现富含Ca(OH)2及钙矾石等粗大结晶的过渡区，而地聚合物与骨料、纤维之间不出现过渡区。一般造成混凝土高温破坏的因素之一就是界面区的结合力薄弱，所以地聚合物胶凝材料能够显著改善混凝土的耐热性能。同时地聚合物的最终产物中没有Ca(OH)2及钙矾石等这些在高温下容易分解的结晶产物，因此地聚合物的耐高温性能良好。
（2）有机纤维的熔点在160℃~200℃左右，超过此温度区间则熔解汽化，从而在混凝土内部形成连通的微小孔道，水蒸汽可由此通道逸出，大大降低混凝土内部蒸汽压，解决初次升温至运营温度时的开裂问题。 
（3）用热性能好钢渣砂、铜矿砂替代部分或全部细集料，掺入导热性能好的石墨粉、钢纤维、可以在不改变混凝土整体性能的情况下提高整体的导热系数。 
（4）在正式使用前先通过埋置其中的导热管将其升温至40~60℃温度下加热6~12h，然后升温至80~105℃温度下加热6~12h，可以使得混凝土中自由水排出，从而减少混凝土在温度升高过程中，因为自由水蒸发而引发内部蒸汽压过大而导致混凝土开裂破坏的问题。 
本发明改善高温储热混凝土的热稳定性和导热系数的问题，使其达到储热材料的性能指标，然后应用于太阳能热电站中。 
本发明的有益效果是：第一、按照本发明制备的储热混凝土是由耐高温的地聚合物胶凝材料制得，同时在其中掺入一定量的有机纤维，使得其在450℃下能够保证良好的力学性能和稳定性，有利于储热混凝土在高温下的稳定平稳的运行。第二、按照本发明制备的储热混凝土中掺入了导热性能较好的材料，使其整体的导热系数大幅提高。所以将本发明所制得的储热混凝土应用于储热材料中，与普通混凝土相比可以显著提高其热性能；第三、与其他高温储热材料相比，储热混凝土具有成本低廉、容易操作、稳定性好的优点。 
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。 
实施例1： 
一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土的制备方法，以煅烧偏高岭土-改性水玻璃形成的地聚合物为胶凝材料，以玄武岩为粗骨料，以钢渣砂为细骨料（细集料），同时在其中掺入钢纤维、有机纤维、石墨粉和减水剂，并且按照表1配合，经过常规的搅拌、成型及养护后，在正式使用前先通过埋置其中的导热管将其升温至45±5℃温度下加热6h，然后升温至85±5℃温度下加热6h。
表1 
其中：
偏高岭土: 用高岭土在650℃的温度中煅烧8h得到。
改性水玻璃溶液：经NaOH溶液改性的模数为1.2，波美度为40%的水玻璃溶液。 
钢渣砂：其细度模数为2.8。 
玄武岩：粒径为5~25mm，连续级配的玄武岩。 
石墨粉：含碳量>99%（质量）。 
钢纤维：长度为15mm的碳素钢纤维。 
有机纤维：直径20μm、长度12mm的聚丙烯腈纤维。 
减水剂：高效聚羧酸类减水剂，减水率为25%。 
产品指标达到：450℃高温作用后剩余强度为42.1MPa，强度损失率3.9%，导热系数为2.38 W/(m·K)。说明本发明储热混凝土的热稳定性好和导热系数高。 
实施例2 
一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土的制备方法，它包括如下步骤：
以煅烧偏高岭土-改性水玻璃形成的地聚合物为胶凝材料，以玄武岩为粗骨料，以铜矿砂为细骨料（细集料），同时在其中掺入钢纤维、有机纤维、石墨粉和减水剂，并且按照表2配合，经过常规的搅拌、成型及养护后，在正式使用前先通过埋置其中的导热管将其升温至50±5℃温度下加热8h，然后升温至90±5℃温度下加热8h。
表2 
Figure 1
其中：
偏高岭土: 用高岭土在700℃的温度中煅烧6h得到。
改性水玻璃溶液：经NaOH溶液改性的模数为1.2，波美度为40%的水玻璃溶液。 
铜矿砂：其细度模数为3.0。 
玄武岩：粒径为5~25mm，连续级配的玄武岩。 
石墨粉：含碳量>99%（质量）。 
钢纤维：长度为15mm的碳素钢纤维。 
有机纤维：直径20μm、长度12mm的聚丙烯腈纤维。 
减水剂：高效聚羧酸类减水剂，减水率为25%。 
产品指标达到：450℃高温作用后剩余强度为45.9MPa，强度损失率4.2%，导热系数为2.61 W/(m·K)。说明本发明储热混凝土的热稳定性好和导热系数高。 
实施例3 
一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土的制备方法，它包括如下步骤：
以煅烧偏高岭土-改性水玻璃形成的地聚合物为胶凝材料，以玄武岩为粗骨料，以以普通砂、钢渣砂、铜矿砂为细骨料（细集料），同时在其中掺入钢纤维、有机纤维、石墨粉，并且按照表3配合，经过常规的搅拌、成型及养护后，在正式使用前先通过埋置其中的导热管将其升温至55±5℃温度下加热12h，然后升温至100±5℃温度下加热12h。
表3 
Figure 20121017526181000022
其中：
偏高岭土: 用高岭土在750℃的温度中煅烧5h得到；
改性水玻璃：经NaOH溶液改性的模数为1.2，波美度为38%的水玻璃溶液；
普通砂：其细度模数为2.6。
铜矿砂：其细度模数为3.0。 
钢渣砂：其细度模数为3.0。 
玄武岩：粒径为5~25mm，连续级配的玄武岩。 
石墨粉：含碳量>99%（质量）。 
钢纤维：长度为15mm的碳素钢纤维。 
有机纤维：直径20μm、长度12mm的聚丙烯腈纤维。 
减水剂：高效聚羧酸类减水剂，减水率为25%。 
产品指标达到：450℃高温作用后剩余强度为49.2MPa，强度损失率5.1%，导热系数为2.87 W/(m·K)。说明本发明储热混凝土的热稳定性好和导热系数高。 
实施例4： 
一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土的制备方法，以煅烧偏高岭土-改性水玻璃形成的地聚合物为胶凝材料，以玄武岩为粗骨料，以钢渣砂为细骨料（细集料），同时在其中掺入钢纤维、有机纤维、石墨粉和减水剂，并且按照表1配合，经过常规的搅拌、成型及养护后，在正式使用前先通过埋置其中的导热管将其升温至45±5℃温度下加热6h，然后升温至85±5℃温度下加热6h。
表1 
Figure 289608DEST_PATH_IMAGE008
其中：
偏高岭土: 用高岭土在650℃的温度中煅烧8h得到。
改性水玻璃溶液：经NaOH溶液改性的模数为1.2，波美度为40%的水玻璃溶液。 
钢渣砂：其细度模数为2.8。 
玄武岩：粒径为5~25mm，连续级配的玄武岩。 
石墨粉：含碳量>99%（质量）。 
钢纤维：长度为15mm的碳素钢纤维。 
有机纤维：直径20μm、长度12mm的聚丙烯腈纤维。 
减水剂：高效聚羧酸类减水剂，减水率为25%。 
产品指标达到：450℃高温作用后剩余强度为42.1MPa，强度损失率3.9%，导热系数为2.38 W/(m·K)。说明本发明储热混凝土的热稳定性好和导热系数高。 
实施例5 
一种用于太阳能热电站的新型储热混凝土的制备方法，它包括如下步骤：
以煅烧偏高岭土-改性水玻璃形成的地聚合物为胶凝材料，以玄武岩为粗骨料，以铜矿砂为细骨料（细集料），同时在其中掺入钢纤维、有机纤维、石墨粉和减水剂，并且按照表2配合，经过常规的搅拌、成型及养护后，在正式使用前先通过埋置其中的导热管将其升温至50±5℃温度下加热8h，然后升温至90±5℃温度下加热8h。
表2 
Figure 3
其中：
偏高岭土: 用高岭土在700℃的温度中煅烧6h得到。
改性水玻璃溶液：经NaOH溶液改性的模数为1.2，波美度为40%的水玻璃溶液。 
铜矿砂：其细度模数为3.0。 
玄武岩：粒径为5~25mm，连续级配的玄武岩。 
石墨粉：含碳量>99%（质量）。 
钢纤维：长度为15mm的碳素钢纤维。 
有机纤维：直径20μm、长度12mm的聚丙烯腈纤维。 
减水剂：高效聚羧酸类减水剂，减水率为25%。 
产品指标达到：450℃高温作用后剩余强度为45.9MPa，强度损失率4.2%，导热系数为2.61 W/(m·K)。说明本发明储热混凝土的热稳定性好和导热系数高。 

Claims (7)

1.一种用于太阳能热电站的储热混凝土，其特征在于它由偏高岭土、改性水玻璃溶液、减水剂、玄武岩、细集料、钢纤维、有机纤维和石墨粉制备而成，1平方米混凝土中各原材料按如下比例配合：偏高岭土 380~450 kg/m3，改性水玻璃溶液220~310 kg/m3，减水剂5~10kg/m3，玄武岩900~1200 kg/m3，细集料590~710 kg/m3，钢纤维10~20kg/m3，有机纤维0.5~1kg/m3，石墨粉10~20kg/m3，其中改性水玻璃溶液与偏高岭土的液固比为0.60~0.70；
所述的细集料为铜矿砂、钢渣砂中的任意一种或二种按任意配比的混合，或者为普通砂与铜矿砂、钢渣砂中的任意一种或二种的混合，普通砂的质量与铜矿砂、钢渣砂中的任意一种或二种按任意配比混合的质量比为0~1：1；
所述偏高岭土是由高岭土经650~750℃的温度下煅烧5~8h得到；
所述改性水玻璃溶液为经NaOH溶液改性的水玻璃溶液，改性后的水玻璃模数为1.0~1.4，波美度为30~40%。
2.根据权利要求1所述的一种用于太阳能热电站的储热混凝土，其特征在于，所述减水剂为减水率≥15%的减水剂。
3.根据权利要求1所述的一种用于太阳能热电站的储热混凝土，其特征在于，所述玄武岩为粒径为5~25mm、连续级配的玄武岩。
4.根据权利要求1所述的一种用于太阳能热电站的储热混凝土，其特征在于，所述普通砂为一般的天然砂或机制砂，其细度模数为1.8~3.5；所述钢渣砂其细度模数为1.8~3.5；所述铜矿砂其细度模数为1.8~3.5。
5.根据权利要求1所述的一种用于太阳能热电站的储热混凝土，其特征在于，所述钢纤维为碳素钢纤维，长度为10~18mm；
所述有机纤维为聚丙烯腈纤维，其直径10~20μm，长度为5~25mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于太阳能热电站的储热混凝土，其特征在于，所述石墨粉其含碳量>99%（质量）。
7.如权利要求1所述的一种用于太阳能热电站的储热混凝土的制备方法，其特征在于它包括如下步骤：
1）按1平方米混凝土中各原材料按如下比例配合：偏高岭土 380~450 kg/m3，改性水玻璃溶液220~310 kg/m3，减水剂5~10kg/m3，玄武岩900~1200 kg/m3，细集料590~710 kg/m3，钢纤维10~20kg/m3，有机纤维0.5~1kg/m3，石墨粉10~20kg/m3，其中改性水玻璃溶液与偏高岭土的液固比为0.60~0.70；选取偏高岭土、改性水玻璃溶液、减水剂、玄武岩、细集料、钢纤维、有机纤维和石墨粉；
2）将偏高岭土、改性水玻璃溶液、减水剂、玄武岩、细集料、钢纤维、有机纤维和石墨粉进行常规的搅拌、成型及养护，最后，在正式使用前先通过埋置其中的导热管将其升温至40~60℃温度下加热6~12h，再升温至80~105℃温度下加热6~12h。
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