文摘

热绝缘混凝土是一种替代的建筑材料,有助于提高热效率在核反应堆金库安全容器应用程序。导热系数值的实验结果提出了轻质混凝土材料在不同温度下的。在混凝土减少热传导,不同的轻质骨料和蛭石作为粗骨料的选择。线性和平面热源的方法都是用来计算的热导率值标本。研究结果强调增加轻粒子在混凝土的比例可能会急剧降低热导率,的在保温轻质骨料具有至关重要的作用。微米大小的蛭石的加入进一步降低热导率;然而,效果不太明显比轻量级的粒子。

1。介绍

混凝土的主要核反应堆的核心材料用于建筑安全金库,它充当最后的屏障对反应堆的高温热浪和其他裂变产物。混凝土的导热性是至关重要的保温,防止分散到周围环境中。因为他们更高的导热系数,热绝缘选择混凝土在标准的混凝土。这是由用适当的轻骨料代替粗骨料。浮石、椰子壳、火山岩是最常见的用于结构轻质混凝土轻骨料。添加这LWA增加保温混凝土的机械品质的前提下。密度、电导率、扩散系数下降50%至900°C相比,室温值。比热稳步增长到500°C,然后减少从7000°C到900°C,然后增加超过900°C (1- - - - - -3]。lwa的孔隙度比标准总量占更多的水分吸收,影响结构混凝土的热性能3,4]。混凝土28天抗压强度估计使用椰子壳总N / 19.1毫米2,这是高于标准要求结构轻质混凝土(5]。混凝土的导热系数从2.01到2.95 W / m / K变化取决于聚合(6]。普通混凝土的导热系数从2.194 W / m / K为1.027 W / m / K温度范围从20oC - 1100oC (7]。根据研究,传统的混凝土导热系数从0.6到3.3 W / m / K,而轻质混凝土不同从0.4到1.89 W / m / K (8]。尽管轻质混凝土划分为加气混凝土和轻骨料混凝土(LWA),后者具有更高的强度和密度以及贫穷的热导率,除了需要一个高能源生产方法(9]。作为细骨料时,浮石显著抑制热导率高达40% (10]。集料的导热系数是显著影响总体的价值松散容重和总矩阵的体积总量比例(11]。粉煤灰的掺入一定比例的水混合设计增强混凝土的强度,同时降低导热系数(12]。在温度范围从0°C到50°C,普通混凝土的导热系数0.7 - -0.8 W / m·K,而轻质混凝土的导热系数0.5 - -0.6 W / m·K。因为LWAC可能用于分区或障碍墙由于其较高的热扩散率和较低的单位重量,孔隙度的主要参数之一,直接影响其导热系数(13]。根据DCT测试结果,增加水分含量对混凝土的力学特性有影响14]。混凝土开裂大大降低热导率,同时保持相同的比热容(15]。内库,拥有主船,和外库,拥有船舶安全,圆柱形结构。库的温度限制在65摄氏度,尽管主船可能达到5000摄氏度的高温。加强内部和外部温度的金库范围在500°C和550°C和65°C和90°C,分别为(16]。椰子壳骨料混凝土是著名的优秀的粘接强度和长期耐久性不失质量(17]。由于高孔隙度值,热导率和抗拉强度都降低。混凝土损伤的程度取决于重量,降低热导率(18]。LWAC已经决心的导热系数与LWA的体积成正比。导热系数降低7%时,浮石代替粗骨料的25%,20%,28%,47%,50%,75%,和100%浮石骨料分别使用。导热系数从0.96减少到0.65 W / m K。当添加10%蛭石和加热到900°C。机械强度和热导率增加19]。因为力量的折旧程度是实质性的,享年400岁oC (20.),混凝土机械强度成正比的粗骨料。当40%的传统聚合与椰子壳代替,混凝土变得更轻、密度降低7.5%。7天后,椰子壳混凝土的强度显著高于控制混凝土。水/水泥比率似乎是受利用的椰子壳的数量;需要更多的水泥量的椰子壳玫瑰(21]。的k热绝缘材料的值在标准实验室测试条件。当材料暴露在不同湿度和气候条件,其热性能变化显著(22]。增加水泥含量没有改变的可加工性LWAC改进它的阻力显著(23]。这个刊物的目的是展示如何利用thermo-shielded结构混凝土在核反应堆安全的船舶。文本分为两个部分:由于使用轻质骨料和迂回的,导热系数降低,强度增加。使用热针探针结合热成型测试技术,热导率是评估。此外,如何改善这种适当的混凝土组合设计为了保护核安全容器库通过实验分析的使用也进行了讨论。

2。实验

2.1。主要材料

普通硅酸盐水泥、粉煤灰、矿渣微粉(地面粒状高炉矿渣)、细骨料、粗骨料,和三个轻量级的粗骨料是主要的组件(24]。表1总结了水泥和粉煤灰的特点。M40-sand已经彻底清洗和已筛是利用细骨料,而压载用作标准粗骨料如表所示2。粗骨料的细度模数是由索引值,表明粒子的平均尺寸包括在粗骨料。据估计作为筛分分析过程的一部分,它是通过使用传统的筛子。细骨料的价值可能被加在一起计算累计百分比保留在每个过滤和除以100。Pumice, volcanic rock, and crushed coconut shells are three diverse lightweight aggregates generated from various resources and procedures that are used as alternatives to typical coarse aggregates for enhancing thermal characteristics. Table3显示了轻骨料的物理参数。微米大小蛭石是用作骨料的替代品。蛭石增强热特性与水泥浆结合时,因为它有一个低导热系数和密度如表所示4。绝缘LWA材料的光学照片用于这项研究如图1。

表1
普通硅酸盐水泥和粉煤灰的物理性质。
表2
正常骨料的物理性质。
表3
混合比例。
表4
正常的,轻量级的粗骨料的性质。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图1
轻骨料的图像。(一)蛭石。(b)浮石。(c)火山岩。(d)椰子壳。
2.2。测试标本

表3显示了10个可能的聚合和蛭石混合不同的混合模式。标本名称缩写符号,然后后跟一个数字。蛭石的数量显示体积%添加(例如,N:普通的聚合,P:浮石,V:火山岩,C:椰子壳)和符号表示的集合(例如,N:普通的聚合,P:浮石,V:火山岩,C:椰子壳)(例如,N:普通的聚合,P:浮石,V:火山岩,C:椰子壳)。表3显示的混合设计N0结构保温混凝土与抗压强度超过一个反应堆使用27 MPa。相对密度和比重的组件被认为是估计的数量每立方米混凝土所需的每一项。例如,标本是由第一个字母标识的主要成分,其次是整个总数量的蛭石所取代。正常的功能和特点和轻量级的粗骨料中描述表4和5,分别。

表5
蛭石的规范。
2.3。制作和养护

抗压强度测试,一个150毫米×150毫米×150毫米的立方体是铸出。模具的尺寸300毫米×300毫米×300毫米来计算热导率。所有方块de-moulded和治愈28天的坦克在室温下(20±3°C)。抗压强度、弹性模量、密度和分裂抗拉强度测量经过28天的治疗。热模具必须存储在室温和50%相对湿度至少14天。导热系数测量后至少28天。

2.4。测量热导率

绝热条件下的常规方法计算热导率是衡量热通量穿过样品,这需要一个复杂的实验安排。在这项工作中,使用三种方法:热针探测法、热成型方法(一维及二维稳态情况下),和热成型方法(一维、二维稳态条件)。导热系数测量稳态情况下是最好的。稳态条件方程如下:

2.5。热针探测法

两个针探针用于混凝土搅拌过程中产生热量。热针探针用于评估热导率。热敏电阻和加热丝是集成在一个不锈钢针探针直径90 mm长,1.3 mm。介绍了中心,两针探针,其次是混凝土搅拌和硬化。热的径向产生探测器采用直流电流。2分钟,温度记录每1秒。使用方程(2),温度随时间演化的线性部分是用来计算热导率k。 问,应用热能。∆t,时间变化量。∆T,温度变化量。

对于每一个热探针,测量被两个不同的输入电压(即三倍。、10、15 V)。因为最初的部分的温度变化是影响needle-concrete耦合,计算电导率温度增量的线性部分使用日志的时间尺度。混凝土混合使用在这个调查包括各向同性和均匀的组件。

2.6。热成型方法

这种传热的方法要优于使用热针探针自后者的传热效率较低。加热板使用这种技术来传输的热量加热板模具。一个和两个维度,恒热流技术是利用计算热流。在一维热流方法中,使用一个加热板,和其余的模具完全绝缘。在处理二维稳态热流,两边各有一个加热板放置模具,互相对立。模具热绝缘了石棉布,以减少热量损失。图2描述了标本布局以及热电偶的位置。直流电是通过加热板,产生热量。加热板设备由镍铬合金卷放入瓷凹槽和由石棉材料在加热过程中防止散热。直流(DC)供应,加热板设备3千瓦。九个热电偶排列以连续的方式来测量温度每10秒。通过模具的热传播由四个热电偶监控已经放入模具,直到已达到稳态条件。热成型优于针探针因为热量传播整个标本提供平面热在标本。两个加热板提供,以确保热传播是同质两岸的加热元件。热性能评估使用傅立叶定律方程(3),它考虑了由于大气的热损失,从而达到节能的原则。例如,总量的百分比虫蛀的相对于骨料和混凝土的比热样本如表所示6和7。 α热扩散率[m2/ s)。K,导热系数(W / m / K)。 ,比热(J / g / k)。&Rgr,密度(公斤/ m³)。热损失系数,λ= 。


图2
热成型方法:二维热流。
表6
总虫蛀的对骨料的体积分数。
表7
混凝土比热标本。

而热损失系数控制稳态温度、扩散率监控温度上升的速率。温度随时间的变化进行了分析使用有限差分方法,和方程(3)是修改。导热系数测量使用比热和密度的标本,收集实验经过28天的治疗。根据表7混凝土的平均比热容值为890 J /公斤/ K。热导率计算。热损失系数和预测热导率是独立的,和他们没有对温升的影响。

2.7。一维稳态条件

如果气温的空间分布进行项目不再变化温差驱动传导保持不变,这种形式的传导是稳态传导。应用一维热流时热能流沿坐标正常表面。

如果k是一个常数,然后4]。 ,纵向传导。问,内部热量的一代。 ,热惯性。 ,热扩散率。

混凝土试件受到热流从一边在这个过程中,剩下的边是热绝缘降低热量分散,如图3。热应用于混凝土,直到达到稳态条件。样品的温度测量每两分钟一个小时。热电偶的温度上升开始接近热源,以这种方式继续进行。温度测量是通过附加热电偶数据记录器系统,和热导率的计算值使用方程(4)。图4显示了混凝土的内部结构。


图3
热成型方法:一维热流。

图4
混凝土的内部结构。

3所示。结果与讨论

从流行的有效因素,热针探针和热成型方法是用来计算热导率。从一维稳态值与录音的方法分析了两种方法来验证实验的正确性。各种规格的混凝土试样测试结果指出,进一步分析。

3.1。轻质骨料和蛭石的效果

图5代表了普通混凝土的导热系数与不同数量的蛭石。平均电导率2.175 W / m / K是观察混凝土没有添加蛭石。热导率降低,至1.30 W / m / K,蛭石的数量增加(相应的粗骨料的体积减少),这是减少大约43%的30%蛭石(N30标本)。为了防止排除粗骨料,添加蛭石是有限的不超过30%。


图5
普通混凝土的导热系数。在增加蛭石的分数,k减少。

图6描绘了浮石混凝土的导热系数标本(P系列)与普通骨料混凝土标本。浮石具有较高的孔隙度,因此一个优秀的导热性。蛭石被添加到混凝土混合料生产机械细度和力量。此外,当蛭石的体积百分率从0提高到20%,浮石混凝土标本的导电率下降到30%。


图6
热导率与浮石骨料混凝土。蛭石增加20%导致导热系数降低30%,k。

图7比较火山岩的导热系数和椰子壳混凝土正常和浮石混凝土。实线代表了普通混凝土的导热系数随着蛭石比例的增加。虚线是用来象征一样的浮石混凝土(P系列)。火山岩混凝土标本V0的导热系数是1.75 W / m / K。样品的热导率降低到1.5 W / m / K,蛭石体积的20%。随着蛭石体积增加热导率降低了14%。导热系数值C0和V20可比。然而,蛭石不是添加到椰子壳水泥的细度,以确保机械的品质。值得注意的是,浮石导热系数最低。浮石标本蛭石表现出热导率最低为20%。


图7
椰子壳的热导率和火山岩石混凝土。

样本之间的比较没有蛭石和蛭石的20%四种不同骨料标本图所示8。作为合理的早些时候,添加20%的蛭石,是一种有效改善降低热导率在标本与正常和浮石粗骨料。


图8
混凝土导热系数标本蛭石,没有20%的内容。
3.2。热针探测方法的有效范围

针探针插入混凝土标本之前硬化并提供径向进入试样加热到一定范围。因为针探针提出混凝土内部标本在铸造过程中,记录值在不同温度范围内反映了材料特性的有效体积。的热量由探测器测量使用热电偶包裹在混凝土试件,并使用方程(导热系数计算1)。这种方法的主要缺点是,产生的热量并不是完全通过阻止传播;因此,热成型方法。

3.3。结果热成型方法

时间四个不同样本的温度变化是描绘在图9使用热电偶在标本。标本之间的温差和加热板是由红线表示。基于方程,实验发现用实线表示,而温度是用虚线(2),当板开始加热,温度迅速上升,达到600摄氏度。从第一个热电偶温度稳步上升到加热板。在短暂的时期,滞后。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图9
温度(a)的进化N0,(b)N10日,(c)N30,(d)P随着时间的推移,20个标本。实线虚线(实验结果)和温度(评估)。红颜色的线。

每个热电偶的温度上升。没有热损失,除非有一个巧合的热电偶温度和渐近值之间的稳定状态。尽管绝缘,在稳态温度变化观察到由于环境热损失。热损失系数足以占四个热电偶的温度上升。导热系数测量的热成型和针探针技术同意在图10,说明粗粒子和蛭石的重要性。低比热热成型分析导致电导率降低,因为热导率的倒数和线性连接。表8强调了几个混凝土材料的比热容值,范围从795年到1000年J /公斤/ K。整个瞬态温度演化时期从针探针方法可用于计算比热容值。数据11和12展示标本的密度的百分比的函数使用蛭石,以及抗压强度的函数使用蛭石的分数。


图10
导热系数的热针探针和热成型方法。
表8
力学性能在25天。

图11
标本的密度与蛭石的一小部分。

图12
抗压强度与蛭石的一小部分。
3.4。结果从一维的加热方法

热电偶的温度读数为相应的混凝土标本绘制。图(13日))显示了热电偶的温度读数正常聚合标本(N系列)。每个成分都是指定不同的符号更好的清晰度。用热电偶T随着职位的数量(T1,T2.等)。在研究时,指出N30标本显示了低导热系数N系列中的其他标本中当蛭石被添加到混合30%的分数。在图13 (b)),温度记录从热电偶浮石混凝土标本绘制。在所有的标本,显示了一个有效的减少热流P20标本。浮石作为一个优秀的绝缘子在更高的温度。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图13
温度的热电偶(a)正常的骨料,(b)浮石骨料,(c)火山岩和(d)椰子壳聚合的标本。

图13 (c))显示温度的火山岩标本V0值和V20。从这两个标本,V20显示比V0导热系数低。这里,热传播进一步减少添加蛭石。图13 (d)折旧)显示温度在整个C0标本从热电偶记录。从上面的图,它是独特的,在所有的标本,P20试样导热系数最低,因此提供了比其他更好的绝缘。

3.5。Thermo-Shielding混凝土的应用

表8突出了硬化混凝土的力学特性经过28天的治疗。大约15%的普通混凝土密度波动从2389公斤/米3在N0到2023公斤/米3在N30当蛭石代替高达30%。根据图10,添加蛭石体积没有显著的影响在其他LWAC密度减少。除了包含30%蛭石的组合,所有的混合达到28天圆柱形28 MPa的抗压强度。正常和LWAC混凝土的抗压强度显著降低随着蛭石替代量的增加;然而,抗压强度的变化和椰子壳混凝土的密度是微不足道的。弹性模量和抗拉强度分裂可比物业的密度和抗压强度。的分布和大小lwa产生重大影响混凝土的力学特性。当应用于结构元素如核反应堆安全容器的墙壁上,与LWA和蛭石保温混凝土的力学特性满足建筑的基本标准和代码。

3.6。LWA虫蛀的混凝土

RV模型,如图所示14是一个按比例缩小的复制品真正的房车的核反应堆。它是建立圆柱的高强度混凝土块的CS管贯穿而过。混凝土块直径是10英寸和12英寸的长度。CS管的直径1英寸和一个18英寸的长度。CS管的两端法兰连接,连接到外部设置。RV模型连接到外部设置,这循环传热流体(水)在更高的温度。散发的热能收集的水是通过混凝土管和转达了。


图14
混凝土反应堆金库。
3.7。RV模型的制作

创建一个适当的模具由LWA蛭石为了产生圆柱形混凝土砌块。的根本原因是由于各种建筑材料需要不同数量的时间。虽然添加剂的引入或掺合料混凝土的凝结时间变化,它仍然需要确保混凝土保持其正确形式。PVC块直径10”是利用外边界,CS管道直径1”穿过中间的PVC耦合,和一个木板用来关闭光阑之一。一旦混凝土治愈,LWA蛭石混凝土模具。

3.7.1。实验过程RV模型

RV模型通过法兰连接到外部设置,这是一个广场部分与安装孔钻。CS管道流经RV模型是通过法兰与同样大小同样提供外部配置。提供外部设置接口垫片在RV防止泄漏。储层通常是充满了传热流体,这是水。的协助下浸没式加热器,加热到60°C。流体流量调节和维持在理想的水平。流量计的流量决定。热水循环通过电路,混凝土逐渐升温。温度测量记录和表在每个热电偶每5分钟。一组一段时间后,RV模型温度达到稳定状态,没有额外的增长。

3.8。通过管道和混凝土表面对流换热

照片展示的许多步骤从水热传递到混凝土表面。对流换热的热水管如图14。水的平均温度流经管道的决心是56°C,因为热量从水中转移到管表面,因为它运行。它可以观察到,管道温度附近的摄入水温度,用红色表示,和逐步减少他们对出口的方法,如绿色所示。管表面的热量传输到RV模型的外表面通过对流作为外部设置暴露在环境中,如图15。尽管传导占大多数在混凝土传热,在混凝土表面空气流动的行动也传递热量。因为该地区附近的管吸收热量的速度比最外层表面,颜色变化范围从橙色开始深蓝的完成。RV模型使用ANSYS软件进行分析,以探索通过混凝土材料的传热性能。因为项目的基本原理是通过传导传热,整个房车模型分为分钟由啮合节点。啮合的概念是一个网格的发展到整个模型以分析参数如温度、热流,在指定的地点和温度梯度模型称为节点,并得到了结果。


图15
对流热流通过CS管道和混凝土层。
3.9。ANSYS热梯度和热通量矢量和

当摄入的情况下提供作为输入,这个图表显示了热梯度值沿三个轴(x,y,z房车的模型。很明显,相邻的管子在大温度梯度值,值为702.18 W / m,最小值为75.98 W / m的外表面。当我们接近表面,热梯度值变得更类似于空气条件。图16描述了调查的结果通过圆柱混凝土砌块热运动以及对流到周边地区。有节点的中心区域和表面最大的热流,还有节点热流最低的块,最大值为1098.93 W / m2。x设在热通量为节点的解决方案是负的,值为1097.88时表示方向的反对针对先前认为的流动方向,最大值为1098.93 W / m2在中心和−121.639 W / m的值2因为它靠近外墙。


图16
显示节点的热梯度的解决方案。

4所示。结论

实验确定热绝缘与轻骨料混凝土的导热系数值和蛭石作为一种替代材料调查,和结果解释。(1)验证估计的可靠性值的应用程序,结果热针探针技术和热成型测试在一维,二维热流都尝试了。(2)替代传统的聚合与lwa有效降低热导率受到原材料。(3)蛭石粗粒子产生强大的影响比剥落了。在这个调查,浮石导电率为0.9 W / m / K在20 - 30%蛭石被证明是最有效的绝缘。(4)确保机械可靠性,蛭石的加入限制在不超过20%。导热系数的量化价值评估在高温下变成了一个至关重要的因素来模拟和分析核反应堆安全的热行为库由这些轻骨料混凝土。(5)高强度混凝土是根据设计混合。实验进行了设置,计算,和值用ANSYS软件进行验证。低碳钢管导热系数(K)值和高强度混凝土材料被确定为53.3717 W /可和1.56503 W /可分别被发现与理论值一致。(6)当主要血管(加热板)的温度设定在100°C,内部之间的温差(T49)和外部面临(套T55型)的内部混凝土地下室3°C,小于可接受的温度差异。在200°C之间的温差内部(T49)和外部面临(套T55型)的内部混凝土地下室5°C,小于可接受的温度差异。在300°C,内部之间的温差(T49)和外部面临(套T55型)的内部混凝土地下室7°C,小于可接受的温度差异。在400°C,内部之间的温差(T49)和外部面临(套T55型)的内部混凝土穹顶是13岁oC,小于可接受的温差。在500°C,内部之间的温差(T49)和外部面临(套T55型)的内部混凝土地下室21°C,小于可接受的温度差异。(7)当主容器的温度(加热板)被设置为577°C,内部和外部的温度的面孔内混凝土穹顶是71°C (T49)和47°C(套T55型)分别与不同的24°C时小于可接受使用热绝缘与轻骨料混凝土和蛭石作为替代材料。(8)低导热系数被发现在普通混凝土等级N0,它们,和轻骨料混凝土,导率为1.65 W /可,1.59 W /可分别和1.703 W /可。这意味着轻骨料虫蛀的混凝土成分保留的热量通过传导管不让它分发热量向周围环境。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。进一步的数据或信息可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢MizanTepi大学、埃塞俄比亚、提供帮助在手稿的研究和准备。作者感谢Sathyabama科技研究所,CMR理工学院,与首尔国立大学的科学和技术,提供援助来完成这项工作。这个项目是由研究人员支持项目数量(RSP-2021/315)沙特国王大学,利雅得,沙特阿拉伯。