牛粪灰（CMA）混凝土砌块设计及热工性能分析

摘要

在我国西北边远藏区,建筑原材料匮乏,房屋保温隔热能力较差,畜牧业发达的某些寒冷地区将牛、马等动物排泄的粪便作为烧火取暖的主要材料,而经已有研究发现,牛粪经过燃烧后产生的牛粪灰(Cattle Manure Ash)简称CMA,替代一部分水泥作为混凝土原材料,可有效提高混凝土保温隔热能力的同时保证混凝土强度,所制成的混凝土称为CMA混凝土。基于此,若因地制宜将CMA混凝土作为砌块原材料制成CMA混凝土砌块,应用于建筑围护结构中,对提高建筑围护结构保温隔热性能具有实际意义和作用。本文通过对不同CMA掺量的水泥砂浆进行热物理性能以及力学性能试验,得到其导热系数、比热容以及抗压强度值,通过所得数据在细观尺度上对CMA混凝土进行有限元分析,分析得到适宜于制作CMA混凝土砌块的混凝土结构,利用该混凝土材料性能数据作为CMA混凝土砌块原材料对设计的不同砌块进行有限元分析,得到了适宜于实际使用的CMA混凝土砌块结构形式。现将主要研究工作内容及结果总结如下:(1)通过制备CMA掺量为0%、5%、10%和15%的水泥砂浆试件,对其热物理性能以及力学性能进行试验测试,并分析得到了随CMA掺量的增加,水泥砂浆的导热系数明显下降,比热容上升,抗压强度也相应降低。(2)通过建立混凝土细观随机骨料模型,使用试验所得水泥砂浆数据,通过COMSOL有限元分析软件进行传热分析,并与已有试验进行对比,验证了使用COMSOL软件分析混凝土细观传热的可行性,并得到了不同骨料占比、骨料级配以及不同ITZ厚度的CMA混凝土导热系数以及比热容,得到CMA混凝土热物理性能与细观结构组成的关系。(3)对不同骨料占比、骨料级配的CMA混凝土使用ABAQUS有限元分析软件进行单轴压缩有限元分析,得到CMA混凝土抗压强度与细观结构组成的关系,并将抗压强度与热物理性能进行对比分析,得到适合于砌块使用的CMA混凝土细观结构组成。(4)使用分析获得的CMA混凝土热物理性能参数,对不同孔型、孔洞率、肋宽的砌块进行传热有限元分析,分析得到砌块隔热性能最优的孔型,得到砌块热阻和比热容与孔洞率关系,并分析得到在相同孔洞率下,砌块隔热性能与砌块纵肋控制宽度呈负相关,即纵肋宽度增大后大,横肋宽度随之减小,砌块热阻值越小,保温隔热性能越差。(5)对不同孔型、孔洞率、肋宽的砌块进行单轴压缩有限元分析,经分析得到,随砌块孔排数增加和孔洞的交错,砌块抗压强度有所减小。在相同孔洞率下,砌块纵肋宽度增加,横肋宽度随之减小后,砌块抗压强度减小。得到了砌块抗压强度与孔洞率关系。(6)对砌块热工性能与力学性能进行对比分析,设计得到两种保温隔热性能最优的填充砌块与空心砌块,强度等级为MU7.5与MU10。填充砌块当量导热系数等级为EC25,空心砌块当量导热系数等级为EC35。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 生物质灰混凝土研究现状

1.2.2 混凝土细观结构研究现状

1.2.3 混凝土自保温砌块研究现状

1.3 研究内容及创新点

1.3.1 研究内容

1.3.2 创新点

1.4 技术路线

第二章 CMA水泥基材料基本性能试验研究

2.1 试验原材料

2.1.1 水泥

2.1.2 牛粪灰

2.1.3 骨料

2.1.4 拌合水

2.2 试件配合比设计

2.3 试验过程及结果分析

2.3.1 试件成型及养护

2.3.2 CMA掺量对导热系数影响

2.3.3 CMA掺量对比热容影响

2.3.4 CMA掺量对抗压强度影响

2.4 本章小结

第三章 CMA混凝土细观性能模拟分析

3.1 有限元分析工具

3.1.1 COMSOL 软件及求解模块

3.1.2 ABAQUS 软件及求解模块

3.2 细观结构模型建立与验证

3.2.1 骨料级配

3.2.2 骨料的生成与投放

3.2.3 细观传热有限元模型

3.2.4 细观力学有限元模型

3.2.5 不同CMA掺量下细观传热模型验证

3.2.6 不同CMA掺量下细观力学模型验证

3.3 CMA混凝土细观传热模拟分析

3.3.1 粗骨料含量对传热的影响

3.3.2 粗骨料级配对传热的影响

3.3.3 ITZ厚度对传热的影响

3.4 CMA混凝土细观力学模拟分析

3.4.1 粗骨料级配对单轴压缩力学性能影响

3.4.2 粗骨料含量对单轴压缩力学性能影响

3.5 用于保温砌块的CMA混凝土优选及性能分析

3.6 本章小结

第四章 CMA混凝土砌块设计及性能分析

4.1 砌块几何设计

4.2 砌块传热有限元模型建立

4.2.1 物理场选择

4.2.2 参数及边界条件设定

4.3 砌块单轴压缩有限元模型建立

4.4 砌块热工性能模拟分析

4.4.1 砌块孔型对热工性能影响

4.4.2 孔洞率对砌块热工性能影响

4.4.3 肋宽对砌块热工性能影响

4.5 砌块力学性能与热工性能对比分析

4.5.1 不同孔型砌块轴压模拟及对比分析

4.5.2 不同孔洞率砌块轴压模拟及对比分析

4.5.3 不同肋宽砌块轴压模拟及对比分析

4.6 砌块优选及性能分析

4.7 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读学位期间所取得的相关科研成果

致谢