【原创文章】癸酸-硬脂酸/陶粒相变蓄热混凝土的制备及性能

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导读

采用真空吸附法使多孔陶粒吸附癸酸-硬脂酸复合相变材料，经硅溶胶表面封装后制备出相变陶粒，然后将其作为粗骨料制备蓄热混凝土。研究了癸酸-硬脂酸复合相变材料的热物性和蓄热混凝土抗压及抗折强度在热循环前后的变化规律，通过模型房实验对比分析了蓄热混凝土的蓄热性能，采用热工计算研究了相变墙的蓄热能力。结果表明癸酸-硬脂酸复合相变材料经过600次热循环后热稳定性良好，相变陶粒掺量为60%（质量分数）的蓄热混凝土试块经过600次热循环后抗压及抗折强度分别比热循环前增加了22.3%和13.2%，模型房实验对比发现，在中心温度和内侧面温度处，相变模型房的平均温度比普通模型房分别低5 ℃和6 ℃，相变蓄热时间持续约25 min，通过热工计算，在202 mm外墙的混凝土层中掺入4.20 kg/m2相变陶粒后，其与282 mm外墙有相同的隔热效果,说明该相变陶粒可以提高墙体的蓄热能力。

文

朱教群（武汉理工大学）

引言

相变材料（PCMs）因其在相变过程中能存储或释放大量热来达到自动蓄热调温的目的，在建筑节能领域具有重要的应用价值[1]。将相变材料应用到建筑材料中，可以通过相变储热作用调节传热过程，有效减小室内空气温度波动，达到建筑节能的目的[2]。目前相变材料与建筑材料结合的方法主要有3种：直接混合法、浸渍法以及间接浸入法[3]。直接混合法和浸渍法虽然工艺简单，但使用过程中存在相变材料易泄露、混凝土力学性能衰减严重等问题，因此目前使用较多的方法是间接浸入法。这种方法是先将相变材料导入多孔材料、聚合材料或者微胶囊中，经过表面封装处理后再与混凝土、石膏等建筑材料结合[4]。目前国内学者针对此类问题进行了相关研究[5]。胡小芳等[6]以石蜡作为储能介质，多孔陶粒作为吸附载体，通过海藻酸钠反应包裹定形相变材料制成热稳定性良好的相变储能材料，发现将其掺在建筑石膏板中能明显提高储能密度并降低石膏的水化热峰值温度，但存在海藻酸钠包封不均匀、多次热循环后储能介质泄露等问题。WANG等[7]采用环氧树脂和三亚乙基四胺封装石蜡/陶粒相变材料，热循环实验后发现石蜡的泄漏量比未封装时明显减小，并且掺入到混凝土后发现比普通混凝土更能有效延缓内外传热和减缓室内的温度波动，但力学强度实验发现其抗压强度减低较明显。石宪等[8]使用真空吸附法让陶粒吸附正十二醇制得相变储能陶粒，并采用树脂材料和改性水泥浆对其进行表面封装。实验发现树脂比改性水泥浆能更好防止相变材料的泄露，且多次相变循环实验后发现树脂封装的相变储能陶粒表面完好，但将相变储能陶粒作为粗骨料制备储能混凝土时，测试发现其抗压强度小于普通混凝土。

针对相变陶粒中相变材料易泄露和混凝土强度衰减严重的问题，采用硅溶胶对相变陶粒进行封装处理。硅溶胶是无定形二氧化硅胶体粒子在水或有机溶剂中的分散体系，具有良好的分散性和渗透性；当硅溶胶水分蒸发时，胶体粒子牢固地附着在物体表面，粒子间形成硅氧结合，黏附性强，而且渗透性良好的胶体粒子能与水泥水化产物结合，并能填入混凝土孔隙中，提升混凝土的强度[9]。因此本研究采用硅溶胶作为封装材料，对吸附癸酸和硬脂酸复合相变材料后的多孔陶粒进行表面处理得到相变陶粒，然后将其以粗骨料形式掺入到混凝土中制备蓄热混凝土，不仅能有效解决相变材料泄露和混凝土力学强度衰减严重的问题，而且蓄热混凝土仍具有良好的蓄热性能和热工性能。

1 材料及制备

1.1 实验材料

1.2 相变陶粒的制备及表面封装

1.3 蓄热混凝土的制备

2 实验方法

2.1 相变材料的热性能分析

2.2 蓄热混凝土力学性能试验方法

2.3 蓄热混凝土的蓄热性能实验设计

3 结果与讨论

3.1 相变材料的选择及热性能分析

3.2 热循环对蓄热混凝土抗压及抗折强度的影响

3.3 模型房蓄热性能分析

3.4 相变墙的热工计算

4 结论

结论

（1）所配制的CA-SA低共熔物适宜作为夏季居室控温材料，其相变温度为25.09 ℃，相变潜热为161.88 J/g，且600次加热-冷却循环验证了此复合相变材料良好的热稳定性。

（2）采用硅溶胶作为封装材料效果理想，600次热循环后混凝土试块完好，断裂面及表面均未出现相变材料泄露的情况。相变陶粒掺量为40%、50%、60%的蓄热混凝土经过600次热循环后，抗压强度分别比循环前提高了4.9%、17.0%、22.3%，抗折强度则分别提高了8.6%、23.5%、13.2%。

（3）通过蓄热模型房与普通模型房的蓄热模拟实验，发现在中心温度和内侧面位置处，蓄热模型房的平均温度分别比普通模型房低5 ℃和6 ℃，相变蓄热时间持续约25 min。

（4）在202 mm外墙的混凝土层中掺入4.20 kg/m2相变陶粒，其与282 mm外墙具有相同的隔热效果，而且外墙厚度降低了80 mm。

文章来源

朱教群，李佳龙，周卫兵，李儒光. 癸酸-硬脂酸/陶粒相变蓄热混凝土的制备及性能[J]. 储能科学与技术, 2017, 6(2): 255-262.