濟(jì)南大學(xué)建筑材料制備與測試技術(shù)山東省重點實驗室 溫樂明 王琦 宋鵬 潘立光

一 引言

眾所周知，太陽能是一種可再生的清潔能源，太陽能具有資源量巨大等優(yōu)勢，同時也具有分散性、間接性、隨機性等缺點。如何在更寬更廣的范圍內(nèi)利用太陽能是太陽能利用需要解決的重要問題[1～3]。人類建筑物、構(gòu)造物遍布世界各地，并且絕大多數(shù)為水泥混凝土結(jié)構(gòu)，如果能將太陽能利用與建筑物、構(gòu)造物相結(jié)合，將水泥接收到的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能或電能，潛力將十分巨大，并且真正實現(xiàn)了太陽能利用與建筑一體化[4]。

利用混凝土吸收太陽能是一種新型的能源利用技術(shù)，其中重要的是研究具有良好熱學(xué)和力學(xué)性能效果的復(fù)合材料[5]。1979年，Bourdeau L[6]在混凝土墻內(nèi)埋入直徑5cm的PVC管道，管道內(nèi)裝入水或CaCl2·6H2O，可在白天將混凝土吸收的太陽能轉(zhuǎn)換到相變材料中。1987年，Zrikem Z等人[7]設(shè)計了依次由玻璃、非空氣流通層、能量存儲墻、空氣流通層和保溫材料組成的混凝土集熱墻。1999年，Kongkiatumpai P[8]建造了兩個房間，一個普通房間，另一個是混凝土集熱房間，混凝土集熱房間的溫度要比普通房間低1～2℃，而溫度每低于1℃，冷氣機的能量消耗將減少6.14%。Onishi J等人[9]通過流體動力學(xué)原理驗證了混凝土集熱墻可大大降低家庭能耗。Sarachitti R等人[10]建造了2.3m寬、2.5m高和2.5m長的混凝土房屋，每天能生產(chǎn)40～50℃水約40L。Chaurasia P B L[11]使用具有黑漆涂層的混凝土板與未涂漆的混凝土集熱，研究發(fā)現(xiàn)，涂漆的集熱效果更好。

我國對混凝土吸收太陽能的利用研究處于起步和探索階段。1997年，吉林大學(xué)研究者率先提出太陽能蓄能融雪化冰在我國北方應(yīng)用的設(shè)想[12]。齊子姝等人[13]建立了太陽能路面集熱系統(tǒng)模型，對太陽能路面集熱系統(tǒng)的吸熱進(jìn)行計算。高育紅[14]探討了利用水泥蓄能和發(fā)電的可行性。吳少鵬等人[15]進(jìn)行了用瀝青混凝土吸收太陽能的實驗，并對實驗結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。因此，研究高效混凝土吸收太陽能材料對有效利用太陽能，發(fā)展清潔能源具有重要意義。本文以石墨、炭黑和氧化鐵黑為添加材料，初步研究這3種材料對水泥基復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)和吸熱性能的影響。

二 實驗

1 材料

水泥:山東山水水泥集團(tuán)有限公司產(chǎn)P.O52.5R水泥；石墨:青島黑龍石墨有限公司產(chǎn)LA150-85-93型鱗片狀石墨粉；炭黑:棗莊華龍?zhí)亢诋a(chǎn)N660炭黑；氧化鐵黑:上海一品顏料化工公司產(chǎn)，型號313。

2 實驗方法

將石墨(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%、15%、20%)、炭黑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、12%、16%)、氧化鐵黑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、5.5%、8%)單摻加入到水泥基體中，同時進(jìn)行正交試驗。選取固定水灰比0.36，采用NG-160型凈漿攪拌機制備的25cm×25cm×2.5cm復(fù)合材料板，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d時，采用天津英貝爾科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的IMDRY3001-Ⅵ型智能型雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測量復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，隨后進(jìn)行太陽能的吸熱實驗，記錄各板的板底和板面達(dá)到的最高溫度。采用美國FEI公司生產(chǎn)的QUANTA FEG 250型電鏡進(jìn)行SEM分析，對復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

三 結(jié)果與討論

1 導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是分析混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場的重要參數(shù)，其測量方法主要可分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。測量水泥的導(dǎo)熱系數(shù)一般采用非穩(wěn)態(tài)法[16]。本實驗采用非穩(wěn)態(tài)法中的平板法進(jìn)行測量。

表1為在水泥中單摻石墨、炭黑和氧化鐵黑獲得的復(fù)合材料導(dǎo)熱系數(shù)。實驗結(jié)果表明，3種材料的加入均可提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其中炭黑的加入對導(dǎo)熱系數(shù)的影響最大，氧化鐵黑最小。當(dāng)石墨、炭黑、氧化鐵黑分別摻入10%、8%和3%時，導(dǎo)熱系數(shù)較空白樣分別提高33.00%、51.40%和1.48%。導(dǎo)熱系數(shù)隨著3種材料加入量的增加而提高，但提高幅度卻明顯不同。石墨摻量從10%提高到20%、碳黑摻量從8%提高到16%、氧化鐵黑從3%提高到8%，導(dǎo)熱系數(shù)分別提高了12.83%、5.35%和26.26%，因此，石墨和氧化鐵黑的摻量對導(dǎo)熱系數(shù)的影響更顯著。

表1 單摻石墨、炭黑和氧化鐵黑復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)

表2為正交實驗水平因素表。三個因素分別為石墨外摻量(因素A)、炭黑外摻量(因素B)、氧化鐵黑外摻量(因素C)，每個因素取三個水平。

表2 實驗因素水平表

從表3可知，樣品導(dǎo)熱系數(shù)較3種材料單摻均有明顯提高，說明3種材料復(fù)合更有利于提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)。極差分析表明，石墨摻量影響最大，炭黑次之，氧化鐵黑影響最小。導(dǎo)熱系數(shù)的最優(yōu)方案是9號試樣A3B3C2，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到0.35848W/(m·K)，比水泥空白樣提高了126%。這是因為炭黑顆粒較為微小，更易分散在水泥基體中，易形成導(dǎo)熱回路。

2 吸熱性能

表4為在水泥中單摻石墨、炭黑和氧化鐵黑獲得的水泥基復(fù)合材料在自然太陽光照射下不同部位的溫度。實驗結(jié)果表明，各復(fù)合材料板的板底和板面溫度均比空白樣有所提高。各種組分的摻入提高了水泥的吸熱性能，單摻實驗中單組分的摻量越大，吸熱性能越好。板底面溫度高于板表面溫度，表明塑料泡沫起到很好的保溫效果。當(dāng)單組分摻入時，摻量越大，板底面和表面的溫差越小，較高的導(dǎo)熱系數(shù)能使熱量傳遞較快，可盡快吸收熱量和傳遞熱量，儲能效果更加理想。

表3 正交實驗導(dǎo)熱系數(shù)

表4 單摻實驗及空白樣最高吸熱溫度

表5為利用表2水平因素進(jìn)行正交實驗獲得的樣品在自然光照射下的各板溫度。從表中可以看出，6號試樣A2B3C1板面和板底溫度均為最高，相對于空白樣，其平均溫度提高了8.4℃，吸熱性能最好，為最優(yōu)方案。而根據(jù)極差分析，最優(yōu)方案為A3B3C1(表中未標(biāo)出)。總體而言，正交實驗的吸熱效果優(yōu)于單摻實驗。無論材料單摻還是正交，都使水泥的吸熱性能得到極大改善。正交實驗的上下溫度大于單摻，表明導(dǎo)熱系數(shù)較高，將會使熱傳遞更快。復(fù)合材料的溫度比環(huán)境溫度的最高值(31.5℃)更是提高了20℃。

表5 正交實驗吸熱最高溫度及分析

3 SEM圖分析

摻有石墨、炭黑和氧化鐵黑的水泥基復(fù)合材料和空白樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d，分析其SEM微觀結(jié)構(gòu)。圖1為空白樣的SEM圖，圖2為分別摻入石墨、炭黑和氧化鐵黑的水泥基復(fù)合材料的SEM圖。

圖1 水泥空白樣28dSEM圖

從圖1可以看出空白樣結(jié)構(gòu)致密、外形完整、水化充分，但由于空白樣的熱性能較低，故吸熱效果較差。從圖2可以看出，加入石墨使材料出現(xiàn)了微量裂紋，水化產(chǎn)物包覆在石墨顆粒的表面；炭黑單摻使結(jié)構(gòu)較為疏松，疏松的原因主要是炭黑離子粒徑較小、吸水率高，且易發(fā)生團(tuán)聚，影響了局部微觀結(jié)構(gòu)，縫隙也較大；單摻氧化鐵黑會出現(xiàn)較多的孔洞，但除孔洞外的區(qū)域結(jié)構(gòu)致密。上述3種物質(zhì)的加入，雖然會使水泥產(chǎn)生一些縫隙和孔洞，但均大大提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)和吸熱性能，所以相對于空白樣，其吸熱性能均有較大提高。

圖2 水泥基復(fù)合材料的SEM圖

圖3 正交試驗標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d的樣品SEM圖

正交實驗標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d樣品的SEM圖如圖3所示。從圖3可以看出，1號試樣的結(jié)構(gòu)相對其他正交試樣更致密，裂紋和空隙很少，容易形成導(dǎo)熱回路，但其所含石墨等吸熱組分較少，不能使復(fù)合材料完全發(fā)揮吸熱功能；9號試樣結(jié)構(gòu)十分疏松，熱量在傳遞過程中會經(jīng)過較多的界面，不易形成導(dǎo)熱回路，對傳熱不利，且孔隙率較大，也會影響其吸熱能力；6號試樣的結(jié)構(gòu)雖出現(xiàn)少量裂紋，其導(dǎo)熱性能比1號試樣高，同時結(jié)構(gòu)也較為致密，易形成導(dǎo)熱回路，具有更好的吸熱能力。

四 結(jié)論

(1)在水泥中單摻或復(fù)合加入石墨、炭黑和氧化鐵黑均可提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)石墨、炭黑、氧化鐵黑分別摻入10%、8%和3%時，導(dǎo)熱系數(shù)較空白樣分別提高了33.00%、51.40%和1.48%。單摻時，導(dǎo)熱系數(shù)隨著3種物質(zhì)摻量的增加而增大。3種材料復(fù)合更有利于提高材料的導(dǎo)熱系數(shù)，其中，石墨摻量影響最大，炭黑次之，氧化鐵黑影響最小。

(2)在自然太陽光照射下，水泥中單摻石墨、炭黑和氧化鐵黑獲得的水泥基復(fù)合材料，相比空白樣的板底和板面溫度均有所提高，板底面溫度要高于板表面溫度。復(fù)摻的吸熱性能優(yōu)于單摻，其中6號試樣吸熱性能最好，平均溫度比空白樣提高了8.4℃。

(3)水泥基復(fù)合材料在加入石墨、炭黑和氧化鐵黑后，微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大改變。單摻石墨復(fù)合材料出現(xiàn)了微裂紋；單摻炭黑會使復(fù)合材料結(jié)構(gòu)疏松，縫隙較大；單摻氧化鐵黑孔洞較多，但除孔洞外的區(qū)域結(jié)構(gòu)致密。正交實驗中，摻入組分過大時，孔隙率過大，結(jié)構(gòu)更加疏松，反而不利于復(fù)合材料的吸熱。復(fù)合材料的吸熱能力不僅與導(dǎo)熱系數(shù)的大小有關(guān)，而且還與材料的微觀結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。

[1]馬全濤, 楊華, 謝運華. 太陽能資源評估及其開發(fā)利用探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報, 2010, 19:23.

[2]李申生. 太陽常數(shù)與太陽輻射的光譜分布[J]. 太陽能, 2003, 4:5－7.

[3]于曉燕, 崔愛紅. 我國太陽能利用的現(xiàn)狀、問題與對策[J].科技信息, 2011, 3:53－54.

[4]劉閩敏, 金曉東. 建筑與太陽能技術(shù)一體化設(shè)計[J]. 山西建筑,2010, 36(13):231－232.

[5]吳少鵬, 陳明宇, 韓君. 瀝青路面太陽能集熱技術(shù)研究進(jìn)展[J].公路交通科技, 2010, 27(3):17－21.

[6]Bourdeau L. Study of two passive solar systems containing phase change materials for thermal storage[A]. Proceedings of the Fifth National Passive Solar Conference[C], Amherst, 1980:297－301.

[7]Zrikem Z, Bilgen E. Theoretical study of a composite Trombe-Michel wall solar collector system[J]. Solar Energy, 1987, 39(5):409－419.

[8]Kongkiatumpai P. Study of impact of indoor set-point temperature on energy consumption of air conditioner and greenhouse gases emission[R]. King Mongkut’s University of Technology Thonburi,Thailand, 1999.

[9]Onishi J, Soeda H, Mizuno M. Numerical study on a low energy architecture based upon distributed heat storage system[J]. Renewable Energy, 2001, 22(1-3): 61－66.

[10]Sarachitti R, Chotetanorm C, Lertsatitthanakorn C, et al. Thermal performance analysis and economic evaluation of roof-integrated solar concrete collector[J].Energy and Buildings, 2011, 43(6):1403－1408.

[11]Chaurasia P B L. Solar water heating using concrete collectors in buildings[A]. Conference on Solar－1997[C], Australia, 1997:94.

[12]高一平. 利用太陽能的路面融雪系統(tǒng)[J]. 國外公路, 1997, 17(4):53－55.

[13]齊子姝, 白莉. 路面太陽能集熱探討與分析[J].吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報, 2011, 28(2):29－32.

[14]高育紅. 水泥蓄能:最新奇的的發(fā)電方式[J]. 環(huán)保與發(fā)明, 2009,3:36－37.

[15]Wu S P, Chen M Y, Zhang J Z. Laboratory investigation into thermal response of asphalt pavements as solar collector by application of small-scale slabs[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(10):1582－1587.

[16]盛謙. 混凝土導(dǎo)熱系數(shù)試驗研究[J]. 大眾科技, 2009, 8: 78－80.