吳陶俊

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，遼寧 沈陽 110167）

石蠟相變儲(chǔ)能混凝土的制備與性能研究

吳陶俊

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，遼寧 沈陽 110167）

以相變溫度為24℃的混合石蠟作為相變材料，采用多孔粉煤灰陶粒進(jìn)行吸附，以吸附石蠟的陶粒作粗骨料，按照混凝土制備工藝制備相變混凝土，并與空白試件進(jìn)行對比，然后測試二者在有熱源情況下的升溫能力及撤掉熱源后的降溫能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，相變混凝土試塊升溫/降溫過程都較空白試件緩慢，石蠟相變材料起到一定的調(diào)溫作用。

石蠟；相變材料；儲(chǔ)能；相變混凝土

相變儲(chǔ)能材料（Phase Change Materials）是利用材料相態(tài)的變化進(jìn)行儲(chǔ)存/釋放能量的材料，作為一種新型的節(jié)能材料，已逐步成為能源利用研究的熱點(diǎn)[1-2]。按材料的化學(xué)組成可以分為無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料。其中有機(jī)相變材料具有不易發(fā)生相分離、過冷現(xiàn)象等特點(diǎn)[3]。而石蠟具有儲(chǔ)能性能好，相變溫度可調(diào)，可加工成定型相變材料等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，利用其儲(chǔ)能/釋能，起到調(diào)溫作用，大幅度降低室內(nèi)溫度的波動(dòng)，提高人體舒適度，同時(shí)具有節(jié)能作用[4]。

本試驗(yàn)選用石蠟作為相變材料，用多孔材料吸附，應(yīng)用到建筑材料中，研究產(chǎn)生的儲(chǔ)能作用。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

石蠟：熔點(diǎn)24℃，撫順石油化工公司石化一廠生產(chǎn)。多孔陶粒：遼寧盤錦誠信粉煤灰陶粒有限公司生產(chǎn)。水泥：P·O42.5，冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)。砂：細(xì)度模數(shù)為2.5。

1.2 陶粒的選擇

陶粒價(jià)格便宜，來源豐富，再加上陶粒本身是一種多孔材料，可作載體吸附相變材料應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)[5-7]。陶粒內(nèi)部孔隙相對表面孔隙較大，故把陶粒破碎后可能會(huì)增加對相變材料的吸入量。將試驗(yàn)選用的粉煤灰陶粒、黏土陶粒、頁巖陶粒等3種陶粒分成完整陶粒、破碎的陶粒，其性能如表1。

表1 陶粒的基本性能

分別研究3種陶粒在自然狀態(tài)下、溫度為100℃的熔化石蠟液中及真空條件下浸泡吸入石蠟相變材料間的關(guān)系。試驗(yàn)之前，分別把20 g上述樣品放到烘箱（溫度為80℃）烘48 h，將其中的水分蒸發(fā)掉，然后取出冷卻至室溫后分別測試不同條件下陶粒吸附相變材料的吸附量，確定合適的陶粒作為載體吸附石蠟。

1.3 石蠟/陶粒復(fù)合相變材料的制備

將選擇的粉煤灰陶粒在烘箱中烘干，放到熔融的石蠟中，根據(jù)吸附量控制吸附條件，使陶粒吸附石蠟量分別為10%、15%、20%，制得石蠟/陶粒復(fù)合相變材料。

烘干粉煤灰陶粒內(nèi)部的水分，一方面為更快、更好的吸附石蠟；另一方面在有水分存在的條件下，石蠟可能離解出H+，吸入到粉煤灰陶粒中后，會(huì)與陶粒中的K2O、Na2O發(fā)生中和反應(yīng)，因此要烘干除掉水分。

石蠟相變材料屬于固-液相變材料，吸熱時(shí)發(fā)生相變，由固態(tài)熔化成液態(tài)，容易從建筑材料基體中滲漏出來，對其長期使用產(chǎn)生不利影響。因此，必須對相變建筑材料進(jìn)行表面封裝，防止相變過程中液態(tài)相變材料從粉煤灰陶粒中泄漏。另外，粉煤灰陶粒應(yīng)用到建筑中之前進(jìn)行表面包裹，阻止了外界水分進(jìn)入到粉煤灰陶粒內(nèi)部，從而也保證了相變材料與粉煤灰陶粒有良好的相容性。

采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行封裝，把環(huán)氧樹脂涂到粉煤灰陶粒的表面，室溫環(huán)境下，待環(huán)氧樹脂慢慢固化。這樣便在粉煤灰陶粒表面形成了1層硬化環(huán)氧樹脂層，可以對粉煤灰陶粒表面起到封裝的作用。

對封裝好的粉煤灰陶粒進(jìn)行相變循環(huán)滲漏測試：首先把用環(huán)氧樹脂封裝材料封裝好的陶粒和未進(jìn)行封裝的陶粒放在同一張濾紙上，放入烘箱中（40℃），放置0.5 h后取出，觀察陶粒周圍的濾紙是否有石蠟相變復(fù)合材料滲漏。陶粒在受熱時(shí)，其內(nèi)部的石蠟會(huì)熔化外流。陶粒經(jīng)環(huán)氧樹脂封裝后，內(nèi)部的石蠟發(fā)生相變變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，從陶粒中流出的石蠟量明顯大大減少，從而改善了石蠟/陶粒復(fù)合相變材料在建筑材料應(yīng)用中的耐久性。

1.4 相變混凝土的制備及性能研究

按照J(rèn)GJ 51—2002《輕骨料混凝土技術(shù)規(guī)程》采用絕對體積法進(jìn)行混凝土的配合比設(shè)計(jì)，見表2。

表2 混凝土的配合比kg/m3

粉煤灰陶粒吸附石蠟相變材料的量分別占陶粒質(zhì)量的10%、15%和20%，然后制成100 mm×100 mm×50 mm、不同石蠟/陶粒復(fù)合相變材料含量作為粗骨料制備相變混凝土試塊，并設(shè)置空白樣，制成混凝土試塊成型后帶模養(yǎng)護(hù)1 d，拆模后立即移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，對制得的試塊進(jìn)行蓄熱性能測試。

蓄熱性能的測試方法：對混凝土一側(cè)進(jìn)行先加熱后降溫，將熱電偶固定在混凝土試塊另一側(cè)的表面，從溫度開始變化起每隔1 min記錄1次數(shù)據(jù)，直至溫度不再變化，停止記錄。

2 結(jié)果與討論

2.1 陶粒類型對石蠟吸附量的影響

多孔陶粒可被用于吸收與儲(chǔ)存液態(tài)相變材料，因此在使用前要先確定其對石蠟吸附能力的大小。本實(shí)驗(yàn)初步選擇的3種陶粒對石蠟的吸附結(jié)果見表3。

表3 不同陶粒在不同條件下吸收相變材料量g

從表3可以看出，3種陶粒在不同條件下吸附石蠟的量不同，在真空抽濾條件下比在自然條件、溫度為100℃時(shí)的吸附量都高，并且以粉煤灰陶粒的吸附量最大。這是因?yàn)檎婵諣顟B(tài)下，陶粒內(nèi)部的空氣基本被除去，外面氣壓又高于大氣壓，這使得更多的石蠟被壓到陶粒的空隙中。3種陶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，特別是孔結(jié)構(gòu)特征，會(huì)對吸附效果產(chǎn)生不同的影響，粉煤灰陶粒吸附的石蠟量多，可能是粉煤灰陶?？捉Y(jié)構(gòu)的連通性遠(yuǎn)高于其它2種陶粒。考慮到破碎的粉煤灰陶粒對于抗壓強(qiáng)度的損失，及破碎所需的工藝，最終選取完整的粉煤灰陶粒進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2.2 相變混凝土蓄熱性能分析

分別對石蠟含量為10%、15%、20%制得的相變混凝土一側(cè)進(jìn)行加熱，至溫度穩(wěn)定后進(jìn)行冷卻，測試加熱對立面表面的溫度變化。其變化見圖1所示。

由圖1可以看出，相變混凝土試塊的升溫/降溫速率比空白試件慢，并且隨著石蠟含量的增大，這種差異會(huì)更明顯。在吸附量為20%時(shí)，升溫階段相變混凝土試塊比空白試件升溫速率始終慢，溫差最大值達(dá)到3.6℃；在降溫階段溫差最大值達(dá)到2.9℃。這說明相變試塊受熱時(shí)，所含的石蠟相變材料由于潛熱儲(chǔ)存能力，吸收了一部分熱量，使其溫度變化低于空白試件；當(dāng)溫度下降時(shí)，在冷凝過程中，相變材料可以將儲(chǔ)存的熱量釋放出來，使得相變試塊表面的溫度變化的較慢?？傊?，相變試塊比空白試件溫度波動(dòng)小。升溫/降溫過程溫度變化極差見圖2。

圖1 不同石蠟含量相變混凝土的升溫/降溫曲線

圖2 升溫/降溫過程溫度極差

由圖2可以看出，隨著石蠟含量的增大，無論是升溫還是降溫過程，相變試塊與空白試件間表面的溫度變化差異也呈現(xiàn)遞增的趨勢，因?yàn)槭灪吭龃?，其?chǔ)熱能力就增強(qiáng)，使溫度變化速率就變得緩慢。

3 結(jié)論

采用石蠟作相變材料，選用粉煤灰陶粒作為石蠟相變材料的載體，并以石蠟/陶粒復(fù)合相變材料制備儲(chǔ)能混凝土，并對其混凝土的蓄熱性能進(jìn)行了測試。

（1）在自然條件下、溫度為100℃和真空抽濾下粉煤灰陶粒、黏土陶粒和頁巖陶粒吸附石蠟量呈現(xiàn)遞增趨勢。不同類型的陶粒破碎后，吸附石蠟量相應(yīng)有所增加，但是增加量不明顯。真空抽濾下，粉煤灰陶粒石蠟吸附量最大。

（2）制備了石蠟/陶粒復(fù)合相變材料，并采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行表面包裹，取得了較好的封裝效果。

（3）以吸附石蠟的陶粒輕骨料制備相變混凝土試塊，進(jìn)行升溫和降溫測試。結(jié)果表明，選用石蠟相變材料，混凝土試塊的升溫/降溫速率較空白混凝土試件變化緩慢，且當(dāng)石蠟在粉煤灰陶粒的吸附量逐漸增大時(shí)，與空白試件的溫差最大值也逐漸變大。

[1]劉玲，葉紅衛(wèi)．國內(nèi)外蓄熱材料發(fā)展概況[J]．蘭化科技，1998（9）：168-171.

[2]宮秀敏.相變理論基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004.

[3]Prashant Verma，Varun．Review of mathematical modeling on latent heat thermal energy storage systems using phase-change material[J]．Renewable Susraina-le Energy Rev.，2008，12（4）：999.

[4]王智宇，林旭添，陳鋒，等．相變儲(chǔ)能保溫建筑材料的制備及性能評價(jià)[J]．新型建筑材料，2006（11）：35-37.

[5]Lee T．Control aspects of latent heat storage and recovery in concrete[J].Solar Energy Mater Cells，2000，62：217-224.

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Study on the preparation and properties of paraffin phase change energy storage of the concrete

WU Taojun
（Department of Civil Engineering，Shenyang Urban Construction University，Shenyang 110167，China）

Mixed paraffin，which the phase-transition temperature is 24℃were used as phase-change materials（PCM），using the porous sintered fly ash to adsorption，the ceramsite were used as coarse aggregate after adsorption of paraffin，according to preparation technology of concrete to prepare phase change concrete，and set the blank sample，then under the condition of a heat source to test heating ability and the ability to cool down after the heat removed.Research shows that：phase change concrete blocks are slower than blank specimen during heating/cooling process，paraffin phase change materials play a certain effect of regulating temperature.

paraffin，phase-change materials，energy storage，phase change concrete

TU55

A

1001-702X（2016）12-0091-03

2016-04-20

吳陶俊，女，1989年生，遼寧沈陽人，助教。