孫茹茹，李化建，黃法禮，王 振，易忠來(lái)

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081； 3.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

0 引 言

相變材料(Phase Change Materials，PCMs)是一種潛熱儲(chǔ)熱材料，具有單位體積儲(chǔ)熱量大、儲(chǔ)放熱過(guò)程近似等溫以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1]。相變材料在發(fā)生相變時(shí)溫度和能量的變化關(guān)系為：在相變材料固體階段或完全變?yōu)橐后w階段，通過(guò)溫度的升高或降低來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存或釋放，為顯熱儲(chǔ)能階段；在相變過(guò)程中，溫度保持恒定，通過(guò)相變來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存或釋放，為潛熱儲(chǔ)能階段[2]。相變材料的研究集中在能量?jī)?chǔ)存和建筑節(jié)能領(lǐng)域，研究初期多以石膏板、保溫材料和飾面材料為基體，近年來(lái)，在水泥基材料中的應(yīng)用引起了廣泛關(guān)注。其原因是水泥基材料是用量最大的建筑材料，較石膏等墻體材料具有較大的熱容，用水泥基材料作為相變材料的基體將會(huì)達(dá)到更好的儲(chǔ)熱節(jié)能效果[3]。本文總結(jié)了相變材料的分類、封裝植入方式以及相變材料對(duì)水泥基材料性能的影響，以期促進(jìn)相變材料在水泥基材料中的應(yīng)用。

1 相變材料的分類及特點(diǎn)

相變材料按發(fā)生相變時(shí)的相轉(zhuǎn)變方式分為：固-氣反應(yīng)型、液-氣反應(yīng)型、固-固反應(yīng)型和固-液反應(yīng)型四類。固-氣反應(yīng)型和液-氣反應(yīng)型相變材料發(fā)生相變反應(yīng)時(shí)有氣相產(chǎn)生不易控制而難以實(shí)際應(yīng)用，因此對(duì)這兩種類型的相變研究較少；固-固反應(yīng)型相變材料通過(guò)自身結(jié)構(gòu)有序-無(wú)序的可逆轉(zhuǎn)變，來(lái)儲(chǔ)存或釋放能量，這類相變反應(yīng)無(wú)氣相和液相產(chǎn)生，穩(wěn)定性好，但由于其相變溫度較高，在水泥基材料中應(yīng)用研究也較少；固-液反應(yīng)型相變材料的相變溫度適宜、相變潛熱大、體積變化相對(duì)較小，是目前水泥基材料的研究熱點(diǎn)。固-液反應(yīng)型相變材料可分為無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和共晶混合物三類。

1.1 無(wú)機(jī)相變材料

無(wú)機(jī)相變材料種類繁多，可分為熔融鹽、金屬合金鹽和結(jié)晶水合鹽[4]，其中結(jié)晶水合鹽相變溫度適中，是無(wú)機(jī)相變材料中的主要研究對(duì)象，常用于水泥基材料的結(jié)晶水合鹽熱物理性質(zhì)如表1所示。

表1 常見無(wú)機(jī)相變材料的熱物理性質(zhì)Table 1 Thermophysical properties of common inorganic PCMs

結(jié)晶水合鹽較有機(jī)相變材料的優(yōu)點(diǎn)有單位體積儲(chǔ)熱量大、導(dǎo)熱系數(shù)較大、價(jià)格較便宜及阻燃性好，其缺點(diǎn)是相分離、過(guò)冷度大且在多次熔解-固化循環(huán)后蓄熱密度衰減率較高。同時(shí)，結(jié)晶水合鹽通常具有較高的潮解特性，容易吸附拌合水，導(dǎo)致結(jié)晶水合鹽失去相變特性[5-7]。另外，CaCl2·6H2O會(huì)加速鋼筋的腐蝕，影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性；硫酸鹽類無(wú)機(jī)相變材料會(huì)使水泥基材料產(chǎn)生內(nèi)部硫酸鹽腐蝕；CaCl2·6H2O和Na2SO4·10H2O還會(huì)促進(jìn)水泥水化，對(duì)降低混凝土早期水化溫升不利；Na2HPO4·12H2O對(duì)水泥水化有明顯的緩凝效果。目前，結(jié)晶水合鹽的過(guò)冷和相分離方面的問(wèn)題可通過(guò)加入增稠劑、成核劑或?qū)⒔Y(jié)晶水合鹽封裝定型來(lái)解決[8-9]。章學(xué)來(lái)等[10]對(duì)Na2HPO4·12H2O的過(guò)冷度和相分離問(wèn)題進(jìn)行研究，分析了硅酸鈉、硼酸、焦磷酸鈉、氧化鋁、磷酸氫二鉀等對(duì)過(guò)冷度的降低效果，及蔗糖、淀粉、羧甲基纖維素鈉、聚丙烯酰胺對(duì)相分離的改善效果，結(jié)果表明氧化鋁降低過(guò)冷度效果最佳，羧甲基纖維素鈉防止相分離效果最好。結(jié)晶水合鹽溶于水吸熱和相變的特點(diǎn)，還可改善磷酸鎂水泥凝結(jié)時(shí)間過(guò)短、水化反應(yīng)速率過(guò)快的缺點(diǎn)[11]。

1.2 有機(jī)相變材料

有機(jī)相變材料分為石蠟類和非石蠟類，應(yīng)用最廣泛的石蠟類有機(jī)相變材料是以直鏈烷烴組成的烴類混合物，非石蠟類主要包括醇類、高級(jí)脂肪酸及其酯、芳香烴類及高分子類等[12-13]。常見有機(jī)相變材料的熱物理性質(zhì)如表2所示。

表2 常見有機(jī)相變材料的熱物理性質(zhì)Table 2 Thermophysical properties of common organic PCMs

有機(jī)相變材料較為突出的特點(diǎn)為無(wú)過(guò)冷也沒(méi)有相分離現(xiàn)象，對(duì)水泥基材料的腐蝕性小，多次冷熱循環(huán)后衰減率低，較無(wú)機(jī)相變材料有一定的優(yōu)勢(shì)，但也具有儲(chǔ)熱密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小等缺點(diǎn)[8]。有機(jī)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)一般低于0.3 W/(m·K)，低的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)放熱速率減慢，眾多研究者通過(guò)加入碳類材料和金屬外加劑來(lái)提高相變材料的導(dǎo)熱性能[18-19]。水泥基材料多呈堿性，可與脂肪酸發(fā)生反應(yīng)，使脂類水解，生成物不再具備相變儲(chǔ)能的特點(diǎn)。Hawes等[20]研究了硬脂酸丁酯、聚乙二醇和月桂醇三種有機(jī)相變材料用蒸壓混凝土和普通混凝土浸漬吸附后相變焓的穩(wěn)定性，蒸壓混凝土經(jīng)高溫蒸壓后沒(méi)有游離Ca(OH)2產(chǎn)生，直接生成類似托普莫來(lái)石的硅酸鹽礦物，堿性較低，因此三種相變材料與蒸壓混凝土都有較好的相容性，而對(duì)于堿含量較高的普通混凝土，月桂醇相變焓的穩(wěn)定性則明顯優(yōu)于其它兩種相變材料。

1.3 共晶混合物

當(dāng)單一相變材料不滿足要求時(shí)，將兩種或兩種以上相變材料進(jìn)行復(fù)配制備多元低共熔點(diǎn)的共晶混合物，得到相變溫度合適，相變潛熱高的多元復(fù)合相變材料。根據(jù)熱力學(xué)第二定律和相平衡理論得出最低共熔點(diǎn)，最低共熔點(diǎn)低于任一組成相變材料的相變溫度。目前研究者多利用脂肪酸制備二元或多元共晶混合物，癸酸作為相變溫度較低的脂肪酸是常用的復(fù)配原料之一。陳中華等[21]采用超聲法制備了癸酸/硬脂酸二元復(fù)合相變材料，認(rèn)為該二元復(fù)合相變材料的低共熔點(diǎn)不是一個(gè)固定值而是一個(gè)配比范圍，當(dāng)癸酸占81%時(shí)，二元共晶混合物的相變溫度為22.4 ℃，相變焓為179.1 J/g，且具有較好的熱循環(huán)穩(wěn)定性。高桂波[22]利用癸酸和十四烷酸制備二元復(fù)合相變材料，最低共熔點(diǎn)組成的質(zhì)量比為CA∶MA=(76%～80%)∶(24%～20%)，最低共熔溫度19.65 ℃，相變焓149.02 J/g。二元或多元相變材料進(jìn)一步拓寬了相變材料的應(yīng)用范圍。

2 相變材料在水泥基材料中的植入

相變材料與水泥基材料直接復(fù)合，會(huì)面臨相變材料自身強(qiáng)度低、相變前后體積變化、儲(chǔ)熱性能衰減、對(duì)基體有腐蝕性和耐久性不良等問(wèn)題[23]。對(duì)相變材料進(jìn)行封裝是解決上述問(wèn)題的有效方法，目前封裝技術(shù)主要分為3種：浸漬吸附法、定型封裝法以及膠囊封裝法，如圖1所示。

圖1 相變材料在水泥基材料中的植入方式
Fig.1 Methods of PCMs incorporation in cement-based materials

2.1 浸漬吸附法

浸漬吸附法是利用水泥基材料孔的毛細(xì)作用直接吸附液態(tài)相變材料。該方法較為簡(jiǎn)單，但耗時(shí)較長(zhǎng)，浸漬吸附的相變材料在基體中分布不均勻，表面含量比內(nèi)部高，該種方法面臨相變材料的滲漏的問(wèn)題，必要時(shí)應(yīng)對(duì)基體進(jìn)行包覆。Hawes和Feldman[20]通過(guò)試驗(yàn)得出蒸壓養(yǎng)護(hù)混凝土充分吸附石蠟的時(shí)間為40 min～1 h，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土需要6 h；周靚等[24]研究表明粘度小極性弱的相變材料更容易被混凝土吸收。另外，試驗(yàn)溫度和混凝土試塊齡期也間接影響浸漬吸附效率。由于影響浸漬吸附量的因素較多，難以控制和最大化，且面臨多次循環(huán)后相變材料的滲漏問(wèn)題，所以該種方法在實(shí)際應(yīng)用中存在局限性。

2.2 定型封裝法

定型封裝法是為了避免相變材料在固-液相變時(shí)發(fā)生滲漏而對(duì)相變材料進(jìn)行封裝的一種方法。劉鳳利等[23]根據(jù)封裝材料的不同將定型封裝后的相變材料分為多孔材料基定型相變材料(封裝材料為膨脹珍珠巖、陶粒和硅藻土等)、層狀材料基定型相變材料(封裝材料為膨潤(rùn)土、膨脹石墨、蒙脫土)和高分子基定型相變材料(封裝材料為高低密度聚乙烯、聚亞安酯等)。

多孔材料基定型相變材料通過(guò)物理吸附使相變材料進(jìn)入多孔材料內(nèi)；層狀材料基定型相變材料利用插層法將相變材料固定在支撐材料的層間結(jié)構(gòu)中，或?qū)訝畈牧蟿冸x成片狀后與相變材料共混，片狀結(jié)構(gòu)搭接成的腔體實(shí)現(xiàn)對(duì)相變材料的定型；高分子基定型相變材料是將高熔點(diǎn)的高分子材料和低熔點(diǎn)的相變材料熔融共混后再進(jìn)行降溫，在降溫過(guò)程中先凝固的高分子材料將相變材料封裝在其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，相變材料發(fā)生相變時(shí)，高熔點(diǎn)的高分子材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)相變材料起到了很好的封裝作用。

孔德玉等[5]用陶粒黏土吸附無(wú)機(jī)相變材料CaCl2，為提高吸附能力，采用真空吸附法，結(jié)果表明自然吸附60 min吸附率只有12.1%，而真空吸附5 min吸附率就可達(dá)42.3%。王小鵬等[25]采用熔融插層法制備蒙脫石基定型相變材料，吸附率可達(dá)33.3%，且60 ℃高溫下熔融3 h無(wú)相變材料滲出。以孔徑較大的多孔材料為封裝材料，冷熱循環(huán)后質(zhì)量損失率高，多采用環(huán)氧樹脂、快干油性涂料、乳液和經(jīng)環(huán)氧樹脂改性后的水泥凈漿對(duì)定型相變材料進(jìn)行包裹，通過(guò)多次冷熱循環(huán)的質(zhì)量損失率評(píng)價(jià)包裹效果。Cui等[26-28]用環(huán)氧樹脂、水泥凈漿和環(huán)氧樹脂改性后的水泥凈漿對(duì)陶粒基定型相變材料進(jìn)行包裹，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂對(duì)陶?；ㄐ拖嘧儾牧系陌Ч?。

2.3 膠囊封裝法

膠囊封裝法主要有大體積封裝法和微膠囊封裝法。大體積封裝是將相變材料封裝于管、殼、袋等容器中從而避免滲漏問(wèn)題，使相變材料和基體隔絕，封裝容器應(yīng)選擇導(dǎo)熱性高、兼容性好的材料[29]。該種封裝方法操作簡(jiǎn)單可行性高，但相變材料在邊界處容易固化，低的導(dǎo)熱率導(dǎo)致相變材料利用率及儲(chǔ)放熱效率較低。另外，后期裝修鉆孔也容易導(dǎo)致大體積膠囊的破壞。微膠囊封裝是將相變材料封裝于高分子聚合物薄膜中[30-32]。在進(jìn)行壁材選擇時(shí)，通常選用柔軟、穩(wěn)定、兼容性好的聚合物材料(如聚乙烯、聚脲和環(huán)氧樹脂等)，常用的方法有原位聚合法、界面聚合法、乳液聚合法和懸浮聚合法，其中原位聚合法易受攪拌影響而發(fā)生團(tuán)聚，界面聚合法不可應(yīng)用于部分水合鹽單體，而乳液聚合法和懸浮聚合法具有封裝率高、粒徑小、粘度低等優(yōu)點(diǎn)[4]?？傮w來(lái)說(shuō)，微膠囊封裝法的優(yōu)點(diǎn)有:(1)阻止了液態(tài)相變材料的滲漏；(2)大的比表面積增加了熱傳遞面積，減弱了過(guò)冷現(xiàn)象；(3)相變過(guò)程中體積變化?。?4)高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性?，F(xiàn)階段微膠囊封裝技術(shù)的主要問(wèn)題有制備成本過(guò)高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、封裝率低、攪拌過(guò)程中易破碎及聚合物壁材與水泥基材料粘結(jié)性差，尋找有效的解決途徑是實(shí)現(xiàn)微膠囊技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

3 相變材料對(duì)水泥基材料性能的影響

由于浸漬吸附法應(yīng)用的局限性，該方法對(duì)水泥基材料性能影響方面的研究較少，下面主要討論相變材料經(jīng)定型封裝和微膠囊封裝后對(duì)水泥基材料性能的影響。

3.1 工作性能

對(duì)于定型相變材料，支撐材料吸附相變材料時(shí)，相變材料無(wú)法進(jìn)入的細(xì)小孔隙中含有空氣，故在拌和時(shí)吸水導(dǎo)致水泥基材料工作性能變差[33]。聶志新等[34]采用直接吸附法得到了月桂酸/膨脹石墨復(fù)合定形相變材料，并按絕對(duì)體積法將其摻入混凝土中制備得到相變混凝土，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著相變骨料摻量的增加，混凝土工作性能不斷降低，但依然能夠保證混凝土成型良好。Sakulich等[35]為保持相變儲(chǔ)能混凝土具有良好的工作性能，建議支撐材料在浸漬吸附相變材料后再進(jìn)行保水處理。

微膠囊相變材料對(duì)水泥基材料工作性能的影響主要有兩方面的原因：一方面微膠囊相變材料顆粒微小，粒徑較均勻，在水泥基材料新拌階段起填充和潤(rùn)滑作用，減少用水量；另一方面微膠囊比表面積較大且在攪拌過(guò)程中易發(fā)生破碎，增加用水量。Hunger等[36]通過(guò)擴(kuò)展度、V型漏斗、J環(huán)試驗(yàn)來(lái)測(cè)試相變微膠囊摻量對(duì)自密實(shí)混凝土新拌性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明摻微膠囊相變材料的自密實(shí)混凝土仍能保持較好的工作性能。也有研究者認(rèn)為[37-38]隨微膠囊摻量增加，混凝土的工作性能會(huì)變差，但仍在可接受范圍內(nèi)。出現(xiàn)這種差異的原因主要與微膠囊壁材的吸水性和穩(wěn)定性有關(guān)，吸水率小、不易破碎的微膠囊相變材料對(duì)水泥基材料工作性能的影響較小。

3.2 力學(xué)性能

相變材料無(wú)論以何種方式植入水泥基材料，都會(huì)對(duì)水泥基材料的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響[39-40]，因此需兼顧控溫效果和力學(xué)性能要求。何燕等[41]制備的相變珍珠巖砂漿板滿足《建筑保溫砂漿》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定砂漿的抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于0.2 MPa，稠度為80～100 mm的要求，且保溫性能良好。Cui等[26-27]測(cè)試了經(jīng)環(huán)氧樹脂包裹的相變陶粒儲(chǔ)熱混凝土的力學(xué)性能，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)30 MPa。微膠囊相變材料對(duì)水泥基材料強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面[42]：一方面微膠囊相變材料對(duì)水泥基材料強(qiáng)度發(fā)展有消極的影響，主要因?yàn)樽陨韽?qiáng)度較低、攪拌時(shí)易發(fā)生破碎和團(tuán)聚，大的比表面積導(dǎo)致用水量增加；另一方面則對(duì)水泥基強(qiáng)度發(fā)展有積極的影響，主要因?yàn)橄嘧兾⒛z囊細(xì)小的顆粒能夠?yàn)樗嗨峁└嗟某珊宋恢?，增加了水泥基材料的密?shí)度。Zhang等[43]得出相變微膠囊摻量為水泥質(zhì)量的30%時(shí)，抗壓強(qiáng)度下降58.4%；Wei等[44]經(jīng)研究表明混凝土的抗壓強(qiáng)度隨微膠囊相變材料摻量的增加而降低，但劈裂抗拉強(qiáng)度并未降低。這是由于抗壓強(qiáng)度的大小與相變微膠囊自身強(qiáng)度、彈性模量有關(guān)，而劈裂抗拉強(qiáng)度主要跟基體與微膠囊的界面過(guò)渡區(qū)有關(guān)，而該界面過(guò)渡區(qū)所引起的抗拉強(qiáng)度的下降與水泥基材料自身缺陷所引起的下降差別不大，所以劈裂抗拉強(qiáng)度并未隨微膠囊的摻量增加而降低。

3.3 對(duì)水泥水化過(guò)程的影響

相變材料對(duì)水泥基材料水化溫升有很好的控制作用，但不同種類相變材料對(duì)水泥水化過(guò)程的影響有所差異。有機(jī)酸類可與水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應(yīng)，對(duì)水泥水化有促進(jìn)作用。Bentz等[45]研究用輕骨料封裝定型后的石蠟、聚乙二醇和植物油基相變材料對(duì)水泥水化過(guò)程的影響，發(fā)現(xiàn)聚乙二醇和植物油基相變材料對(duì)水泥水化具有嚴(yán)重的緩凝作用，吸附了聚乙二醇的定型相變材料使水化溫峰值降低了40%，溫峰時(shí)間延緩了幾個(gè)小時(shí)，可見粘附在輕骨料表面未被吸附的相變材料仍可對(duì)水泥水化有較為嚴(yán)重的影響。孔德玉等[5]用陶粒先吸附CaCl2·6H2O再吸入癸酸及分別吸附CaCl2·6H2O、癸酸制備陶粒基定型相變材料，將制備好的相變陶粒應(yīng)用于水泥基材料中，結(jié)果表明吸附CaCl2·6H2O的陶粒對(duì)水泥水化有促進(jìn)作用，導(dǎo)致水化溫峰值提前且并未降低溫峰值，另兩組與水泥直接接觸的相變材料為癸酸，在沒(méi)有影響水泥水化進(jìn)程的情況下，降低了溫峰值，且復(fù)合吸附了CaCl2·6H2O和癸酸后對(duì)溫峰值降低更大。因此在控制水泥水化溫升的同時(shí)，還要注意相變材料對(duì)水泥水化進(jìn)程的改變，必要時(shí)對(duì)其進(jìn)行包覆，或再吸附對(duì)水泥水化進(jìn)程沒(méi)有影響的相變材料包覆在外側(cè)。

4 相變材料在水泥基材料中的應(yīng)用

(1)應(yīng)用于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，達(dá)到儲(chǔ)熱節(jié)能的效果。面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)，尋求基于相變材料的高性能蓄熱技術(shù)是降低建筑能耗的關(guān)鍵問(wèn)題之一。Zhang等[43]以片狀石墨微膠囊化相變材料為原料，制備了一種新型水泥復(fù)合材料，進(jìn)行了紅外熱成像和模擬房試驗(yàn)，結(jié)果表明這種新型水泥復(fù)合材料能夠降低室內(nèi)溫度波動(dòng)，在建筑節(jié)能和熱舒適性方面具有良好的應(yīng)用前景。BASF公司將摻加了石蠟微膠囊的砂漿應(yīng)用于建筑物內(nèi)墻表面，室內(nèi)溫度波動(dòng)較未摻相變材料組更平緩[46]。每2 cm厚的石蠟微膠囊含量為10%～25%的砂漿與20 cm厚的磚木結(jié)構(gòu)蓄熱能力相當(dāng)。石憲等[47]重點(diǎn)研究了相變儲(chǔ)能材料在墻體中的位置(墻體夾層、內(nèi)貼和外貼)對(duì)室內(nèi)溫濕度的調(diào)節(jié)作用，研究表明相變材料在墻體夾層中對(duì)室內(nèi)溫度控制效果最好，內(nèi)貼于墻體對(duì)室內(nèi)濕度的調(diào)控效果最好。

(2)應(yīng)用于大體積混凝土，減少溫度裂縫的產(chǎn)生。Mihashi等[48]首次提出在混凝土中使用相變材料進(jìn)行溫度控制，將石蠟微膠囊添加到水泥基材料中，半絕熱條件下的最高溫度顯著降低。Snoeck等[37]研究表明相變材料對(duì)最高溫升的降低效果取決于相變溫度，當(dāng)使用相變溫度為18 ℃的相變材料時(shí)，只有很小的影響，因?yàn)橄嘧儨囟鹊陀谧畛醯臏y(cè)試溫度20 ℃，當(dāng)使用相變溫度為28 ℃的相變材料時(shí)且當(dāng)水泥基材料的溫度達(dá)到28 ℃微膠囊相變材料才會(huì)起作用，所以效果會(huì)減弱，故相變溫度需要根據(jù)不同的氣候條件進(jìn)行調(diào)整。微膠囊相變材料的加入還降低了混凝土的溫降速率，這對(duì)于控制混凝土的早期開裂可能更為關(guān)鍵。高桂波[22]利用微膠囊和表面活性劑制備導(dǎo)熱流體，研究了導(dǎo)熱流體降低水化溫升的效果，結(jié)果表明以相變導(dǎo)熱流體作為冷卻液比采用冷卻水增大了降溫效果，降低了循環(huán)流量和混凝土與冷卻液之間的最大溫差，較好的解決了冷卻水管附近自生應(yīng)力過(guò)大的問(wèn)題。

(3)應(yīng)用于水泥基材料中改善其抗凍性。將相變材料用于改善混凝土的抗凍性最早由研究者Bentz等[45]提出，將相變溫度略高于0 ℃的相變材料應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度降低到冰點(diǎn)時(shí)液態(tài)相變材料開始固化放熱，從而延緩路面水結(jié)冰，如圖2所示。Farnam等[49]研究了兩種相變材料石蠟油和月桂酸甲酯融化冰雪的能力，這兩種相變材料相變溫度在2～3 ℃且具有較高的相變焓，相變材料的植入方式采用輕骨料吸附法和管狀大體積封裝法，試驗(yàn)表明石蠟油采用兩種植入方式均可達(dá)到較好的融化冰雪的效果，而月桂酸甲酯在采用輕骨料吸附法時(shí)易與水泥基材料反應(yīng)，因此適宜用管狀大體積封裝法。Sakulich等[35]采用建模的方法研究了相變材料對(duì)橋面水泥基材料抗凍性的影響，研究表明相變材料在會(huì)產(chǎn)生凍融破壞但不嚴(yán)重的地區(qū)具有較好的應(yīng)用效果。楊獻(xiàn)章等[50]將相變材料實(shí)際應(yīng)用到了橋面防凍工程中，將液態(tài)相變材料加入到高強(qiáng)無(wú)縫鋼管中，并沿縱橋向分布，此種橋面防凍結(jié)構(gòu)已在某高速匝道橋上成功應(yīng)用。

圖2 相變材料在路面結(jié)構(gòu)中融雪融冰的作用簡(jiǎn)圖[45]
Fig.2 Schematic of using PCMs in concrete pavement to melt ice and snow[45]

5 結(jié)論與展望

眾多研究者已從相變材料的選擇、改性、封裝方式及對(duì)水泥基材料性能影響等多方面展開了廣泛的研究，為相變材料在水泥基材料中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

(1)相變材料的優(yōu)選改性問(wèn)題。無(wú)論有機(jī)相變材料還是無(wú)機(jī)相變材料都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，需進(jìn)行熱物理性能方面的改性后才能應(yīng)用，這方面的研究往往對(duì)相變材料的應(yīng)用具有革命性的意義，如成核劑和增稠劑的研發(fā)使無(wú)機(jī)相變材料的應(yīng)用成為可能。因此，需進(jìn)一步研究提升相變材料熱物理性能(如熱循環(huán)穩(wěn)定性、傳熱效率和阻燃性等)的改性方法，擴(kuò)大相變材料在儲(chǔ)熱節(jié)能方面的優(yōu)勢(shì)。另外還需考慮用于改性的原料成本問(wèn)題，尋找研發(fā)更加低價(jià)高效的改性方式。

(2)相變材料的封裝植入問(wèn)題。研究不同封裝方式的主要目的是解決相變材料在發(fā)生相變時(shí)的泄漏問(wèn)題，目前研究較多的封裝方法仍存在封裝率低、穩(wěn)定性差、多次冷熱循環(huán)后質(zhì)量損失率高等問(wèn)題，需進(jìn)一步提高封裝效率，降低封裝成本，提高封裝后產(chǎn)物的穩(wěn)定性。

(3)相變材料在應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題。目前相變材料在水泥基材料中的應(yīng)用主要關(guān)注相變材料在儲(chǔ)熱節(jié)能方面的效果，忽略了對(duì)水泥基材料耐久性和長(zhǎng)期性能影響的檢測(cè)，要想取得良好的應(yīng)用效果，需滿足水泥基材料的力學(xué)性能、耐久性能、熱物理性能、阻燃性能和最大耐熱循環(huán)次數(shù)等多方面的性能要求，并逐步形成相應(yīng)的檢測(cè)方法和指標(biāo)要求，建立統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。