于文艷，孟 琦，童浩然

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中添加相變材料不僅能減小室外溫度波動(dòng)對室內(nèi)熱環(huán)境的影響，還能提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能［1-4］.微膠囊 相變材 料（microencapsulated phase change material，MPCM）能很好地集成到包括水泥砂漿［5］、混凝土［6-7］和石膏［8］等在內(nèi)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐材料中.在廣泛使用的抹灰砂漿中加入MPCM，不僅可以提高新建建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)熱能力，還可以對既有建筑進(jìn)行節(jié)能改造.Kheradmand 等［9］提出，可在水泥砂漿中摻入3種不同相變溫度的MPCM 以適應(yīng)不同季節(jié)的需求.Frazzica 等［10］通過數(shù)值計(jì)算，確定西西里氣候條件下水泥砂漿中添加MPCM 的最佳熔化溫度為27 ℃.Wi等［11］發(fā)現(xiàn)，添加10% MPCM 的外抹灰水泥表現(xiàn)出優(yōu)異的蓄熱性能.多數(shù)研究結(jié)果表明，加入MPCM 后，水泥砂漿的儲(chǔ)熱能力有所提高，但其力學(xué)性能有所下降［12-14］.因此，有必要進(jìn)一步研究MPCM 與水泥砂漿的配合比對儲(chǔ)能砂漿熱性能和力學(xué)性能的綜合影響，在保證儲(chǔ)能砂漿強(qiáng)度符合相關(guān)規(guī)范要求的前提下，使其發(fā)揮出理想的儲(chǔ)能調(diào)溫效果.本文將商用正十八烷/密胺樹脂MPCM 加入水泥砂漿制備成儲(chǔ)能砂漿，對其微觀形貌、相變特性、熱穩(wěn)定性、導(dǎo)熱系數(shù)、儲(chǔ)熱性能和力學(xué)性能進(jìn)行研究，以確定MPCM與水泥砂漿的合理配合比.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

正十八烷/密胺樹脂MPCM 來自上海儒熵新能源科技有限公司，為白色粉末，其芯殼比為9∶1，密度為0.9 g/cm3，粒徑分布范圍為5～15 μm，熔化過程的相變峰值溫度和相變潛熱分別為29.2 ℃和78.8 J/g，凝固過程的相變峰值溫度和相變潛熱分別為21.8 ℃和76.1 J/g.水泥為P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，28 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為54.3 MPa 和7.8 MPa，表1 為水泥的化學(xué)組成.細(xì)骨料為來自廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司的中國ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，其SiO2含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含量、摻量等除特別指明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）大于98%.

表1 水泥的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of cement w/%

1.2 試樣制備

根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》制備儲(chǔ)能砂漿，其配合比見表2，其中MPCM 的摻量分別為水泥質(zhì)量的5%，10%，15%和20%.編號(hào)C-M 的試件為未摻MPCM 的水泥砂漿，編號(hào)MPCM5 的試件為MPCM 摻量為水泥質(zhì)量5%的儲(chǔ)能砂漿，其他試件編號(hào)含義以此類推.

表2 儲(chǔ)能砂漿的配合比Table 2 Mix proportions of energy storage mortars g

取規(guī)格為40 mm×40 mm×20 mm、70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 和300 mm×300 mm×20 mm 的鑄鐵水泥模具，對模具內(nèi)壁及表面進(jìn)行清理并涂油，將攪拌均勻的材料分別裝入鑄鐵水泥模具內(nèi)，反復(fù)振實(shí)填平，靜置24 h 后脫模，置于20 ℃，濕度為90%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d.40 mm×40 mm×20 mm 的試件用于導(dǎo)熱系數(shù)測試；70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的試件用于抗壓強(qiáng)度測試；300 mm×300 mm×20 mm的試件用于儲(chǔ)熱/放熱性能測試.

1.3 試驗(yàn)方法

用S-3400N 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察MPCM和儲(chǔ)能砂漿的微觀形貌；用3500 Sirius型差示掃描量熱（DSC）儀在氮?dú)鈿夥諟y試環(huán)境下以10 K/min的升/降溫速率在-10～60 ℃溫度范圍內(nèi)測試MPCM和儲(chǔ)能砂漿的相變溫度和相變潛熱；用209 F3 型熱重（TG）分析儀以10 K/min 的升/降溫速率在25～500 ℃溫度范圍內(nèi)測試MPCM 和儲(chǔ)能砂漿的熱穩(wěn)定性；用DRE-Ⅲ型導(dǎo)熱系數(shù)測試儀測試儲(chǔ)能砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)；用DYH-300B 型水泥壓力試驗(yàn)機(jī)測試儲(chǔ)能砂漿的抗壓強(qiáng)度，加載速率為（50±10）N/s.

圖1 為自制的儲(chǔ)熱/放熱性能測試試驗(yàn)箱示意圖［15-17］，箱體材料為保溫板.由圖1可見：試驗(yàn)箱內(nèi)部尺寸 為300 mm×300 mm×500 mm；熱源采 用FGW-620 型加熱器，加熱器與試件外表面距離為500 mm，通過熱輻射方式加熱試件；試件內(nèi)、外表面各布置2個(gè)T 型熱電偶進(jìn)行溫度測試.進(jìn)行儲(chǔ)熱/放熱性能測試時(shí)，開啟加熱器，使試件外表面溫度在33 min內(nèi)由25.5 ℃逐步升高到43.8 ℃，然后關(guān)閉加熱器，通過自然降溫，使試件外表面溫度由43.8 ℃逐步降低到25.5 ℃，測試升溫/降溫過程中試件內(nèi)表面溫度的變化情況.每隔5 min，用FLIR T200 型紅外熱像儀拍攝升溫過程中試件內(nèi)表面的溫度分布情況.

圖1 儲(chǔ)熱/放熱性能測試試驗(yàn)箱示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal energy storage/ release property test chamber（size：mm）

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀形貌

圖2 為MPCM 和儲(chǔ)能砂漿的SEM 圖片.由圖2可見：MPCM 外觀呈光滑的球形，密胺樹脂殼材將相變材料正十八烷封裝在球體內(nèi)；儲(chǔ)能砂漿中的MPCM 保持完整的球形，且在砂漿中均勻分布，沒有出現(xiàn)明顯的團(tuán)簇現(xiàn)象，表明MPCM 與水泥砂漿相容性較好，在儲(chǔ)能砂漿制備過程中混合較為均勻.

圖2 MPCM 和儲(chǔ)能砂漿的SEM 圖片F(xiàn)ig.2 SEM images of MPCM and energy storage mortar

2.2 相變特性

圖3 為儲(chǔ)能砂漿的DSC 曲線.由圖3 可見：由于MPCM 的存在，儲(chǔ)能砂漿的DSC 曲線出現(xiàn)明顯的吸熱峰和放熱峰，為MPCM 的相變過程；MPCM 含量為5%、10%、15%和20%的儲(chǔ)能砂漿在熔化過程中的相變潛熱分別為2.8、8.8、9.1、11.2 J/g，在凝固過程中的相變潛熱分別為2.1、9.3、9.7、13.9 J/g；隨著MPCM 含量的增加，儲(chǔ)能砂漿的相變潛熱逐漸增大.因此，MPCM 的摻入提高了水泥砂漿的儲(chǔ)熱能力.

圖3 儲(chǔ)能砂漿的DSC 曲線Fig.3 DSC curves of energy storage mortars

2.3 熱穩(wěn)定性

圖4 為MPCM、水泥砂漿和儲(chǔ)能砂漿的熱重曲線.由圖4 可見：MPCM 在200 ℃左右開始產(chǎn)生明顯的失重現(xiàn)象，500 ℃時(shí)其質(zhì)量剩余約為初始質(zhì)量的5%；水泥砂漿的熱穩(wěn)定性最好，熱失重很小，500 ℃時(shí)其質(zhì)量剩余約為初始質(zhì)量的95%；溫度低于100 ℃時(shí)，儲(chǔ)能砂漿的熱重曲線與水泥砂漿的熱重曲線重合，熱穩(wěn)定性非常好，100 ℃時(shí)僅有部分水分的散失，其質(zhì)量剩余約為初始質(zhì)量的99%；在100～500 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，由于部分MPCM 發(fā)生熱分解，儲(chǔ)能砂漿的熱穩(wěn)定性逐漸下降，500 ℃時(shí)其質(zhì)量剩余約為初始質(zhì)量的94%.

圖4 MPCM、水泥砂漿和儲(chǔ)能砂漿的熱重曲線Fig.4 TG curves of MPCM，cement mortar and energy storage mortar

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)

圖5 為不同溫度下MPCM 含量對儲(chǔ)能砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響，其中20 ℃時(shí)MPCM 為固態(tài)，40 ℃時(shí)MPCM 為液態(tài).由圖5 可見：相同溫度條件下，儲(chǔ)能砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)隨著MPCM 含量的增加而降低，這主要是由于固態(tài)MPCM 和液態(tài)MPCM 的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.314 W/（m·K）和0.206 W/（m·K），水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)為0.912 W/（m·K），前者遠(yuǎn)低于后者，當(dāng)MPCM 含量不斷增加時(shí)，儲(chǔ)能砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，且儲(chǔ)能砂漿表觀密度降低和孔隙率增加也可能導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)降低［18］；由于MPCM 由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)降低［19-20］，儲(chǔ)能砂漿芯材為固態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)大于其為液態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；當(dāng)MPCM含量由5%增加到20%時(shí)，儲(chǔ)能砂漿芯材為固態(tài)和液態(tài)時(shí)，它們之間導(dǎo)熱系數(shù)的差異從0.03 W/（m·K）逐漸增大到0.09 W/（m·K）.

圖5 不同溫度下MPCM 含量對儲(chǔ)能砂漿導(dǎo)熱系數(shù)的影響Fig.5 Effect of MPCM content on thermal conductivities of energy storage mortars at various temperatures

2.5 儲(chǔ)熱/放熱性能

圖6 為水泥砂漿和儲(chǔ)能砂漿內(nèi)表面溫度隨時(shí)間的變化曲線，A點(diǎn)表示水泥砂漿的內(nèi)表面峰值溫度與對應(yīng)的時(shí)間，B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)和E點(diǎn)分別表示MPCM含量為5%、10%、15%和20%的儲(chǔ)能砂漿的內(nèi)表面峰值溫度與對應(yīng)的時(shí)間.由圖6 可見：儲(chǔ)能砂漿的升溫/降溫速率比水泥砂漿小，且隨MPCM 含量的增加逐漸減小，表明MPCM 可提高砂漿的熱慣性，因而對儲(chǔ)能砂漿的儲(chǔ)熱/放熱能力有顯著影響；MPCM含量為5%、10%、15%和20%的儲(chǔ)能砂漿的內(nèi)表面峰值溫度分別為37.5、37.2、36.5、35.7 ℃，較水泥砂漿的內(nèi)表面峰值溫度（38.8 ℃）依次降低1.3、1.6、2.3、3.1 ℃，這是由于儲(chǔ)能砂漿中的MPCM 在相變過程中吸收相變潛熱，MPCM 含量越大的儲(chǔ)能砂漿吸收的相變潛熱越多，其表面峰值溫度降低越明顯，表明MPCM 具有儲(chǔ)熱和調(diào)溫能力；MPCM 含量為5%、10%、15%和20%的儲(chǔ)能砂漿達(dá)到峰值溫度的時(shí)間比水泥砂漿（38.5 min）分別滯后17.5、19.5、20.0、20.5 min，即儲(chǔ)能砂漿的溫度延遲時(shí)間隨著MPCM含量的增加而增加；降溫過程中，MPCM 逐漸釋放出升溫過程中所儲(chǔ)存的熱量，因而儲(chǔ)能砂漿的溫度下降速率比水泥砂漿緩慢，MPCM 比例越大的儲(chǔ)能砂漿，其溫度下降速率的減緩程度越明顯.

圖6 水泥砂漿和儲(chǔ)能砂漿內(nèi)表面溫度隨時(shí)間的變化Fig.6 Variations of temperatures of inner surface of cement mortar and energy storage mortars with time

圖7 為升溫過程中水泥砂漿和儲(chǔ)能砂漿內(nèi)表面的紅外熱像圖.由圖7 可見：與水泥砂漿相比，儲(chǔ)能砂漿的內(nèi)表面溫度始終較低，溫升慢，溫度變化有所延遲；與水泥砂漿相比，儲(chǔ)能砂漿的溫升不明顯，這是由于水泥砂漿的溫度變化僅取決于其顯熱，而儲(chǔ)能砂漿的溫度變化除了取決于水泥砂漿的顯熱外，還與MPCM 達(dá)到其熔點(diǎn)發(fā)生相變的相變潛熱相關(guān)；儲(chǔ)能砂漿內(nèi)表面的終溫隨著MPCM 含量的增加而降低，表明其熱慣性變大，具有良好的儲(chǔ)能調(diào)溫能力.

圖7 升溫過程中水泥砂漿和儲(chǔ)能砂漿內(nèi)表面的紅外熱像圖Fig.7 Infrared thermography images of inner surface of cement mortar and energy storage mortars during heating process

2.6 力學(xué)性能

圖8 為不同溫度下MPCM 含量對儲(chǔ)能砂漿抗壓強(qiáng)度的影響.由圖8 可見：相同溫度條件下，儲(chǔ)能砂漿的抗壓強(qiáng)度低于水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度，且隨MPCM含量的增加而降低；MPCM 的抗壓強(qiáng)度僅為3.0 MPa，當(dāng)其分布在水泥砂漿內(nèi)部時(shí)會(huì)弱化骨料的支撐作用，同時(shí)MPCM 與水泥砂漿基體結(jié)合面之間的孔隙以及MPCM 的受力破壞都可能導(dǎo)致儲(chǔ)能砂漿抗壓強(qiáng)度的降低；儲(chǔ)能砂漿的抗壓強(qiáng)度在不同溫度條件下保持不變，表明MPCM 芯材在固態(tài)和液態(tài)之間的相變對其沒有影響.

圖8 不同溫度下MPCM 含量對儲(chǔ)能砂漿抗壓強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of MPCM content on the compressive strengths of energy storage mortars at various temperatures

28 d 齡期時(shí)，MPCM15 和MPCM20 儲(chǔ)能砂漿的抗壓強(qiáng)度分別為11.2 MPa 和9.3 MPa，根據(jù)GB50574—2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》和JC/T 2338—2015《建筑儲(chǔ)能調(diào)溫砂漿》的規(guī)定，MPCM15 用作采暖地區(qū)外墻抹灰砂漿，MPCM20 用作內(nèi)墻抹灰砂漿和非采暖地區(qū)外墻抹灰砂漿，完全滿足建筑應(yīng)用的強(qiáng)度性能要求.

3 結(jié)論

（1）儲(chǔ)能砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)隨著MPCM 含量的增加而降低.儲(chǔ)能砂漿芯材為固態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)大于其為液態(tài)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù).

（2）儲(chǔ)能砂漿的儲(chǔ)熱性能隨著MPCM 含量的增加而增 加 .MPCM5、MPCM10、MPCM15 和MPCM20 儲(chǔ)能砂漿內(nèi)表面峰值溫度較水泥砂漿依次降低1.3、1.6、2.3、3.1 ℃，達(dá)到峰值溫度的時(shí)間比水泥砂漿分別延遲17.5、19.5、20.0、20.5 min.

（3）儲(chǔ)能砂漿的抗壓強(qiáng)度隨MPCM 含量的增加而降低.MPCM15 和MPCM20 儲(chǔ)能砂漿的抗壓強(qiáng)度分別 為11.2 MPa 和9.3 MPa，MPCM15 用 作采暖地區(qū)外墻抹灰砂漿，MPCM20 用作內(nèi)墻抹灰砂漿和非采暖地區(qū)外墻抹灰砂漿，完全滿足建筑應(yīng)用的強(qiáng)度性能要求.