添加石蠟的復(fù)合充填材料熱學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究★

張小艷 王 杰 韓子怡 馮云豪 李世芳

(西安科技大學(xué)能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

1 概述

目前我國(guó)面臨深部開(kāi)采的礦山約占全國(guó)礦山總數(shù)的90%，高地應(yīng)力造成的安全問(wèn)題、高地溫帶來(lái)的熱害問(wèn)題日益成為制約深部礦床有效開(kāi)采的重要因素。充填采礦法是控制地壓、控制圍巖崩落和地表移動(dòng)的有效措施，如果在充填材料中添加部分蓄熱材料，則可以利用其蓄熱性能吸收圍巖及采場(chǎng)風(fēng)流熱量進(jìn)行蓄熱，為地?zé)岬挠行ч_(kāi)采提供便利條件，在吸收地?zé)嵬瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)降溫，所以，添加蓄熱材料的充填體熱學(xué)性能研究成為充填采礦—地?zé)衢_(kāi)采—采場(chǎng)降溫的關(guān)鍵所在。

建筑行業(yè)通過(guò)在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中添加相變蓄熱材料，來(lái)改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱特性[1]，于瑞文等[2]對(duì)復(fù)合相變蓄熱墻體的傳熱特性、傳熱機(jī)理、熱物性參數(shù)進(jìn)行研究。Hawes等[3]以添加多種復(fù)合相變材料的不同類型的混凝土為研究對(duì)象，就其儲(chǔ)熱特性進(jìn)行了研究。吳曉東[4]把無(wú)機(jī)復(fù)合相變儲(chǔ)能材料封裝在膨脹珍珠巖中，制成相變建筑墻體并測(cè)量其節(jié)能效果。Silva等[5]和Alawadhi[6]研究了在多孔磚孔洞內(nèi)充注相變材料后的熱性能。王宏麗[7]選用石蠟與硬脂酸正丁酯制備復(fù)合相變材料，并與建筑材料混合得到砌塊，對(duì)比普通砌塊溫室與相變材料砌塊溫室的溫度分布。戰(zhàn)偉[8]對(duì)摻加了微膠囊相變材料的混凝土試件的力學(xué)和熱學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)不同相變材料摻量試件的抗壓強(qiáng)度和熱工性能進(jìn)行分析比較。

本研究以某鐵礦尾砂添加水泥作為基本充填材料，灰砂比1∶6，然后以相變溫度30 ℃的石蠟微膠囊作為蓄熱材料部分替代尾砂制備蓄熱充填料漿，固化形成蓄熱充填體，對(duì)不同料漿濃度、不同石蠟添加比例的蓄熱充填體的熱學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，為充填料漿的配比優(yōu)化、充填體蓄熱釋熱特性研究等提供理論參考。

2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

本研究在充填材料中分別加入0%,5%,10%的石蠟微膠囊部分替換尾砂，并在充填料漿68%,70%,72%的濃度下，制備蓄熱充填體試件，實(shí)驗(yàn)配比方案如表1所示，試件制備流程如圖1所示。物料先按預(yù)先設(shè)計(jì)的灰砂比(1∶6)以及石蠟添加量進(jìn)行配比并混合攪拌均勻，再按比例加水?dāng)嚢柚苽錆舛确謩e為68%,70%,72%的充填料漿，然后將充填料漿注入模具，待試件初步自立后，脫模并將試件放入溫度為20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度為95%以上的HWS-80型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

為了測(cè)試蓄熱充填體的熱學(xué)性能參數(shù)，取養(yǎng)護(hù)28 d的試件為研究對(duì)象，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)定：采用型號(hào)Q2000的DSC測(cè)試儀，在石蠟的相變溫度前后取點(diǎn)，分別測(cè)試試件在對(duì)應(yīng)溫度下的定壓比熱容和焓變。

表1 實(shí)驗(yàn)配比方案

3 蓄熱充填體的熱學(xué)性能分析

3.1 比熱容測(cè)試與分析

圖2所示為石蠟添加比例一定時(shí)，不同料漿濃度下充填體試件的定壓比熱容隨溫度的變化情況，圖示表明：石蠟添加比例一定時(shí)，一定溫度下充填體試件的定壓比熱容隨料漿濃度的增大而增大。相變溫度30 ℃，石蠟添加量為5%，料漿濃度從68%增加到72%時(shí)，定壓比熱容Cp增加了3.6%。原因分析：相同石蠟添加量時(shí)，料漿濃度越大，充填材料結(jié)構(gòu)更致密，其孔隙率減小，孔隙內(nèi)存在的空氣也相應(yīng)減小，因此比熱容越大。

圖3所示為充填料漿濃度一定時(shí)，不同石蠟添加量下充填材料定壓比熱容隨溫度的變化情況。圖示表明：料漿濃度為定值時(shí)，定壓比熱容隨石蠟添加量的增加而增大。相變溫度30 ℃，當(dāng)石蠟添加比例從0%增大到10%時(shí)，對(duì)于70%的料漿濃度，定壓比熱容從1.126 J/(kg·℃)增大到1.234 J/(kg·℃)，增加了約9.6%，在相變溫度前后其他溫度點(diǎn)處，石蠟添加量對(duì)比熱容的影響存在類似的變化規(guī)律，可見(jiàn)石蠟的添加能較大幅度的增強(qiáng)充填體的顯熱蓄熱能力。

3.2 比焓測(cè)試與分析

圖4所示為料漿濃度72%，石蠟添加比例依次為0%,5%,10%時(shí)，蓄熱充填體試件的熔解熱，圖示表明：熔解熱隨石蠟添加量的增加而明顯增大。料漿濃度為72%，石蠟添加比例依次為0%,5%,10%時(shí)，熔解熱分別為61.1 J/g,66.5 J/g,75.77 J/g，石蠟添加比例為5%,10%的充填體試件較不添加石蠟時(shí)熔解熱分別增大了約8.8%,24%。蓄熱充填材料在溫度30 ℃附近，熱流密度開(kāi)始出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，該點(diǎn)是相變轉(zhuǎn)變的溫度。

圖5所示為石蠟添加比例10%，料漿濃度依次為68%,70%,72%時(shí)，蓄熱充填體試件的熔解熱，圖示表明：熔解熱隨料漿濃度的增大而明顯增大，石蠟添加比例10%，料漿濃度依次為68%,70%,72%，熔解熱分別為46.36 J/g,62.5 J/g,75.77 J/g，料漿濃度為70%,72%的充填體試件較68%時(shí)熔解熱分別增大了約34.8%,63.4%。同樣在相變溫度30 ℃左右，熱流密度開(kāi)始出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

比焓測(cè)試與分析表明：石蠟添加比例和料漿濃度的增加均能增大充填材料的熔解熱，使充填體具有良好的潛熱蓄熱能力。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)添加石蠟微膠囊的相變蓄熱充填材料進(jìn)行熱學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析，得出的主要結(jié)論如下：

1)一定溫度下充填體試件的定壓比熱容隨料漿濃度的增大而增大，相變溫度30 ℃，石蠟添加量為5%，料漿濃度從68%增加到72%時(shí)，定壓比熱容Cp增加了約3.6%。定壓比熱容隨蓄熱材料添加量的增加而增大。相變溫度30 ℃，當(dāng)石蠟添加比例從0%增大到10%時(shí)，對(duì)于70%的料漿濃度，定壓比熱容從1.126 J/(kg·℃)增大到1.234 J/(kg·℃)，增加了約9.6%，可見(jiàn)石蠟的添加能較大幅度的增強(qiáng)充填體的顯熱蓄熱能力。

2)熔解熱隨石蠟添加量的增加而明顯增大，料漿濃度為72%，石蠟添加比例為5%,10%的充填體試件較不添加石蠟時(shí)熔解熱分別增大了約8.8%,24%。熔解熱隨料漿濃度的增大而明顯增大，石蠟添加比例10%，料漿濃度為70%，72%的充填體試件較68%時(shí)熔解熱分別增大了約34.8%,63.4%?？梢?jiàn)石蠟添加比例和料漿濃度的增加均能增大充填材料的熔解熱，使充填體具有良好的潛熱蓄熱能力。