建筑用相變儲能混凝土的材料制備和力學(xué)性能

王 正 一

（鄭州信息科技職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

近年來，隨著全球經(jīng)濟發(fā)展程度和科技發(fā)展實力的逐漸提高，社會能源的整體消耗水平不斷攀升，這一方面歸結(jié)于日益增長的公眾生活質(zhì)量需求，另一方面與基礎(chǔ)建設(shè)、基礎(chǔ)建筑的能源消耗有著密不可分的關(guān)系。在我國，建筑建材領(lǐng)域的能源消耗約占到整體消耗量的30%，且隨著各地基建需求的不斷上升，該趨勢還將進一步提高。巨大的能源消耗給我國社會的資源管理控制和生態(tài)環(huán)境保護工作帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，如不可再生資源保有量低、自然生態(tài)環(huán)境破壞等問題均在當(dāng)下的社會中顯得尤為突出。由此，進一步倡導(dǎo)節(jié)能降耗生產(chǎn)，推動環(huán)境保護工作，并不斷地研發(fā)新興節(jié)能技術(shù)已然成為當(dāng)下時代發(fā)展的迫切要求。

鑒于此，本文著眼于建筑過程中新興建筑建材的研發(fā)工作，探討了建筑用相變儲能混凝土材料在實際工程任務(wù)中的應(yīng)用潛力與應(yīng)用效果，并就材料的制備過程與工藝和材料的力學(xué)性能分析工作進行重點研究，這將為我國建筑領(lǐng)域的長期可持續(xù)發(fā)展提供參考與指導(dǎo)。

1 相變儲能材料的基礎(chǔ)理論概要

了解相變儲能材料的基本性質(zhì)、原理及分類是將該類材料應(yīng)用在建筑行業(yè)的重要步驟，其不但能夠幫助一般工程人員快速認(rèn)識該類材料的應(yīng)用場景，而且在實際應(yīng)用過程中具有一定的輔助性作用。通過了解與掌握相變儲能材料應(yīng)用領(lǐng)域的基礎(chǔ)概要知識，科研人員能夠更好地打牢知識基礎(chǔ)，而工程人員則能夠充分解決實際施工過程中的各類問題。

1.1 相變儲能材料的基本特質(zhì)

相變儲能材料（phase change material,PCM）是一種材料物質(zhì)狀態(tài)能夠隨溫度的變化而變化，進而提供潛熱或熱能的特殊材料物質(zhì)。通過相變過程，該類材料能夠自動地吸收、存儲或釋放能量。同時，在相變儲能材料的形態(tài)變化過程中，材料自身的溫度不會隨著環(huán)境溫度差異而發(fā)生變化，且材料發(fā)生形態(tài)改變時的溫度稱之為相變溫度，釋放的能量稱之為相變潛熱。

1.2 相變儲能材料的節(jié)能原理

得益于相變儲能材料的自身特性，該類材料具有優(yōu)異的節(jié)能效果。例如，固-液相變儲能材料是一種較為常見的相變材料，當(dāng)外界環(huán)境溫度超過該類材料的相變溫度時，材料將吸收外界環(huán)境熱量，并將其以潛熱能的形式存儲在材料內(nèi)部，且物質(zhì)的形態(tài)也將由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。隨后，在外界環(huán)境低于相變溫度時，材料則將內(nèi)部潛熱加以釋放，即相變循環(huán)過程實現(xiàn)了能量從吸收到存儲再到釋放的自然循環(huán)，不僅有效地控制了外界環(huán)境溫度，而且對外部能量進行了很好的存儲與利用。

1.3 相變儲能材料的基本分類

現(xiàn)階段，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可作為相變儲能材料的物質(zhì)多達兩萬余種，而這之中實際投入生產(chǎn)使用的卻僅在少數(shù)?？v觀市場現(xiàn)況，相變儲能材料多分為有機相變儲能材料、無機相變儲能材料和復(fù)合相變儲能材料三大類。其中，有機相變儲能材料主要指脂肪酸、石蠟多元醇等多種有機高分子材料；無機相變儲能材料主要指各類無機水合鹽及金屬材料；復(fù)合相變儲能材料則是由兩種或多種單一相變儲能材料復(fù)合而成，主要用于彌補單一材料應(yīng)用過程中的部分性能缺陷。

2 建筑用相變儲能混凝土的材料制備方法

相變儲能混凝土材料的制備工藝主要依靠兩類材料的混合來實現(xiàn)，而良好的結(jié)合方法能夠?qū)⒉牧系膬δ苄Ч畲蠡?，進而更好地適配于建筑工程任務(wù)。目前，常用的建筑用相變儲能混凝土的制備工藝包括浸泡制備法、直接混合制備法、微膠囊制備法和多孔介質(zhì)吸附制備法四種。

（1）建筑用相變儲能混凝土材料的浸泡制備法：在浸泡法制備工藝中，材料制作人員通過將液體狀態(tài)下的相變儲能材料與建筑混凝土進行融合，繼而使液體的相變材料充分集中在建筑基材的空隙之中，并利用混凝土材料分子之間的范德華力來吸附液體相變材料。整體而言，該制作方法相對簡便，能夠按照具體的建筑任務(wù)需求進行靈活配置，且生產(chǎn)出的相變儲能混凝土材料分布較為均勻。同時，浸泡制備方法有著制作效率高、制作速度快等明顯優(yōu)勢，這在建筑需求飛速攀升的當(dāng)下社會有著極其重要的應(yīng)用意義。

（2）建筑用相變儲能混凝土材料的直接混合制備法：直接混合制備是一種最為簡單的材料制作方法，其主要按照質(zhì)量配比或材料需求直接將相變材料與混凝土建材進行混合，該方法可以迅速地將傳統(tǒng)混凝土材料進行改性，并按照建筑需求制備出各種尺寸、形狀的相變儲能混凝土材料。然而，在實際的工程應(yīng)用過程中，材料在相變溫度臨界點的附近具有分子擴散遷移現(xiàn)象，即相變材料易與混凝土建材分離，從而導(dǎo)致滲出現(xiàn)象，這在一定程度上影響了材料的使用壽命。

（3）建筑用相變儲能混凝土材料的微膠囊制備法：在建筑用相變儲能混凝土材料的制備過程中，微膠囊制備法是一種重要的材料封裝方法，該方法采用某種特定的包覆膜將生產(chǎn)材料進行包裹，并在表面形成微小粒子層。在實際的應(yīng)用過程中，當(dāng)外界環(huán)境溫度上升時，相變儲能混凝土將進行能量的吸收或釋放，但該過程不會改變外部用以封裝相變材料的高分子膜，從而避免了直接混合制備法面臨的泄漏或分離問題。

（4）建筑用相變儲能混凝土材料的多孔介質(zhì)吸附制備法：多孔介質(zhì)吸附制備法是一種新興的相變儲能混凝土制備方法，其通過使用比面積、孔隙率較大的多孔材料作為吸附截止，利用分子間的范德華力、離子濃度差、電場作用等特點將相變儲能材料吸附至多孔介質(zhì)內(nèi)部，以制備出優(yōu)質(zhì)的定形相變材料。整體而言，該制作方法具有減少相變儲能材料泄漏風(fēng)險，操作簡便、性價比高等多種應(yīng)用優(yōu)勢，因此在現(xiàn)階段的混凝土建材生產(chǎn)中廣為利用。

3 建筑用相變儲能混凝土的材料力學(xué)性能

將相變儲能材料與混凝土建筑基材進行混合后，材料的力學(xué)性能會發(fā)生一定變化。具體而言，相較于普通混凝土材料，相變儲能混凝土的強度相對較低，且不同類型的混合相變材料對混凝土本身的強度影響狀況也具有一定差異。不同的相變儲能混凝土制作方法也會對混凝土產(chǎn)生影響，浸泡制備法和直接混合制備法對混凝土本身的抗壓強度和抗拉強度影響更大，而微膠囊制備法和多孔介質(zhì)吸附制備法對混凝土本身的力學(xué)性能影響則相對更小，該結(jié)果對相變儲能混凝土的實際建筑工程應(yīng)用具有較強的指導(dǎo)意義，且能夠快速輔佐不同場景、不同地域、不同建筑需求下的相變儲能混凝土的制作過程。因此，在現(xiàn)階段的建筑工程施工過程中，建筑設(shè)計人員會首先根據(jù)建筑的具體需求進行材料選擇，并通過材料的對比試驗、材料的性能檢驗以及材料的應(yīng)用效果評估等手段來決定最終所使用的相變儲能材料。在實際的建設(shè)與建筑施工階段，建筑工人會使用預(yù)先決策好的相變材料制備方法來制備建筑材料，或在現(xiàn)有建筑材料中添加相變元素成分，以實現(xiàn)現(xiàn)有材料的性能升級。最終，在建筑交付及后期使用階段，相關(guān)質(zhì)檢人員還會逐年對建筑的安全性能、材料使用狀態(tài)等方面進行檢測與監(jiān)測，以防止后續(xù)安全事故的發(fā)生。通過以上材料應(yīng)用流程，相變儲能混凝土材料在建筑領(lǐng)域得到了極大的關(guān)注。

綜上，相變儲能材料是現(xiàn)階段材料市場中一類極具應(yīng)用潛力和市場前景的新型原材料，在建筑行業(yè)的實際工程任務(wù)中有著廣闊的應(yīng)用前景。通過對建筑用相變儲能混凝土材料的制備工藝和力學(xué)性能進行分析，工程人員將更清晰地了解該類材料在實際建筑工作中的應(yīng)用范疇與適用場景，且解決部分工程業(yè)務(wù)問題，這對于建筑領(lǐng)域的實踐過程而言意義重大。盡管現(xiàn)有研究人員已經(jīng)就建筑用相變儲能混凝土材料的種類、制作、特點、性能等方面進行了充分研究，但大多數(shù)工作仍處于實驗階段，缺乏一定的實踐應(yīng)用為參考，且相變儲能材料在復(fù)雜建筑場景下的應(yīng)用效果亦有待考證，而這些方面也是未來科研人員及工程技術(shù)人員的重點研究方向。