新型相變儲(chǔ)能砂漿的制備和建筑力學(xué)性能研究

劉 釗

（黃河交通學(xué)院交通工程學(xué)院，河南 焦作 454950）

建筑能耗占我國(guó)總能耗的40%以上，因此節(jié)能與安全是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問(wèn)題。相變儲(chǔ)能技術(shù)作為一種新型的綠色節(jié)能建筑材料，具有顯著的節(jié)能效果和良好的熱穩(wěn)定性，是一種極具應(yīng)用前景的新型綠色材料。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相變儲(chǔ)能材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，但對(duì)相變儲(chǔ)能材料和砂漿結(jié)合性能方面尚未得到足夠的了解。傳統(tǒng)砂漿具有一定的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的強(qiáng)度等級(jí)，但是其較低的強(qiáng)度無(wú)法滿足現(xiàn)行建筑工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中所要求的強(qiáng)度等級(jí)。本研究擬研究相變儲(chǔ)能砂漿代替?zhèn)鹘y(tǒng)干混砂漿，既能滿足使用中的力學(xué)性能要求又能有效降低建筑能耗。

1 傳統(tǒng)建筑材料與新型相變儲(chǔ)能材料的區(qū)別

1.1 傳統(tǒng)建筑材料的不足

近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑業(yè)的飛速發(fā)展，建筑物數(shù)量不斷增加。住房環(huán)境問(wèn)題的加劇，導(dǎo)致建筑的安全性問(wèn)題得到了重視。為了防止建筑物在早期被破壞，提高建筑物使用壽命，除了加強(qiáng)施工管控質(zhì)量、確保后期進(jìn)行合理養(yǎng)護(hù)及提高基建質(zhì)量外，也對(duì)建筑材料提出了更高的要求。傳統(tǒng)的建筑工程材料主要包括水泥、石子、砂等，這些建筑材料各有特點(diǎn)。首先，水泥是一種無(wú)機(jī)物，它具有很多種優(yōu)良的性能：比如強(qiáng)度高、風(fēng)干速度快、耐久性好、耐腐蝕性強(qiáng)、可塑性強(qiáng)等多種特性，因此用它制成了許多商品和建筑材料，并且可以制成混凝土和砂漿。其次，砂漿在建筑工程中有廣泛應(yīng)用：用來(lái)砌筑砂漿、抹灰及鋪貼地面、墻面基層等。但是傳統(tǒng)砂漿在結(jié)構(gòu)工程中存在著一些不足，主要表現(xiàn)在：強(qiáng)度低、耐久性差、易產(chǎn)生裂紋和空鼓、受溫度變化影響大、容易受外力作用損壞。隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步，對(duì)傳統(tǒng)砂漿也提出了更高的要求。新型建材行業(yè)需要不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，以滿足社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的需求。

1.2 新型相變儲(chǔ)能砂漿材料的優(yōu)勢(shì)

由于相變儲(chǔ)能砂漿材料具有許多優(yōu)異的性能，因此近年來(lái)研究者們也開(kāi)始關(guān)注該新型建筑材料在建筑工程中的應(yīng)用。有學(xué)者提出了多種不同形式的相變儲(chǔ)能砂漿材料。此外，還有學(xué)者對(duì)聚合物砂漿進(jìn)行了相關(guān)研究和應(yīng)用。采用相變儲(chǔ)能技術(shù)制備復(fù)合改性砂漿材料并結(jié)合現(xiàn)有研究成果對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試與研究，主要內(nèi)容包括：新型復(fù)合相變儲(chǔ)能砂漿配合比設(shè)計(jì)、熱物性參數(shù)測(cè)量、相變儲(chǔ)能砂漿抗壓強(qiáng)度測(cè)試、抗凍性能和拉伸強(qiáng)度測(cè)試、抗折強(qiáng)度測(cè)試。同時(shí)，還對(duì)多種不同類(lèi)型相變材料或復(fù)合相變材料進(jìn)行了研究和試驗(yàn)。相變材料是一種由熱力學(xué)參數(shù)的可逆變化而引起的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)、物理、電和力學(xué)的性質(zhì)變化，從而達(dá)到控制能量或熱能釋放的目的。相變儲(chǔ)熱作為一種能量存儲(chǔ)形式，可以提高建筑物供暖或制冷時(shí)的效率。由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，相變材料在建筑領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 新型相變儲(chǔ)能砂漿在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 建筑力學(xué)方面的應(yīng)用

水泥砂漿在建筑領(lǐng)域有兩個(gè)種類(lèi)的應(yīng)用，一種是堆砌建筑墻體，例如作為磚頭、紅磚之間的粘合劑，使得墻面融為一體，更加堅(jiān)固；另一種則是作為室外建筑外墻的涂抹材料，將墻面抹齊抹平整，更加美觀。因此不管是哪種用途，水泥砂漿都是建筑施工過(guò)程中不可或缺的一種建筑材料。而且不管是那種用途，都對(duì)新型相變儲(chǔ)能砂漿的力學(xué)性能有需求，這也變相強(qiáng)調(diào)了新型相變儲(chǔ)能砂漿不僅要保證本身的控溫儲(chǔ)能作用，還要保證一定的力學(xué)性能。研究相變儲(chǔ)能砂漿的制備和建筑力學(xué)內(nèi)容，還可以進(jìn)一步改善我國(guó)能源需求較大但是供給不足的現(xiàn)狀。隨著不可再生資源的逐步消耗，能源緊缺的概況逐漸嚴(yán)峻，其中大部分的能源消耗在建筑工程方面，建筑的大部分消耗主要在發(fā)熱采暖方面，因此造成了這類(lèi)情況的發(fā)生。但是當(dāng)代建筑要求中對(duì)于建筑的抗震性能與日俱增，尤其是以磚為材料結(jié)構(gòu)的建筑物，主要的承重抗震結(jié)構(gòu)就是磚墻，水泥砂漿則是磚墻中重要的粘合劑，水泥砂漿的抗震性和堅(jiān)固性很大程度上決定了墻體的承重性能。因此新型相變儲(chǔ)能砂漿的力學(xué)性能應(yīng)作為我們研究的重點(diǎn)。

2.2 建筑節(jié)能方面的應(yīng)用

在建筑節(jié)能中，水泥基材料的能耗占比是最大的?；炷烈蚱淞己玫谋?、隔熱和防水性能，已經(jīng)成為建筑節(jié)能中應(yīng)用最為廣泛、使用量最大的主體材料。但混凝土作為熱工建筑材料，具有熱容大、收縮小、體積穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。而相變儲(chǔ)能砂漿是利用石蠟衍生物進(jìn)行相變儲(chǔ)能反應(yīng)而形成的相轉(zhuǎn)變溫度為55℃左右的砂漿。由于石蠟系漿料中石蠟成分含量較高，故該技術(shù)具有綠色環(huán)保、節(jié)能減排和成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前已在墻體保溫、門(mén)窗密封以及防水等方面取得了良好的應(yīng)用效果。傳統(tǒng)砂漿在使用過(guò)程中存在體積穩(wěn)定性差、收縮大等問(wèn)題，而以石蠟為代表的熱傳導(dǎo)性較強(qiáng)的相變儲(chǔ)能材料不會(huì)與砂漿中的水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，所以砂漿在使用過(guò)程中不存在體積穩(wěn)定性問(wèn)題。以水、石蠟溶液為基礎(chǔ)液，用適當(dāng)比例制備成保溫涂料或作為粘結(jié)劑制備成保溫節(jié)能砂漿料時(shí)，能有效提高水泥基材料導(dǎo)熱系數(shù)，降低收縮率。降低收縮率能夠明顯改善其體積穩(wěn)定性和抗裂性能。相變儲(chǔ)能砂漿的熱穩(wěn)定性好，能夠長(zhǎng)期保持原有性能。

3 新型相變儲(chǔ)能材料對(duì)建筑力學(xué)性能的提升

3.1 新型相變儲(chǔ)能砂漿的制備

新型相變材料與建筑材料結(jié)合時(shí)，因?yàn)閮煞N材料之間存在的差別，會(huì)產(chǎn)生與本體相脫離等問(wèn)題。因此相變儲(chǔ)能應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題是如何將相變材料與建材建筑材料復(fù)合。相變儲(chǔ)能砂漿是相變材料中的一種，它是由相變材料和灰泥或者砂漿融合在一起攪拌而成，本身具有儲(chǔ)蓄能量的功能，因此保溫效果也非常好，冬季可以保溫，夏季可以制冷。在新型相變儲(chǔ)能砂漿的制備過(guò)程中，相變石蠟的低熱導(dǎo)率和低強(qiáng)度，使得它難以在建筑中直接使用，將相變石蠟與水泥基材料復(fù)合，是實(shí)現(xiàn)其在建筑工程中應(yīng)用的有效途徑。相變儲(chǔ)能砂漿可以用于制作相變儲(chǔ)能墻板，該墻板儲(chǔ)熱能力較強(qiáng)，能夠根據(jù)相變儲(chǔ)能材料變化準(zhǔn)確掌握和調(diào)控儲(chǔ)存熱量，相變儲(chǔ)能墻板既能提升建筑房屋舒適度又能對(duì)房屋溫度做出科學(xué)把控。該砂漿通常用于裝飾房屋的內(nèi)墻和適當(dāng)?shù)乜刂剖覂?nèi)溫度。這樣的新型相變儲(chǔ)能砂漿不僅可以提升住宅建筑的舒適度和力學(xué)性能，還可以降低能源消耗，節(jié)約資源，一舉兩得。

3.2 新型相變儲(chǔ)能砂漿的力學(xué)性能

相變儲(chǔ)能材料在建筑圍護(hù)中應(yīng)用較多，相變儲(chǔ)能墻板是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性新材料，它以相變材料為主，所以可以按建材基體不同分為如下三類(lèi)：一是相變蓄能混凝土，以混凝土為主要基礎(chǔ)材料，一般起到穩(wěn)定建筑物外墻的作用；二是相變儲(chǔ)能石膏板采用石膏板作為主要原料，可以應(yīng)用于建筑物外墻內(nèi)壁上，可以在保證建筑物有舒適感前提下，有效保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性；三是高效節(jié)能的建筑保溫隔熱材料。在建筑建材領(lǐng)域可以應(yīng)用相變儲(chǔ)能材料作為新型建筑板材，由墻和樓板構(gòu)成承重體系的房屋墻板結(jié)構(gòu)，一般是用樓板和預(yù)制混凝土墻板拼裝而成，大多使用于學(xué)校、住宅、公寓、辦公樓等公共建筑。既能節(jié)約能源，又可以減輕墻體坍塌造成的損傷。液體狀態(tài)下新型相變儲(chǔ)能砂漿面臨承載力降低的問(wèn)題，不利于建筑結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的提升。因此應(yīng)該著重研究與水泥基體有著良好界面兼容性的定形相變材料的制備，通過(guò)強(qiáng)化新型相變儲(chǔ)能砂漿與建筑水泥的結(jié)合，從而達(dá)到提升相變儲(chǔ)能砂漿力學(xué)性能的目的。

近年來(lái)建筑行業(yè)不斷發(fā)展，帶來(lái)的了一系列能源損耗問(wèn)題，造成了生態(tài)環(huán)境的破壞。降低能源消耗，減少環(huán)境污染，增強(qiáng)承重能力，保護(hù)人身財(cái)產(chǎn)安全，推動(dòng)建筑行業(yè)的和諧發(fā)展成為新的目標(biāo)。未來(lái)應(yīng)加大新型儲(chǔ)能材料的研究力度，開(kāi)發(fā)更為優(yōu)良的新型材料，給建筑工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域提供更為多樣性的選擇，提高相變儲(chǔ)能材料在建筑工程設(shè)計(jì)中的全方位應(yīng)用。