復(fù)合相變材料在建筑混凝土中的應(yīng)用研究

劉虎

摘 要：為在建筑工程中切實(shí)有效的解決混凝土建筑耗能以及水熱化等問題。應(yīng)用復(fù)合相變材料改善了相變材料分散性差、易滲漏等缺陷，且同時具有較高的相變潛熱，將其應(yīng)用到建筑混凝土中，可以降低混凝土的水化熱和建筑能耗，通過對復(fù)合材料在建筑混凝土中的應(yīng)用進(jìn)行研究，將復(fù)合相變材料摻入混凝土制備了改性混凝土。結(jié)果表明，復(fù)合變相材料對混凝土水熱化性能、抗?jié)B性能、力學(xué)性能等產(chǎn)生影響，對于復(fù)合相變材料在建筑工程中的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：復(fù)合相變材料；建筑混凝土；應(yīng)用研究

中圖分類號：TU992

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）11-0073-04

Study on the application of composite phase change materials in building concrete

LIU Hu

（

Foshan Tiancheng Engineering Consulting Management Co.，Ltd.，F(xiàn)oshan 528000，Guangdong China

）

Abstract：In order to effectively solve the concrete building energy consumption and hydrothermal problems in construction engineering.The application of composite phase change materials in building concrete can improve the poor dispersion of phase change materials，easy leakage and other defects，and at the same time has a high latent heat of phase change，which can reduce the hydration heat of concrete and building energy consumption.By studying the application of composite materials in building concrete，modified concrete was prepared by adding composite phase change materials into concrete.The results showed that the composite phase change materials affected the hydrothermal properties，impermeability and mechanical properties of concrete，which was of great significance for the development and application of composite phase change materials in construction engineering.

Key words：composite phase change material;building concrete;application research

綠色節(jié)能是建筑領(lǐng)域一直以來的追求和發(fā)展方向。因此，具有儲能性能的混凝土材料的開發(fā)和研究是建筑領(lǐng)域中的重點(diǎn)研究內(nèi)容和研究目標(biāo)。相變材料是指在一定的溫度范圍內(nèi)，可以通過改變物質(zhì)狀態(tài)吸收或者釋放熱量，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的材料。在混凝土中摻入相變材料可以降低混凝土水化熱，達(dá)到控制混凝土溫度裂縫的效果，現(xiàn)階段的研究，已有兩萬多種相變材料被發(fā)現(xiàn)并使用，但是應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的相變材料卻少之又少。復(fù)合材料融合了有機(jī)材料和無機(jī)材料的優(yōu)點(diǎn)，同時又彌補(bǔ)了有機(jī)材料和無機(jī)材料的缺點(diǎn)，將其摻入混凝土材料中可以更好地改善混凝土的缺陷，增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)完整性和剛度，保障建筑的質(zhì)量和安全性［1-3］。

1 復(fù)合相變材料相關(guān)研究基礎(chǔ)

1.1 相變材料分類

以物質(zhì)組成為依據(jù)，可對相變材料作有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料與復(fù)合相變材料3種類型的劃分。

有機(jī)相變材料可進(jìn)一步被劃分為石蠟類材料與非石蠟類材料，優(yōu)點(diǎn)比較明顯，如相變潛熱大、無毒無害、不易發(fā)生物相分離等。不過，此類材料亦有缺點(diǎn)存在，包括易泄露、導(dǎo)熱率低、熱穩(wěn)定性不高等［4］。

無機(jī)相變材料主要指的是水與鹽、堿及堿土金屬的鹵化物等。分析無機(jī)相變材料的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)為單位儲熱能力強(qiáng)、阻燃性強(qiáng)以及價格低等，但受到自身易發(fā)生物相分離、腐蝕性強(qiáng)等不足的影響，無機(jī)相變材料的應(yīng)用并不是非常廣泛。

復(fù)合相變材料是對有機(jī)相變材料與無機(jī)相變材料進(jìn)行的復(fù)合，不僅同時具備兩類相變材料的優(yōu)點(diǎn)，還能優(yōu)化兩類材料的缺點(diǎn)，故而復(fù)合相變材料是目前研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)。

1.2 復(fù)合相變材料在建筑混凝土中的優(yōu)異性能與作用

（1）相變儲能混凝土熱工性能。對于混凝土而言，調(diào)溫蓄熱是其非常重要的一項(xiàng)功能，可通過熱工性能參數(shù)來體現(xiàn)。據(jù)報道，有學(xué)者以硬脂酸丁酯為相變材料，進(jìn)行相變活性炭骨料的制備，且將其添加至混凝土中，用以替代一些卵石，石墨則用于對一些河砂進(jìn)行替代，完成了對相變混凝土的制備。對溶膠-凝膠法加以運(yùn)用，進(jìn)行復(fù)合相變材料的制備，將其摻入混凝土中完成了對聚乙二醇相變儲能混凝土的制備，基于DSC方法表征相變混凝土熱性能，發(fā)現(xiàn)相較于普通混凝土而言，摻入6.7%復(fù)合相變材料的相變混凝土導(dǎo)熱性降低了35%，比熱容提高了62%，表觀密度在一定程度上有所減小;

（2）相變儲能混凝土力學(xué)性能。復(fù)合相變材料可以將混凝土的熱容加大，在很大程度上提升蓄熱能力，然而會在一定程度上損傷混凝土強(qiáng)度。如對多孔陶粒加以運(yùn)用，進(jìn)行相變骨料的制備，分別用石蠟、瀝青、環(huán)氧樹脂以及水泥凈漿執(zhí)行表層包覆處理，以此提升耐久性；同時，通過對一些原有骨料的替代，進(jìn)行相變混凝土的制備。相較于基準(zhǔn)樣而言，4種類型的相變混凝土均在一定程度上有所降低。利用真空吸附法制備石蠟/膨脹珍珠巖復(fù)合相變材料，對于石蠟而言，其最大起伏量高達(dá)300%。采用等體積替砂的辦法用復(fù)合相變材料制備相變混凝土，與替砂率的逐漸增大相伴隨，相變混凝土的強(qiáng)度呈現(xiàn)出逐漸降低之勢;

（3）相變儲能混凝土耐火性能。在高溫條件下，混凝土內(nèi)部會有一部分水分懲罰，骨料受熱膨脹，進(jìn)而加大內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致強(qiáng)度的大幅度降低。對相變材料所具有的相變吸能特點(diǎn)加以利用，將混凝土高溫條件下的升溫速率減慢，由此保證強(qiáng)度保持率是對耐火混凝土進(jìn)行研制的一個新思路。以SiCl4與NH4AL（SO4）·12H2O為主要原料，采用溶膠-凝膠法進(jìn)行復(fù)合相變材料的制備，用其替換部分砂，將相變儲能混凝土制備出來［5-7］。

1.3 復(fù)合相變材料在建筑混凝土中的選用與推廣方向

實(shí)際上，各類相變材料均有其優(yōu)缺點(diǎn)，為了讓相變材料在建筑混凝土中有更高的應(yīng)用價值，對其推廣方向進(jìn)行拓展，相變材料的混凝土的選用需要遵循以下準(zhǔn)則。

（1）物理性能。相平衡需要良好，蒸氣壓不宜過高，體積變化量應(yīng)比較小，不會有過冷與相分離等現(xiàn)象出現(xiàn);

（2）熱力學(xué)性能。相變溫度要適宜，相變潛熱與導(dǎo)熱率應(yīng)比較高;

（3）化學(xué)性能。要具備較好的化學(xué)穩(wěn)定性，不應(yīng)具有腐蝕性，避免混凝土使用壽命受到不利影響;

（4）技術(shù)性能。在大體積混凝土中對相變材料加以運(yùn)用，從技術(shù)方案上具有可行性、實(shí)用性與可靠性;

（5）經(jīng)濟(jì)性。對價格比較低的相變材料加以運(yùn)用，在混凝土中添加此類材料可對成本進(jìn)行控制。

與有機(jī)、無機(jī)相變材料相比較，復(fù)合相變材料有更加優(yōu)異的性能，對于混凝土溫度裂縫的控制更加有效［8］。當(dāng)前在建筑混凝土中應(yīng)用的相變材料以復(fù)合相變材料為主。

2 建筑混凝土應(yīng)用復(fù)合相變材料的實(shí)驗(yàn)分析——實(shí)驗(yàn)原料與材料制備

將無機(jī)癸酸作為無機(jī)載體，將有機(jī)相變材料有機(jī)膨潤土分散到無機(jī)材料中制備復(fù)合相變材料有機(jī)膨潤土-癸酸。該復(fù)合相變材料具有較高的傳熱性，將其摻入到混凝土中，當(dāng)在混凝土內(nèi)部水泥水化早期產(chǎn)生的熱量達(dá)到該復(fù)合相變材料的相變溫度時，發(fā)生相變，進(jìn)而吸收水泥早期水化過程中產(chǎn)生的熱量，進(jìn)一步控制混凝土內(nèi)部的溫度。

（1）實(shí)驗(yàn)原料。主要有癸酸、有機(jī)膨潤土、普通硅酸鹽水泥、水、S95礦粉、粉煤灰、細(xì)度模數(shù)為 2.3的中砂、5～40 mm 碎石、高效減水劑等；

（2）復(fù)合相變材料的制備。將適量的有機(jī)膨潤土置于真空烘箱中干燥24 h，按照癸酸和有機(jī)膨潤土質(zhì)量比為1∶2的比例混合，并在一定的溫度條件下進(jìn)行混合攪拌，并熔融處理6 h，使癸酸充分吸附到有機(jī)膨潤土中，由此制備得到復(fù)合相變材料［9］；

（3）改性混凝土的原料配比。為了能夠有效地體現(xiàn)復(fù)合變相材料的摻入對混凝土性能的影響，本文設(shè)計(jì)了對照實(shí)驗(yàn)，2種混凝土制備過程中的原料配比如表1所示。

3 建筑混凝土應(yīng)用復(fù)合相變材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 復(fù)合相變材料潛熱性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

差示掃描量熱（DSC）檢測結(jié)果，如圖1所示。

由圖1可知，復(fù)合相變材料的熔點(diǎn)較純癸酸有所降低，且通過數(shù)據(jù)可知，復(fù)合相變材料的相變潛熱平均為227 kJ/kg，比原相變潛熱提高了16.1%。由此得出，復(fù)合相變材料制備過程中，純癸酸進(jìn)入了有機(jī)膨潤土的孔隙中，使其相變潛熱提高［10］。

3.2 復(fù)合相變材料改性混凝土的熱工性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

混凝土試樣的比熱容曲線結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，實(shí)驗(yàn)組的比熱容相較于對照組有明顯的提高，說明復(fù)合相變材料的摻入提高了混凝土的比熱容，顯著提高了混凝土的蓄熱調(diào)溫的能力。實(shí)驗(yàn)中還對2個組混凝土試樣的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了檢測，通過檢測發(fā)現(xiàn)，對照組混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)值為0.869 W/（m·K），實(shí)驗(yàn)組混凝土樣品的導(dǎo)熱系數(shù)值為0.869 W/（m·K）。

3.3 復(fù)合相變材料改性混凝土的水熱化性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

混凝土樣品中心點(diǎn)位置溫度隨時間的變化曲線結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著時間的延長，對照組和實(shí)驗(yàn)組的混凝土樣中心位置的溫度呈逐漸上升的趨勢，表明水泥水化過程中產(chǎn)生的熱量逐漸增多，到達(dá)一定溫度范圍后，隨時間的延長混凝土中心位置的溫度逐漸下降。從圖3還可知，在一定時間范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組的溫度與對照組的溫度相比有明顯的降低，約降低4.5 ℃，即復(fù)合相變材料的摻入混凝土后使其在水泥水化過程中的水化熱降低，實(shí)現(xiàn)了一定的溫度控制［11-13］。

3.4 復(fù)合相變材料改性混凝土的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同齡期混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度結(jié)果如表2所示。

由表2可知，隨著混凝土齡期的延長，兩組混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。與對照組混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度相比，實(shí)驗(yàn)組混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度明顯降低。說明，復(fù)合相變材料的摻入降低了混凝土樣品的抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致其力學(xué)性能有所減弱。造成這種現(xiàn)象的原因可能是，復(fù)合相變材料與水泥等材料之間的界面較為薄弱，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低。因此，在對混凝土進(jìn)行改性過程中，需要控制合適的復(fù)合相變材料的摻入比例以保障其力學(xué)性能［14-15］。

3.5 復(fù)合相變材料改性混凝土的抗?jié)B性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，實(shí)驗(yàn)組樣品的電通量相較于對照組樣品的電通量有所降低，但是二者相差不大。表明，復(fù)合相變材料的摻入對于混凝土的抗?jié)B性能影響不大。

4 結(jié)語

復(fù)合相變材料是由有機(jī)相變材料與無機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料與有機(jī)相變材料、無機(jī)相變材料與無機(jī)相變材料等復(fù)合而成的相變材料。在混凝土的制備過程中摻入復(fù)合相變材料，可以吸收水泥水化產(chǎn)生的熱量，從而減少由于水泥水化溫度過高而產(chǎn)生的溫度裂縫。復(fù)合相變材料相對于單一相變材料而言，具有不易泄露、腐蝕性較低、相變潛熱大、單位儲熱能力高等優(yōu)點(diǎn)，因此在混凝土中的應(yīng)用具有更大的優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合相變材料的摻入可以增大混凝土的比熱容，改善其水熱化性能，且不會對其抗?jié)B性能產(chǎn)生影響，能夠很好地適用于混凝土中。值得注意的是，復(fù)合相變材料的摻入會影響混凝土的力學(xué)性能，減小其抗壓強(qiáng)度；因此，在使用過程中需要控制其比例。

【參考文獻(xiàn)】

［1］ 胡志德，趙思勰，汪宏濤.復(fù)合相變材料在混凝土中的應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.硅酸鹽通報，2018，37（9）：2825-2829.

［2］ 廖則儒.相變材料的研究進(jìn)展及其在大體積混凝土中的應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究（電子版），2017（11）：276-278.

［3］ 周雙喜，榮茂閣，左晟，楊雷，鄭惠英，吳坤鑫，熊超琴，楊明.復(fù)合相變儲能材料在大體積混凝土中的控溫性能［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報，2013，30（4）：30-34.

［4］ 丁晗.適用于大體積混凝土控溫的復(fù)合相變材料的制備與性能研究［D］.舟山：浙江海洋大學(xué)，2019.

［5］ 涂航，張航，劉麗輝，李杰，孫小琴.相變混凝土墻體的傳熱性能研究［J］.儲能科學(xué)與技術(shù)，2021，10（1）：287-294.

［6］ 朱洪洲，陳瑞璞，茍珊，張新強(qiáng)，歐力.相變水泥混凝土的力學(xué)性能與低溫調(diào)溫性能［J］.硅酸鹽通報，2020，39（11）：3510-3514.

［7］ 周建庭，聶志新，郭增偉，楊娟，鄭忠.相變混凝土的制備與性能研究綜述［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，41（5）：588-595.

［8］ 王佩祥.無機(jī)水合鹽復(fù)合相變貯能混凝土的制備及性能研究［D］.南昌：江西理工大學(xué)，2020.

［9］ 程雨.相變材料在水工混凝土溫控中的試驗(yàn)研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2018.

［10］ 司亞余.活性炭儲能相變混凝土制備與力學(xué)性能試驗(yàn)研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2019.

［11］ 謝誠，張立.新型的氣凝膠建筑節(jié)能材料制備及性能［J］.粘接，2023，50（1）：66-69.

［12］ 鄭宣宣，岳耕，宋祥.復(fù)合相變建筑材料的制備以及性能研究［J］.化學(xué)工程師，2022，36（5）：83-86.

［13］ 魏寧，鐵生年.功能化碳納米纖維增強(qiáng)芒硝基相變儲能材料的熱性能［J］.材料導(dǎo)報，2022，36（6）：20-26.

［14］ 孫玉清，回麗麗，趙娜，等.氣凝膠珍珠巖的制備及其在水泥基中的應(yīng)用［J］.粘接，2021，46（5）：18-22.

［15］ 王蛟.綠色建筑裝飾裝修材料在現(xiàn)代體育場館建設(shè)中的應(yīng)用［J］.粘接，2020，44（10）：60-63.

收稿日期：2023-06-06；修回日期：2023-09-08

作者簡介：劉 虎（1982-），男，高級工程師，研究方向：土木工程；E-mail：liu_changliang_111@126.com。

引文格式：劉 虎.復(fù)合相變材料在建筑混凝土中的應(yīng)用研究［J］.粘接，2023，50（11）：73-75.