吴陶俊

（沈阳城市建设学院土木工程系，辽宁 沈阳 110167）

石蜡相变储能混凝土的制备与性能研究

吴陶俊

（沈阳城市建设学院土木工程系，辽宁 沈阳 110167）

以相变温度为24℃的混合石蜡作为相变材料，采用多孔粉煤灰陶粒进行吸附，以吸附石蜡的陶粒作粗骨料，按照混凝土制备工艺制备相变混凝土，并与空白试件进行对比，然后测试二者在有热源情况下的升温能力及撤掉热源后的降温能力。试验结果表明，相变混凝土试块升温/降温过程都较空白试件缓慢，石蜡相变材料起到一定的调温作用。

石蜡；相变材料；储能；相变混凝土

相变储能材料（Phase Change Materials）是利用材料相态的变化进行储存/释放能量的材料，作为一种新型的节能材料，已逐步成为能源利用研究的热点[1-2]。按材料的化学组成可以分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料。其中有机相变材料具有不易发生相分离、过冷现象等特点[3]。而石蜡具有储能性能好，相变温度可调，可加工成定型相变材料等优点，能够广泛应用于建筑围护结构中，利用其储能/释能，起到调温作用，大幅度降低室内温度的波动，提高人体舒适度，同时具有节能作用[4]。

本试验选用石蜡作为相变材料，用多孔材料吸附，应用到建筑材料中，研究产生的储能作用。

1 试验

1.1 主要原材料

石蜡：熔点24℃，抚顺石油化工公司石化一厂生产。多孔陶粒：辽宁盘锦诚信粉煤灰陶粒有限公司生产。水泥：P·O42.5，冀东水泥股份有限公司生产。砂：细度模数为2.5。

1.2 陶粒的选择

陶粒价格便宜，来源丰富，再加上陶粒本身是一种多孔材料，可作载体吸附相变材料应用于建筑围护结构[5-7]。陶粒内部孔隙相对表面孔隙较大，故把陶粒破碎后可能会增加对相变材料的吸入量。将试验选用的粉煤灰陶粒、黏土陶粒、页岩陶粒等3种陶粒分成完整陶粒、破碎的陶粒，其性能如表1。

表1 陶粒的基本性能

分别研究3种陶粒在自然状态下、温度为100℃的熔化石蜡液中及真空条件下浸泡吸入石蜡相变材料间的关系。试验之前，分别把20 g上述样品放到烘箱（温度为80℃）烘48 h，将其中的水分蒸发掉，然后取出冷却至室温后分别测试不同条件下陶粒吸附相变材料的吸附量，确定合适的陶粒作为载体吸附石蜡。

1.3 石蜡/陶粒复合相变材料的制备

将选择的粉煤灰陶粒在烘箱中烘干，放到熔融的石蜡中，根据吸附量控制吸附条件，使陶粒吸附石蜡量分别为10%、15%、20%，制得石蜡/陶粒复合相变材料。

烘干粉煤灰陶粒内部的水分，一方面为更快、更好的吸附石蜡；另一方面在有水分存在的条件下，石蜡可能离解出H+，吸入到粉煤灰陶粒中后，会与陶粒中的K2O、Na2O发生中和反应，因此要烘干除掉水分。

石蜡相变材料属于固-液相变材料，吸热时发生相变，由固态熔化成液态，容易从建筑材料基体中渗漏出来，对其长期使用产生不利影响。因此，必须对相变建筑材料进行表面封装，防止相变过程中液态相变材料从粉煤灰陶粒中泄漏。另外，粉煤灰陶粒应用到建筑中之前进行表面包裹，阻止了外界水分进入到粉煤灰陶粒内部，从而也保证了相变材料与粉煤灰陶粒有良好的相容性。

采用环氧树脂进行封装，把环氧树脂涂到粉煤灰陶粒的表面，室温环境下，待环氧树脂慢慢固化。这样便在粉煤灰陶粒表面形成了1层硬化环氧树脂层，可以对粉煤灰陶粒表面起到封装的作用。

对封装好的粉煤灰陶粒进行相变循环渗漏测试：首先把用环氧树脂封装材料封装好的陶粒和未进行封装的陶粒放在同一张滤纸上，放入烘箱中（40℃），放置0.5 h后取出，观察陶粒周围的滤纸是否有石蜡相变复合材料渗漏。陶粒在受热时，其内部的石蜡会熔化外流。陶粒经环氧树脂封装后，内部的石蜡发生相变变为液态时，从陶粒中流出的石蜡量明显大大减少，从而改善了石蜡/陶粒复合相变材料在建筑材料应用中的耐久性。

1.4 相变混凝土的制备及性能研究

按照JGJ 51—2002《轻骨料混凝土技术规程》采用绝对体积法进行混凝土的配合比设计，见表2。

表2 混凝土的配合比kg/m3

粉煤灰陶粒吸附石蜡相变材料的量分别占陶粒质量的10%、15%和20%，然后制成100 mm×100 mm×50 mm、不同石蜡/陶粒复合相变材料含量作为粗骨料制备相变混凝土试块，并设置空白样，制成混凝土试块成型后带模养护1 d，拆模后立即移入标准养护室内养护28 d，对制得的试块进行蓄热性能测试。

蓄热性能的测试方法：对混凝土一侧进行先加热后降温，将热电偶固定在混凝土试块另一侧的表面，从温度开始变化起每隔1 min记录1次数据，直至温度不再变化，停止记录。

2 结果与讨论

2.1 陶粒类型对石蜡吸附量的影响

多孔陶粒可被用于吸收与储存液态相变材料，因此在使用前要先确定其对石蜡吸附能力的大小。本实验初步选择的3种陶粒对石蜡的吸附结果见表3。

表3 不同陶粒在不同条件下吸收相变材料量g

从表3可以看出，3种陶粒在不同条件下吸附石蜡的量不同，在真空抽滤条件下比在自然条件、温度为100℃时的吸附量都高，并且以粉煤灰陶粒的吸附量最大。这是因为真空状态下，陶粒内部的空气基本被除去，外面气压又高于大气压，这使得更多的石蜡被压到陶粒的空隙中。3种陶粒内部结构特征，特别是孔结构特征，会对吸附效果产生不同的影响，粉煤灰陶粒吸附的石蜡量多，可能是粉煤灰陶粒孔结构的连通性远高于其它2种陶粒。考虑到破碎的粉煤灰陶粒对于抗压强度的损失，及破碎所需的工艺，最终选取完整的粉煤灰陶粒进行后续实验。

2.2 相变混凝土蓄热性能分析

分别对石蜡含量为10%、15%、20%制得的相变混凝土一侧进行加热，至温度稳定后进行冷却，测试加热对立面表面的温度变化。其变化见图1所示。

由图1可以看出，相变混凝土试块的升温/降温速率比空白试件慢，并且随着石蜡含量的增大，这种差异会更明显。在吸附量为20%时，升温阶段相变混凝土试块比空白试件升温速率始终慢，温差最大值达到3.6℃；在降温阶段温差最大值达到2.9℃。这说明相变试块受热时，所含的石蜡相变材料由于潜热储存能力，吸收了一部分热量，使其温度变化低于空白试件；当温度下降时，在冷凝过程中，相变材料可以将储存的热量释放出来，使得相变试块表面的温度变化的较慢。总之，相变试块比空白试件温度波动小。升温/降温过程温度变化极差见图2。

图1 不同石蜡含量相变混凝土的升温/降温曲线

图2 升温/降温过程温度极差

由图2可以看出，随着石蜡含量的增大，无论是升温还是降温过程，相变试块与空白试件间表面的温度变化差异也呈现递增的趋势，因为石蜡含量增大，其储热能力就增强，使温度变化速率就变得缓慢。

3 结论

采用石蜡作相变材料，选用粉煤灰陶粒作为石蜡相变材料的载体，并以石蜡/陶粒复合相变材料制备储能混凝土，并对其混凝土的蓄热性能进行了测试。

（1）在自然条件下、温度为100℃和真空抽滤下粉煤灰陶粒、黏土陶粒和页岩陶粒吸附石蜡量呈现递增趋势。不同类型的陶粒破碎后，吸附石蜡量相应有所增加，但是增加量不明显。真空抽滤下，粉煤灰陶粒石蜡吸附量最大。

（2）制备了石蜡/陶粒复合相变材料，并采用环氧树脂进行表面包裹，取得了较好的封装效果。

（3）以吸附石蜡的陶粒轻骨料制备相变混凝土试块，进行升温和降温测试。结果表明，选用石蜡相变材料，混凝土试块的升温/降温速率较空白混凝土试件变化缓慢，且当石蜡在粉煤灰陶粒的吸附量逐渐增大时，与空白试件的温差最大值也逐渐变大。

[1]刘玲，叶红卫．国内外蓄热材料发展概况[J]．兰化科技，1998（9）：168-171.

[2]宫秀敏.相变理论基础及应用[M]武汉：武汉理工大学出版社，2004.

[3]Prashant Verma，Varun．Review of mathematical modeling on latent heat thermal energy storage systems using phase-change material[J]．Renewable Susraina-le Energy Rev.，2008，12（4）：999.

[4]王智宇，林旭添，陈锋，等．相变储能保温建筑材料的制备及性能评价[J]．新型建筑材料，2006（11）：35-37.

[5]Lee T．Control aspects of latent heat storage and recovery in concrete[J].Solar Energy Mater Cells，2000，62：217-224.

[6]Hawlader M．N．A．，Udine M.S．，Zhu H.J.Encapsulated phase change materials for Thermal energy storge：experment and simulation[J]. International Journal of Energy Research，2002，26（2）：159-171.

[7]孙书静．珍珠岩轻质砌块研制开发[J].砌块与墙板，2007（8）：57-58.

Study on the preparation and properties of paraffin phase change energy storage of the concrete

WU Taojun
（Department of Civil Engineering，Shenyang Urban Construction University，Shenyang 110167，China）

Mixed paraffin，which the phase-transition temperature is 24℃were used as phase-change materials（PCM），using the porous sintered fly ash to adsorption，the ceramsite were used as coarse aggregate after adsorption of paraffin，according to preparation technology of concrete to prepare phase change concrete，and set the blank sample，then under the condition of a heat source to test heating ability and the ability to cool down after the heat removed.Research shows that：phase change concrete blocks are slower than blank specimen during heating/cooling process，paraffin phase change materials play a certain effect of regulating temperature.

paraffin，phase-change materials，energy storage，phase change concrete

TU55

A

1001-702X（2016）12-0091-03

2016-04-20

吴陶俊，女，1989年生，辽宁沈阳人，助教。