建筑材料论文：复合相变材料的作用及在建筑中的应用

建筑能耗在能源消耗中占比达到 30%,由此带来的能源短缺和环境污染问题日益严重。 而加强对建筑节能和建筑用能的存储及利用，可以减少建筑能耗[1,2]. 相变材料通过使用过程中相变反应存储能量，能起到降低能耗损失的作用。 一般来说，相变材料的蓄热方式包括化学反应蓄热、潜热蓄热和显热蓄热[3-5]. 其中，化学反应蓄热工艺复杂，并且由于存在化学反应，对设备安全性要求较高，没有得到广泛应用。 显热蓄热主要通过自身比热容来存储或释放热量，调节作用有限。 潜热相变通过相变材料相变时吸收或释放热量的特点，可依靠外界环境温度的变化达到储能或释放的目的， 具有蓄热量大，控温恒定，安全性高等特点，目前应用较为广泛。 然而，单一相变材料存在过冷现象或导热系数小等缺点，不能满足实际应用[6]. 因此，需要开发新型相变材料，解决单一相变材料的缺点与不足[7]. 本文选用石蜡作为相变基材，膨胀珍珠岩为载体制备相变材料， 研究不同石蜡含量的相变复合材料在表观密度、抗压强度、导热系数等方面的变化，并讨论其在建筑材料中的应用效果。

　　1 试验材料及方法

　　1.1 复合相变储热水泥块的制备

　　试验材料为相变石蜡 RT28 和粒度为 270 μm（50 目）的 膨胀珍珠岩 ,以相变材料 RT28 质量分数为 0%、10%、20%、30%和 40%的比例将两者倒入烧杯中，60 ℃水浴搅拌 1.5 h,制得不同质量分数 RT28的 RT28/EP-PCMs 复合相变材料。将膨胀珍珠岩、普通矿渣硅酸盐水泥和水按质量比 1∶1.5∶2 制备成水泥泥浆， 再将水泥泥浆与上面制得的不同 RT28 含量的 RT28/EP-PCMs 均匀搅拌制得储热水泥块。

　　1.2 测试方法

　　（1） 表观密度将样品在真空 100 ℃环境下干燥至恒重， 用精度为 0.001 g 分析天平测量样品质量，用游标卡尺测量样品长宽高， 根据公式 ρ=m/V 计算密度。 其中 ρ为样品密度，m 为样品质量，V 为样品体积。

　　（2） 抗压强度将水泥砂浆倒入标准试模中振动至表面呈现水泥浆，静置 24 h 后拆模，常温养护 7 d 进行抗压强度测试。用压力试验机测试标准水泥块抗压强度，加载速率 80 kN/min. 根据公式 P=F/S 计算样品抗拉强度，其中 P 为压强，F 为压力，S 为受力面积，每个条件测试 6 个取平均值。

　　（3）导热系数采用导热系数仪测试储热水泥块导热系数，将2 个规格为 10 mm×100 mm×100 mm 水 泥板叠放 ,探头至于两板之间， 功率 0.02 kW, 输出电压 0.01V,扫描时间 12 s.

　　（4）节能性能以 500 W 氙 灯 作 为 热 源 ,将 6 块 100 mm×100 mm×100 mm 水泥板组合成封闭空间，分别用热电偶测试立方体上方外壁、内壁、内部空间及外部环境温度，氙灯照射 1 h 后关闭，记录温度上升和下降变化趋势曲线。

　　2 试验结果及分析

　　2.1 储热水泥板表观密度

　　图 1 为复合相变材料表观密度随 RT28 含量的变化曲线。 可以看出，随着复合相变材料中 RT28 含量的增加，储热水泥板表观密度逐渐增加。当不添加RT28 时，储热水泥板表观密度为 0.304 g/cm3;当添加 RT28 质量分数为 40 %时，储热水泥板表观密度达到 0.454 g/cm3,提高了 49.01 %. 分析认为，RT28加入后被吸附进入 EP 孔腔结构， 对复合相变材料体积影响不大。 随着 RT28 含量增加，储热水泥板质量增加，所以储热水泥板表观密度增大。
　　
　　2.2 储热水泥板抗压强度

　　图 2 为不同 RT28 含量时储热水泥板 7 天抗压强度变化曲线。 可以看出，随着 RT28 含量的增加，储热水泥块抗压强度增大。 不添加 RT28 时，储热水泥板抗压强度为 0.32 MPa; 添加量分别为 10%、20%、30%和 40%时，储热水泥块 7 天抗压强度依次为 0.36、0.47、0.52 和 0.59 MPa, 比不添加 RT28 时分别提高 12.5%、46.9%、62.5%和 84.3%. 7 天抗压强度均大于 0.30 MPa,满足行业标准要求。

　　2.3 储热水泥板导热系数

　　图 3 为不同 RT28 含量储热水泥板导热系数变化曲线。 可以看出，储热水泥板导热系数随着 RT28含量的增加而增加。当 RT28 含量从 0%增加到 40%时， 储热水泥板导热系数从 0.114 W/m·K 增加到0.145 W/m·K. 分 析认为 , 由于 RT28 导 热系数0.276 W/m·K 大 于空气的导热系数 0.023 W/m·K.与添加 EP 相变材料相比，添加 RT28 与 EP 复合相变材料后，RT28 进入 EP 孔腔结构中， 取代空隙中的气体，水泥板导热系数提高。 随着 RT28 含量增加越多，EP 内部空隙填充越多， 复合相变储热水泥板导热系数增加。
　　
　　2.4 节能效果分析

　　图 4 为不同 RT28 含量相变复合材料上板外壁与内部空间温差变化曲线。 可以看出，随着 RT28 含量的增加，内部空间温度升高和降低速率逐渐减小，上板外壁与内部空间温差逐渐增大。 RT28 含量分别为 10%、20%、30%和 40%时， 上板外壁与内部空间温差依次为 17.3、17.9、19.4 和 23.2 ℃， 而采用普通 EP 相变材料温差为 13.3 ℃，即加入 RT28 后，储热水泥板隔热性能显着提高。分析认为，上板外壁离热源较近，升温最快，内部空间离热源最远，升温较慢。 同时，RT28 加入后，温度升至 28 ℃时发生固液转变储存热量，使立方体内部热量减少，从而提高了储热水泥板的隔热功能，使温差变大。 关闭热源后，立方体内部空间经过一段时间后温度仍高于上臂温度，主要为 RT28 的液固转变而释放能量。 RT28 含量越高，调节效果越好。
　　
　　3 结论

　　制备了不同含量 RT28 复合相变材料 RT28/EP-PCMs 的储热水泥板。 发现随着复合相变材料中RT28 含量的增加，储热水泥板表观密度、抗压强度和导热系数增加，隔热效果越好。

　　参考文献：

　　[1] 张妮。 复合相变蓄热材料的制备、 相变动力学研究及在建筑材料中的应用[D]. 广州： 华南理工大学， 2012.
　　[2] 王瑾， 赵亮。 基于绿色铸造的水玻璃砂造型存在的主要问题及其应对措施[J]. 铸造技术， 2014, 35（1）： 175-177.
　　[3] 张 正国 , 王学泽 , 方晓明。 石 蜡 / 膨胀石墨复合相变材料的结构与热性能 [J]. 华南理工大学学报 （自然科学版）， 2006,34（3）： 1-5.
　　[4] 华建社 , 王建宏 , 焦勇 , 等。 定形高温复合相变蓄热材料的研究现状及应用[J]. 热加工工艺， 2012, 41（24）： 109-112.
　　[5] 张 亮 , 宴华 , 余荣升 , 等。 相变材料的研究进展及其 在建筑领域的应用综述[J]. 材料开发与应用， 2010（2）： 69-73.
　　[6] 黄 天佑 , 范琦 , 张立波 , 等。 中国铸造行业节能减排 政策研究[J]. 铸造技术， 2009, 33（3）： 399-403.
　　[7] 席 丽霞 , 金学军 . 纳米复合相变材料 [J]. 热 加工工艺 ,2012, 41（14）： 4-8.