相變儲(chǔ)能混凝土研究現(xiàn)狀與展望

曹 磊 張佳旭 馮福寶 夏其云 高蘇鵬

宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院（223800）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)居住空間舒適度的要求不斷提高，由此產(chǎn)生的建筑能耗也越來(lái)越大。我國(guó)單位建筑面積的能耗是同緯度發(fā)達(dá)國(guó)家的2 倍以上[1]。為降低建筑業(yè)高能耗的現(xiàn)狀和為實(shí)現(xiàn)2020 年CO2排放量與2005 年相比減少40%～50%的承諾[2]，我國(guó)在大力推廣綠色建筑、提高能源利用效率、節(jié)能減排等方面采取了許多有力舉措[3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在外墻保溫系統(tǒng)、幕墻保溫系統(tǒng)、建筑儲(chǔ)能系統(tǒng)等方面做了大量的研究[4]，相變儲(chǔ)能混凝土是建筑儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)重要實(shí)現(xiàn)途徑。文章將從相變儲(chǔ)能混凝土的制備方法、力學(xué)性能等方面闡述其研究進(jìn)展，旨在為相變儲(chǔ)能混凝土的研究和應(yīng)用提供參考。

1 相變儲(chǔ)能混凝土的應(yīng)用

相變混凝土包括:①相變儲(chǔ)能混凝土。主要應(yīng)用于建筑保溫和路橋面抗凍融；②相變控溫混凝土。主要用于大體積混凝土和建筑抗火等。

1.1 制備方法

1）浸漬法。直接將多孔混凝土浸漬在液態(tài)的相變材料中吸附一定時(shí)間后制得相變混凝土。應(yīng)用這種方法制得的相變混凝土，其性能受吸附率、相變材料種類和相變溫度的影響較大，一般用于空隙率較大的加氣混凝土中。在使用過(guò)程中，當(dāng)相變材料轉(zhuǎn)化成液態(tài)時(shí)容易發(fā)生泄漏現(xiàn)象，不僅影響相變混凝土的使用壽命，還會(huì)造成環(huán)境污染等問(wèn)題[5]。

2）直接混合法。在相變材料加入混凝土之前，將其制成微膠囊，再將微膠囊添加至混凝土中，從而制備出相變混凝土。雖然這樣做可以保證相變材料的性能以及混凝土的強(qiáng)度和耐久性，但工藝復(fù)雜、成本較高，不易在實(shí)踐中推廣應(yīng)用[6]。

3）多孔骨料吸附法。將陶粒、膨脹珍珠巖等多孔骨料放入液態(tài)相變材料中，使液態(tài)相變材料吸附在筋骨料的空隙中，再將吸附后的骨料摻入混凝土中制得相變混凝土。與浸漬法相比，此法制得的相變混凝土不易發(fā)生泄漏現(xiàn)象，且相變材料的特征亦幾乎沒(méi)有變化，但容易造成混凝土強(qiáng)度的降低[7]。

1.2 力學(xué)性能

大量的研究表明，摻入不同相變材料的混凝土與普通混凝土相比，其強(qiáng)度均會(huì)降低；但摻入適量的外摻料可改善混凝土的力學(xué)性能。

劉福戰(zhàn)等[8]以石蠟（SH）為相變材料，膨脹珍珠巖為基體材料制備相變儲(chǔ)能材料，替代砂制得的相變混凝土，并對(duì)考慮了替砂率和SH 吸入量?jī)蓚€(gè)因素的相變混凝土進(jìn)行了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果顯示:替砂率和SH 吸入量分別不大于50%和100%的混凝土，其強(qiáng)度相較于普通混凝土降幅不大。

石憲等[9]以正十二醇為相變材料、陶粒作為基體材料，采用真空吸附的方式制作相變復(fù)合材料，并用樹(shù)脂和改性水泥將其封裝。結(jié)果表明:經(jīng)歷50 次相變循環(huán)后，相變儲(chǔ)能陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度不變；采用樹(shù)脂和改性水泥進(jìn)行封裝的相變儲(chǔ)能陶粒混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度分別為普通陶?；炷量箟簭?qiáng)度的84.62%和90.88%。

Xu Biwan 等[10]以石蠟和硅藻土制備了復(fù)合相變材料，并將其直接摻入混凝土中制備相變儲(chǔ)能混凝土。結(jié)果表明:當(dāng)摻量為30%時(shí)，相變儲(chǔ)能混凝土的28 d 抗壓和抗折強(qiáng)度分別下降了48.7%和47.5%。

王文濤等[11]開(kāi)展了以活性炭?jī)?chǔ)能骨料（以硬脂酸丁酯為相變材料，活性炭為柱狀活性炭顆粒吸附） 按0%、10%、15%、20%和25%五種比例取代陶粒制備相變陶?；炷恋目箟簭?qiáng)度、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:隨著活性炭?jī)?chǔ)能骨料的摻入量的增加，相變混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的損失率均會(huì)增加；滿足工程需要的合理的活性炭?jī)?chǔ)能骨料摻入量為15%，此時(shí)的抗壓強(qiáng)度損失率和劈裂抗拉強(qiáng)度損失率分別為4.0%和9.4%。

針對(duì)以硬脂酸丁酯為相變材料，并以膨脹珍珠巖吸附相變材料制成的相變骨料替代砂（體積替代比例為0%～20%）、硅粉替代水泥（質(zhì)量替代比例為0%～20%） 為變化參數(shù)的20 組相變儲(chǔ)能混凝土，開(kāi)展了混凝土立方體抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)研究。研究結(jié)果顯示：當(dāng)硅粉摻量一定時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨相變儲(chǔ)能骨料摻量的增加幾乎成線性下降；當(dāng)硅粉以5%等質(zhì)量取代水泥、 相變儲(chǔ)能骨料以20%等體積取代砂時(shí)制得的混凝土，其強(qiáng)度與普通混凝土基本無(wú)異。

冀志強(qiáng)等[12]使用以癸酸-正辛酸為復(fù)合相變材料，膨脹珍珠巖為基體材料制得的相變儲(chǔ)能骨料替代石子制備相變混凝土，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示:當(dāng)替代量為30%時(shí)，相變膨脹珍珠巖混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度可達(dá)到25.5 MPa，滿足C40 混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

武澤福等[13]以膨脹珍珠巖吸附硬脂酸制得的相變儲(chǔ)能骨料與硅粉，按一定比例摻入混凝土中制得相變儲(chǔ)能混凝土，并對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:相變骨料的摻入可使混凝土的強(qiáng)度降低約10%，但硅粉的摻入可提高混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度，硅粉的摻量宜控制在10%～15%；聚丙烯纖維和玄武巖纖維的加入能夠增強(qiáng)混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，二者的較優(yōu)摻量分別為1.5 kg/m3和 1.8 kg/m3。

陳永根等[14]將癸酸與正辛酸按30∶70 的質(zhì)量比振蕩混合制得相變材料，以活性炭為基體，通過(guò)浸泡吸附的方式制得活性炭?jī)?chǔ)能骨料；用活性炭?jī)?chǔ)能骨料按10%的摻量等體積替代石子，用硅粉和粉煤灰按10%的摻量等質(zhì)量替代水泥制得相變混凝土。分別測(cè)試該混凝土在 3 d、7 d、25 d、56 d、90 d 齡期下的強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果顯示：?jiǎn)螕椒勖夯业南嘧兓炷恋目估瓘?qiáng)度最低；雙摻硅粉和粉煤灰的相變混凝土在齡期為90 d 時(shí)的強(qiáng)度與普通相變混凝土的強(qiáng)度相同。

顧皖慶等[15]以月桂酸為相變材料、膨脹珍珠巖吸附制得的相變儲(chǔ)能骨料，按5%～20%的比例替代陶粒輕骨料制備相變混凝土，并對(duì)其進(jìn)行立方體抗壓和劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)骨料摻量為20%時(shí)，粉煤灰陶?；炷梁晚?yè)巖陶?；炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度分別降低了21.86%和26.17%、 劈拉強(qiáng)度分別降低了22.18%和28.27%。

司亞余等[16]使用以活性炭為基材吸附癸酸-正辛酸復(fù)合相變材料制得的儲(chǔ)能骨料按0%、5%、10%、15%和20%的比例等體積替代石子，用粉煤灰按以上比例分別替代水泥，并摻入一定量的硅粉，制備了相變混凝土；并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示: 當(dāng)單摻儲(chǔ)能骨料或粉煤灰分別不超過(guò)5%和10%、 雙摻儲(chǔ)能骨料和粉煤灰不超過(guò)5%和10%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度損失均在10%以內(nèi)；隨著儲(chǔ)能骨料和粉煤灰摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度損失率增大，混凝土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的最大損失率分別為38.09%和28.25%；但是加入硅粉后，混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別提高了16%和10%。

王永偉等[17]制備了定形PEG/SiO2/石墨復(fù)合相變蓄熱混凝土，并對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果顯示：相變蓄熱骨料的加入使得混凝土的抗壓強(qiáng)度有所降低；相變蓄熱骨料替代粗骨料的比例不宜超過(guò)80%。

混凝土中的水分在冰點(diǎn)以下時(shí)會(huì)結(jié)冰膨脹，對(duì)混凝土內(nèi)部空隙形成壓應(yīng)力，升溫后會(huì)融化，長(zhǎng)期的凍融交替容易使混凝土產(chǎn)生裂縫。因此，很有必要研究相變混凝土的抗凍融性能。

劉赫等[18]通過(guò)步冷試驗(yàn)優(yōu)選出相變溫度在0 ℃～5 ℃的相變儲(chǔ)能材料，并以耐腐蝕空心鋼管作為封裝材料，設(shè)計(jì)制作了橋面板結(jié)構(gòu)層，并進(jìn)行了抗凍性試驗(yàn)。“快凍法”試驗(yàn)結(jié)果表明:橋面的抗凍等級(jí)超過(guò)D300，抗凍融效果良好，相變循環(huán)穩(wěn)定性亦較好。

聶志新等[19]制備了月桂酸/膨脹石墨相變混凝土，測(cè)定其 200 次熱循環(huán)后的質(zhì)量損失率為3.58%，說(shuō)明該相變混凝土的熱穩(wěn)定性良好。

2 相關(guān)建議

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)相變儲(chǔ)能混凝土已經(jīng)做了大量的試驗(yàn)研究與理論分析，為相變混凝土的推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。為使相變儲(chǔ)能混凝土更好地應(yīng)用于工程實(shí)踐，仍需大力開(kāi)展以下工作:

1）實(shí)際節(jié)能效果研究。為了準(zhǔn)確界定相變儲(chǔ)能混凝土的節(jié)能效率，最有效的辦法就是建立足尺或縮尺的房屋模型，并展開(kāi)溫控效果的測(cè)試與模擬，但目前很少有學(xué)者開(kāi)展這方面的研究工作。建議在有條件的情況下開(kāi)展實(shí)際房屋模型節(jié)能效果研究。

2）力學(xué)性能系統(tǒng)研究?，F(xiàn)有關(guān)于相變混凝土力學(xué)性能的研究主要集中在立方體抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度方面，試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，并不能直接指導(dǎo)工程實(shí)踐應(yīng)用。建議系統(tǒng)開(kāi)展相變混凝土立方體抗壓強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能影響的試驗(yàn)研究以及凍融循環(huán)對(duì)各強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律研究，并給出各力學(xué)性能指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值與設(shè)計(jì)值，以使相變儲(chǔ)能混凝土更好地應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。

3）相變材料為液態(tài)時(shí)的混凝土力學(xué)性能研究。目前，大部分的試驗(yàn)主要是在相變材料為固態(tài)時(shí)進(jìn)行的，當(dāng)相變材料達(dá)到其相變溫度呈液態(tài)時(shí)的混凝土力學(xué)性能規(guī)律應(yīng)值得學(xué)者們注意并加以研究。

4）耐久性能及設(shè)計(jì)方法研究。目前，有部分學(xué)者開(kāi)展了相變儲(chǔ)能混凝土的耐久性能研究，但試驗(yàn)不夠系統(tǒng)，相變儲(chǔ)能混凝土的耐久性設(shè)計(jì)是否能直接采用現(xiàn)有的規(guī)范仍需要更多的試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

5）對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力性能的影響研究。目前，關(guān)于對(duì)相變混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗(yàn)與理論研究的文獻(xiàn)很少，相變混凝土與鋼材之間的共同工作性能、相變儲(chǔ)能混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力機(jī)理、承載力計(jì)算方法等尚不明確。今后，加強(qiáng)對(duì)相變儲(chǔ)能混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗(yàn)和理論研究是很有必要的。