不同石蠟含量的相變復(fù)合材料性能及建筑應(yīng)用論文
建筑能耗在能源消耗中占比達(dá)到 30%,由此帶來(lái)的能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。 而加強(qiáng)對(duì)建筑節(jié)能和建筑用能的存儲(chǔ)及利用，可以減少建筑能耗[1,2]. 相變材料通過(guò)使用過(guò)程中相變反應(yīng)存儲(chǔ)能量，能起到降低能耗損失的作用。 一般來(lái)說(shuō)，相變材料的蓄熱方式包括化學(xué)反應(yīng)蓄熱、潛熱蓄熱和顯熱蓄熱[3-5]. 其中，化學(xué)反應(yīng)蓄熱工藝復(fù)雜，并且由于存在化學(xué)反應(yīng)，對(duì)設(shè)備安全性要求較高，沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。 顯熱蓄熱主要通過(guò)自身比熱容來(lái)存儲(chǔ)或釋放熱量，調(diào)節(jié)作用有限。 潛熱相變通過(guò)相變材料相變時(shí)吸收或釋放熱量的特點(diǎn)，可依靠外界環(huán)境溫度的變化達(dá)到儲(chǔ)能或釋放的目的， 具有蓄熱量大，控溫恒定，安全性高等特點(diǎn)，目前應(yīng)用較為廣泛。 然而，單一相變材料存在過(guò)冷現(xiàn)象或?qū)嵯禂?shù)小等缺點(diǎn)，不能滿足實(shí)際應(yīng)用[6]. 因此，需要開(kāi)發(fā)新型相變材料，解決單一相變材料的缺點(diǎn)與不足[7]. 本文選用石蠟作為相變基材，膨脹珍珠巖為載體制備相變材料， 研究不同石蠟含量的相變復(fù)合材料在表觀密度、抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)等方面的變化，并討論其在建筑材料中的應(yīng)用效果。
1 試驗(yàn)材料及方法
1.1 復(fù)合相變儲(chǔ)熱水泥塊的制備
試驗(yàn)材料為相變石蠟 RT28 和粒度為 270 μm（50 目）的 膨脹珍珠巖 ,以相變材料 RT28 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0%、10%、20%、30%和 40%的比例將兩者倒入燒杯中，60 ℃水浴攪拌 1.5 h,制得不同質(zhì)量分?jǐn)?shù) RT28的 RT28/EP-PCMs 復(fù)合相變材料。將膨脹珍珠巖、普通礦渣硅酸鹽水泥和水按質(zhì)量比 1∶1.5∶2 制備成水泥泥漿， 再將水泥泥漿與上面制得的不同 RT28 含量的 RT28/EP-PCMs 均勻攪拌制得儲(chǔ)熱水泥塊。
1.2 測(cè)試方法
（1） 表觀密度將樣品在真空 100 ℃環(huán)境下干燥至恒重， 用精度為 0.001 g 分析天平測(cè)量樣品質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺測(cè)量樣品長(zhǎng)寬高， 根據(jù)公式 ρ=m/V 計(jì)算密度。 其中 ρ為樣品密度，m 為樣品質(zhì)量，V 為樣品體積。
（2） 抗壓強(qiáng)度將水泥砂漿倒入標(biāo)準(zhǔn)試模中振動(dòng)至表面呈現(xiàn)水泥漿，靜置 24 h 后拆模，常溫養(yǎng)護(hù) 7 d 進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。用壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)水泥塊抗壓強(qiáng)度，加載速率 80 kN/min. 根據(jù)公式 P=F/S 計(jì)算樣品抗拉強(qiáng)度，其中 P 為壓強(qiáng)，F(xiàn) 為壓力，S 為受力面積，每個(gè)條件測(cè)試 6 個(gè)取平均值。
（3）導(dǎo)熱系數(shù)采用導(dǎo)熱系數(shù)儀測(cè)試儲(chǔ)熱水泥塊導(dǎo)熱系數(shù)，將2 個(gè)規(guī)格為 10 mm×100 mm×100 mm 水 泥板疊放 ,探頭至于兩板之間， 功率 0.02 kW, 輸出電壓 0.01V,掃描時(shí)間 12 s.
（4）節(jié)能性能以 500 W 氙 燈 作 為 熱 源 ,將 6 塊 100 mm×100 mm×100 mm 水泥板組合成封閉空間，分別用熱電偶測(cè)試立方體上方外壁、內(nèi)壁、內(nèi)部空間及外部環(huán)境溫度，氙燈照射 1 h 后關(guān)閉，記錄溫度上升和下降變化趨勢(shì)曲線。
2 試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 儲(chǔ)熱水泥板表觀密度
圖 1 為復(fù)合相變材料表觀密度隨 RT28 含量的變化曲線。 可以看出，隨著復(fù)合相變材料中 RT28 含量的增加，儲(chǔ)熱水泥板表觀密度逐漸增加。當(dāng)不添加RT28 時(shí)，儲(chǔ)熱水泥板表觀密度為 0.304 g/cm3;當(dāng)添加 RT28 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40 %時(shí)，儲(chǔ)熱水泥板表觀密度達(dá)到 0.454 g/cm3,提高了 49.01 %. 分析認(rèn)為，RT28加入后被吸附進(jìn)入 EP 孔腔結(jié)構(gòu)， 對(duì)復(fù)合相變材料體積影響不大。 隨著 RT28 含量增加，儲(chǔ)熱水泥板質(zhì)量增加，所以儲(chǔ)熱水泥板表觀密度增大。
2.2 儲(chǔ)熱水泥板抗壓強(qiáng)度
圖 2 為不同 RT28 含量時(shí)儲(chǔ)熱水泥板 7 天抗壓強(qiáng)度變化曲線。 可以看出，隨著 RT28 含量的增加，儲(chǔ)熱水泥塊抗壓強(qiáng)度增大。 不添加 RT28 時(shí)，儲(chǔ)熱水泥板抗壓強(qiáng)度為 0.32 MPa; 添加量分別為 10%、20%、30%和 40%時(shí)，儲(chǔ)熱水泥塊 7 天抗壓強(qiáng)度依次為 0.36、0.47、0.52 和 0.59 MPa, 比不添加 RT28 時(shí)分別提高 12.5%、46.9%、62.5%和 84.3%. 7 天抗壓強(qiáng)度均大于 0.30 MPa,滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。
2.3 儲(chǔ)熱水泥板導(dǎo)熱系數(shù)
圖 3 為不同 RT28 含量?jī)?chǔ)熱水泥板導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線。 可以看出，儲(chǔ)熱水泥板導(dǎo)熱系數(shù)隨著 RT28含量的增加而增加。當(dāng) RT28 含量從 0%增加到 40%時(shí)， 儲(chǔ)熱水泥板導(dǎo)熱系數(shù)從 0.114 W/m·K 增加到0.145 W/m·K. 分 析認(rèn)為 , 由于 RT28 導(dǎo) 熱系數(shù)0.276 W/m·K 大 于空氣的導(dǎo)熱系數(shù) 0.023 W/m·K.與添加 EP 相變材料相比，添加 RT28 與 EP 復(fù)合相變材料后，RT28 進(jìn)入 EP 孔腔結(jié)構(gòu)中， 取代空隙中的氣體，水泥板導(dǎo)熱系數(shù)提高。 隨著 RT28 含量增加越多，EP 內(nèi)部空隙填充越多， 復(fù)合相變儲(chǔ)熱水泥板導(dǎo)熱系數(shù)增加。
2.4 節(jié)能效果分析
圖 4 為不同 RT28 含量相變復(fù)合材料上板外壁與內(nèi)部空間溫差變化曲線。 可以看出，隨著 RT28 含量的增加，內(nèi)部空間溫度升高和降低速率逐漸減小，上板外壁與內(nèi)部空間溫差逐漸增大。 RT28 含量分別為 10%、20%、30%和 40%時(shí)， 上板外壁與內(nèi)部空間溫差依次為 17.3、17.9、19.4 和 23.2 ℃， 而采用普通 EP 相變材料溫差為 13.3 ℃，即加入 RT28 后，儲(chǔ)熱水泥板隔熱性能顯著提高。分析認(rèn)為，上板外壁離熱源較近，升溫最快，內(nèi)部空間離熱源最遠(yuǎn)，升溫較慢。 同時(shí)，RT28 加入后，溫度升至 28 ℃時(shí)發(fā)生固液轉(zhuǎn)變儲(chǔ)存熱量，使立方體內(nèi)部熱量減少，從而提高了儲(chǔ)熱水泥板的隔熱功能，使溫差變大。 關(guān)閉熱源后，立方體內(nèi)部空間經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后溫度仍高于上臂溫度，主要為 RT28 的液固轉(zhuǎn)變而釋放能量。 RT28 含量越高，調(diào)節(jié)效果越好。
3 結(jié)論
制備了不同含量 RT28 復(fù)合相變材料 RT28/EP-PCMs 的儲(chǔ)熱水泥板。 發(fā)現(xiàn)隨著復(fù)合相變材料中RT28 含量的增加，儲(chǔ)熱水泥板表觀密度、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)增加，隔熱效果越好。
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