相变材料的研究进展及其在大体积混凝土中的应用

1. 相变储能材料的发展

相变储能材料的发展从90年代初到21世纪一直是各个国家的研究对象。直到能源危机的爆发。节约能源的概念深入人心后发展的更加的迅速了。

1.1 相变材料的概念

相变储能材料的英文全名称为 (Phase Change Materials, 简称为PCMs) 。相变储能材料是指, 在湿度与温度允许的范围内, 在材料变化和结构变化时加以利用材料本身能量的变化, 向周围环境中释放或者吸收能量, 进而在环境温度变化中起到控制温度的一类物质。相变储能材料按其化学成分可分为无机相变储能材料和有机相变储能材料。其中包括石蜡和醋酸。

1.2 相变储能建筑材料及种类

相变储能建筑材料是由相变储能材料和传统的建筑材料相复合而成的建筑材料。所以相变建筑材料具有普通建筑材料和相变材料两者的优点。相变储能建筑材料英文全名称 (phase chailge buildiilg matemls, PCBM) 。

PCBM是一种热功能复合建筑材料。复合建筑材料在人们使用于建筑施工过程中, 其可以在人们预先需求的可控时间和可控地点来控制相变材料释放或者吸收热量来达到人们预先的需求。自相变材料研究开始至今, 经过多年的实际生产劳动中可以发现, 相变材料在工程建筑中的使用是最为广泛的。

国内外研究得较多的是无机水合盐类和有机类相变材料。可以在建筑领域使用的相变材料主要的特征有: (1) 合适的相变温度; (2) 原料来源广泛, 价格低廉; (3) 性能比较稳定, 可以重复的利用, 使用寿命长; (4) 导热性能强, 相变过程快速, 相变结果具有可逆性强; (5) 没有毒性, 没有腐蚀性并且与建筑材料有很好的融合性。

1.3 常用建筑相变材料分析

在建筑用相变储能材料的选用中常用的材料见表1。

1.4 国内外的研究进展

研究相变建筑材料的转折点发生在1988年, 其美国能量储备分配办公室加大了这项工程额研发工作。其研究的难点是, 相变储能材料和建筑用材料的基体复合得以制备。在这一科研方面, Tvalo.Anil等人的研究进程取得了举世瞩目的进展, 他们研究出了三种解决方案: (1) 与多孔材料复合制备; (2) 将相变材料渗透进聚合材料中; (3) 将相变材料吸入分割好的特殊基质材料中, 形成柔软、可以自由流动的干粉末状形态, 再与建筑材料融合。

美国的Dayton大学, 研发出一系列的线性晶状烷烃相变材料。该系列建筑材料由聚乙烯和石油精炼的副产品组成。现已投入美国的建筑工程和日本建筑工程的商业市场中。

现如今相变材料制备时遇到的最大的障碍是相变材料再由固态转变成液态时产生的泄漏问题。重点在于无机水合盐类的特性中, 还有没能解决得腐蚀容器的关键问题。将相变储能材料密封于球行的密闭容器中是一个重要的解决办法, 将相变储能材料制作成胶囊的形式便可以改善其在操作上的不便问题。其中在现今科学技术的基础上, 研究发展最为快速的当属, 溶胶——凝胶法。

林怡辉, 张正国等人采用溶胶——凝胶法。合成的复合相变材料, 是采用将二氧化硅和有机酸融合制备成的。为了使细小并且分散的相变材料能够在母体上吸附上。那么内部多孔的材料就是当务之选, 其中二氧化硅是十分合适的母体材料。

邢娟娟采用的自制相变材料混和进混凝土浆中, 通过水泥水化热实验和DSC分析。从而验证了相变材料在混凝土中水化热的可行性。她得到了两个重要结论一是相变材料可以明显的降低水化热产生的温度并且相变材料也已有效的拖延水化热峰值到来的时间。

2. 相变材料的应用

相变材料的应用十分广泛不仅在建筑节能中有不俗的表现。起在其他领域也有十分优异的表现, 比如在军事隔热和器械保温中也有他的身影。

2.1 在高层建筑的应用

现代建筑正在向着高层建筑的大方向发展, 所以在建筑材料中对材料的要求也越来越苛刻。但在政府的环保条例中必须有节能环保措施。同时高层建筑的特点要求所用维护结构必须为轻质材料。但普通的轻质建材热熔比较小, 进而导致室内的温度变化较大。使室内居住不舒适, 进而增加了制热和制冷的能量消耗。目前由于相变储能建筑材料的潜热达到了170J/g可能更高的程度。所以在质量相近的情况下使用相变储能建筑材料能更加有效的调节建筑温度。但这种材料的缺点就是材料的强度不够。

2.2 在大体积混凝土中的应用

使用在大体积混凝土中的相变材料, 其主要作用是预防混凝土水化热产生的缝隙。虽然在施工时对于大体积混凝土裂缝的控制可以通过预先埋设冷水管和预先冷却材料来达到降低混凝土内部温度的作用。但拆除和埋设都需要大量人力物力。由于相变储能材料可以制作成大胶囊式进行埋设, 它可以有效的吸收和释放混凝土凝固时产生的热量。并且将其埋设在混凝土中时不需要专门的技术要求。使用简单也不会造成安全隐患。

2.3 在太空领域中的应用

人们在操纵卫星和太空飞船在宇宙环境中运行时, 由于在太阳升起和太阳降落后使得卫星和太空飞船得表面温度变化十分的剧烈, 容易造成卫星和太空飞船不可估量的损坏。进而导致仪器的准确性降低。在50年代的科研学者就在研究仪器和仪表的温度控制问题。随后发现将相变温度控制在15℃~35℃时最好。利用相变材料的温度控制便可以解决此类问题。

2.4 在军事领域中的应用

由于在军事战斗中对于军队潜伏时热量的散发有着苛刻的要求。在现代战争中更是如此, 因此怎样降低潜伏时部队的热辐射成了十分重要的研究课题。相变材料的控温效果十分明显因此在军队中的运用便显得十分重要。而且相变材料可以使得温度控制效果延续时间很长。

3. 相变建筑材料在应用中的问题

相变材料在其推广和应用中存在造价、获取、制作等问题这段文字主要说明在应用中出现的问题和解决方向。

3.1 相变建筑材料使用中耐久的问题

由于在相变材料吸热和放热的过程中随着时间的推移, 若使用密封或者胶囊类型的相变建筑材料。会使其包裹物产生疲劳降级使用寿命。其次热胀冷缩的过程中产生的应力也会是的建筑增加内应力。在包裹物表皮破裂后材料的泄漏也一定程度的影响建筑的安全。

3.2 相变建筑材料的经济问题

由于相变建筑材料的选用大多是复合型相变材料。但由于复合型相变材料的造价过高, 会使单位体积储热造价提升。进而降低了相变材料储热效果价值。

3.3 相变建筑材料的储存能量的问题

在如今相变建筑材料吸收能量的比例并不高, 有很多的相变材料吸收的能量低于120J/g。并且由于现在的相变材料大都是复合型材料所以对其的储能性能有更高的要求。最近有科学家提出在未来的数年内有希望将储能效果提高到150~170J/g。

4. 大体积混凝土水化热解决方法

大体积混凝土的水化热解决方法主要有:选择合适的混凝土材料优化混合比、在制备混凝土前先将混凝土材料预冷和养护时温度控制法。

4.1 传统水化热解决方法

传统水化热的解决方法有优化混合比:这个方法就是在浇筑混凝土前科学的规划和计算, 选择合适的水灰比进而得到降低混凝土的水化热。

原材料预冷法:就是指在浇筑混凝土前对沙石等原材料进行降温控温, 使得在混凝土浇筑过程中产生的水化热能被原材料尽量的吸收。进而产生降低混凝土内部温度的作用。

养护时温度控制法:主要有两类一类是在浇筑混凝土前预埋冷水管, 使得边浇筑混凝土边用冷水管中的冷水来降低混凝土内部的温度[10]。另一类是利用混凝土浇筑完后在其表面覆盖保温层已达到控制温度的作用。

以上的传统混凝土降温都需要大量的物力人力。而且对施工工艺要求高。

4.2 使用相变储能材料降低水化热

由于以前在浇筑大体积混凝土时解决混凝土水化热的方法主要是预埋冷水管, 在搅拌混凝土前将材料浇水降温, 或者是在浇筑完成后覆盖薄膜等保温措施。这样便大大的增加了劳动力的使用。也增加了工程造价的成本。并且其措施对于水化热产生的热吸收效果并不理想。

由于相变材料具有稳定的相变温度和潜热储能密度大的特点。在其吸收水化热产生的热量时吸收效果明显比传统的降温吸热方式更加有效。但在使用相变材料用于大体积混凝土的过程中也要考虑到其相变材料和建筑材料的融合性能、造价、使用方法等。

5. 相变材料的选择

在选择相变材料时为了考虑到实际操作过程中的运输搅拌等必要操作时防止或者减少相变材料的相变过程所消耗的相变潜热, 由于在实际工作中混凝土暴露在太阳的辐射下其内部温度有可能达到60~70℃。所以相变材料的相变温度在50~60℃即可。相变材料选择的不同对于混凝土的温度的影响也有很大的不同, 在考虑到建筑使用的大量性, 建筑行业所使用的相变材料种类就得到了各种限制。通过建立筛选得到表格2。

因此由表2的对比结果可知石蜡更加的适合用于大体积混凝土的相变材料。

5.1 石蜡的性能分析及选择

再以理论贴近实际的原则上, 考虑到石蜡和混凝土在用于生产实际中需要经过搅拌机搅拌后才会投入到混凝土的浇筑中。例如:搅拌机中的石蜡形态是固态的好。所以在选择相变石蜡时选择两种相变温度的石蜡。

再以固态石蜡为前提选择的条件下, 我选择了四种石蜡颗粒直径不同的石蜡材料如图3.1 (a) ~ (d) 。

5.2 分析

对这四种石蜡颗粒进行比较分析可知, 当石蜡的颗粒直接越大他的传热速度更慢。当用搅拌车搅拌时, 石蜡的颗粒直径越小就更容易于混凝土拌合, 从而提高了石蜡的利用效率。也起到了一定的成本控制。由于石蜡是我们外加的添加物品当石蜡颗粒直径越小对于混凝土性能的影响也将降低。所以优先选用颗粒直径较小的石蜡。

6. 结语

相变储能材料的发展与应用是在全球能源需求增加, 但能源储量并没有太大增加时提出的。但这种对于能源利用率的提高需求是必然的, 使符合科学发展的。随着全世界的经济发展、人口的不断增加、城市化的不断演变。能源的利用效果、新型能源的开发只会越来越紧迫。所以研究相变储能材料是一个明智的选择。总结本次论文研究得出:

(1) 相变储能材料的制备主要有:溶胶凝胶法、插层复合发、毛细吸附发等等。

(2) 相变储能材料的应用十分广泛:太空领域、军事领域、建筑领域等。

(3) 相变储能材料应用于混凝土中时还有相变材料容器破损耐久问题。当使用大胶囊法时其安放的位置也是需要科学论证的。

(4) 当使用石蜡作为相变材料混合入建筑材料中时, 当石蜡的使用量为5%时, 可让混凝土的中心最高温度降低5.26℃。

(5) 相变材料掺入混凝土中可以使其内温上升和下降的速度降低, 进而降低产生掺入石蜡的混凝土产生裂缝的可能性, 有助于产品的使用寿命和安全性能。

(6) 用石蜡作为掺入的相变材料时, 用体积替换法的效果更加有利于生产和建筑质量。

(7) 当石蜡的掺入量在一定范围内时, 石蜡的掺入量越高其掺入的混凝土抗渗性能越好。

(8) 当选用石蜡颗粒直径时, 考虑到实际生产要素和实际效果。选择颗粒直径较小的比较好, 当条件许可时选择石蜡乳液对于生产劳动和混凝土浇筑成型后的质量有很大的好处。

摘要：在科学技术和社会发展多样化和快速化的今天, 建筑施工中大型混凝土的浇筑环境和成型外形越来越复杂。比如各种大型水坝、大型地下停车场和大型基础设施的建设。相变储能建筑材料在建筑控温方面表现就比较突出。所以在建筑控温领域更多的选择相变储能材料作为研究的对象。同时由于相变储能材料具有控温的效果。所以在其应用方面也有了更多的选择性。比如在大体积混凝土内部水化热中控制其温度变化所产生的应力就可以使用相变储能材料。

关键词：相变,应用