石蜡相变控温混凝土热性能研究.pdf

第 1 5卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 建筑材料学报 J 0URNAI OF BUI L DI NG MATERI AL S Vo 1 1 5， No 6 De e ， 2 O1 2 文章 编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 7 6 7 0 4 石蜡 相变控温混凝 土热性 能研 究 侯景 鹏 ， 史 巍 ， 张雄 ( 1 东北 电力 大学 建 筑工 程 学 院 ，吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ； 2 同济大 学 先进 土木 工程 材料 教 育部 重点 实验 室 ， 上 海 2 O 1 8 0 4 ) 摘 要 ：提 出了相 变控 温材料机 敏 控制 大体 积 混 凝 土 温度 裂缝 的技 术途 径 ， 测试 了石蜡 相 变控 温 混 凝 土 的控 温效 果及石 蜡 相 变控 温砂 浆 的导 热 系数 ， 利 用 差 示扫描 量热 仪研 究 了石 蜡 相 变控 温砂 浆 的热性能 结果表 明： 石蜡相变控温混凝土控温效果明显 ， 可降低 大体积混凝 土 内部升温速 率和 降 温速 率 ； 石蜡 掺入 砂 浆后 ， 相 变控 温砂 浆与 石蜡 相 比导 热 性 能 明显提 高 ， 与普 通 砂 浆 相 比 导 热 系数 略有降低 ； 石蜡掺入砂浆后对相 变潜热和相 变控温范围无明显影响 关键 词 ： 石 蜡 ； 温 度 裂缝 ；混凝 土 ；热性 能 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 I i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 O 1 2 0 6 0 0 7 The r ma l Pr o p e r t i e s o f Pha s e - Ch a n g e Co n c r e t e wi t h Pa r a f f i n HOUJi n g p e n g ，SHI We i ， ZHANG Xi o n g。 ( 1 S c h o o l o f Ci v i l a n d Ar c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g，No r t h e a s t Di a n l i Un i v e r s i t y，J i l i n 1 3 2 0 1 2 ，C h i n a ； 2 Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d Ci v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n ，T o n g i i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Ph a s e c ha n ge ma t e r i a l s ( PCM )c a n be a pp l i e d i n ma s s c o nc r e t e t o pr e v e nt t he r ma l c r a c ks Te m p e r a t u r e d i s t r i bu t i o n wa s me a s ur e d i n c e n t e r a r e a of n or ma l c o nc r e t e a nd p a r a f f i n PCM c o nc r e t e The r ma l c o ndu c t i vi t y o f PCM mo r t a r wa s m e a s u r e d i n a i r dr y a nd ov e n d r y c on di t i o n The r m a l p r op e r t i e s o f pu r e p a r a f f i n a nd PCM mor t a r wi t h di f f e r e nt p a r a f f i n c ont e nt w e r e a l s o t e s t e d wi t h d i f f e r e n t i a l s c a nn i n g c a l o r i me t r y( DSC) Th e r e s u l t s s ho w t h a t p ha s e c ha ng e c on c r e t e wi t h pa r a f f i n c a n s l o w d own bo t h t e mpe r a t ur e i nc r e a s i ng r a t e a nd t e m p e r a t u r e d r op pi n g r a t e；PCM mor t a r ha s muc h h i ghe r t he r m a l c o nd uc t i v i t y t h a n pur e pa r a f f i n a n d s l i ght l y l o we r t ha n or d i na r y mor t a r PCM m o r t a r ha s s i mi l a r l a t e n t he a t a nd p ha s e c ha nge t e mpe r a t u r e r a n ge t o t ho s e o f pu r e p a r a f f i n Ke y wo r d s：pa r a f f i n；t e m p e r a t u r e c r a c k；c o nc r e t e；t he r ma l p r op e r t y 相 变 材 料 ( p h a s e c h a n g e ma t e r i a l ，P C M) 可 以 在等温或近似 等温情 况下 ， 通 过 自身 的相转 变 吸 收或释放一 定的相 变潜热 ， 从 而达 到热 能储 存 和 温度 调 控 功 能 。 与 显 热 式 贮 热 相 比 ， 潜 热 式 贮 热 的贮热密度 高 ， 材料 的相变 潜热 远 远高 于其 显 热 ， 而且 潜 热 式 贮 热 的 贮 、 释 热 过 程 近 似 等 温 过 程 本文将 石蜡作 为相变 材料 掺人 混凝 土 中制成 相变控温混凝土( 简称 P C M 混凝土) ， 使 温度控制 机制与混凝 土结构 有机一 体化 ， 从 而 达到 机敏 控 温 、 防 止温 度 裂 缝 的效 果 讨 论 了 石 蜡 的 控 温 性 能及 P C M 混凝土的导 热性能 ， 利用差示扫 描量热 仪研究了不 同石蜡掺 量相变 控温砂 浆 ( 简称 P C M 砂 浆 ) 的热 性 能 1 试 验 水 泥 ： 4 2 5 普 通硅 酸盐 水泥 ； 相变 材料 ： 石 蜡 ， 德 国 S a s o l wa x 公司生产 ， 其相变温度范围为 5 4 5 8， 潜热为 2 0 0 J g 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 3 2 8 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 - 0 5 3 0 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 0 8 2 ) ； 吉林省 自然科学基金资助项 目( 2 0 1 2 1 5 1 6 6 ) 第一作者 ： 侯景鹏( 1 9 7 3 一) ， 男 ， 辽宁营 口人 ， 东北电力大学副教授 ， 博士 E ma i l ： h o u j i n g p e n g ma i l n e d u e d u c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 6 8 建筑材料学报 第 1 5卷 在混凝土的拌和过程中， 采用体积代砂法直接掺 入石蜡 混 凝 土配 合 比为 T ( 水 泥 ) ： 1 7 ( 水 ) ： y r i ( 砂 ) ： 埘( 碎 石 ) 一3 5 0 ： 2 0 0 ： 7 0 0 ： 1 1 0 0 ， 砂浆 配合 比为 ( 水 泥) ： T ( 水) ： ( 砂) 一1 ： 0 5 ： 3 ， 石蜡掺量为混凝土或 砂浆质量的 2 ， 4 9 6 石蜡和细骨料混合后的筛分 曲 线满足 区的筛分 曲线 ， 其颗粒级配符合要求 2试验结果和讨 论 2 1 P C M 砂 浆的 D S C分 析 将 P C M 砂浆试件放在空气 中养护 2 8 d ， 压碎 研磨 后采 用 D S C 2 9 2 0差 示 扫描 量 热仪 进 行 DS C分 析 ， 升温 速率 为 5 mi n 2 1 1 石蜡的 D S C分析结果 石蜡 的 D S C分析结果 如 图 1 所 示 由图 1可见 ， 在 升温过程 中， 石蜡 的 相变 起始 温 度 为 5 1 7 1 ， 最 大吸热温度为 6 0 1 4 ， 升温潜热为 2 0 2 5 0 0 J g ； 在降 温过程 中， 石蜡的相变起 始温度为 5 8 2 3 ， 最大放 热 温度为 5 4 6 3 ， 降温潜热为 2 0 5 1 0 0 J g 由图 1还可 以看见 ， 石蜡在约 4 4处有一放热峰 ， 但热值较小 出现 这种 情况 有两 种可 能 ： 一 种 可能 是该 石 蜡 含有 相 变温 度分 别 约 为 4 4 ， 6 0 的 2种 烷 烃 混合 物 ； 另 一 种 可 能是 4 4的相 变过程 可归 属 于石蜡 固一 固相 变 C H 以 上 的奇 数 烷 烃 和 C 。 。 H 。 以 上 的偶 数 烷 烃 会产 生 2次 相变 ， 在低 温 处 先发 生 固一 固相 变 ， 在 略高温处发生固一 液相变 ， 其总潜热接近于 固一 液相 0 岛 ( a ) Wi t h 2 ( b y ma s s ) p a r a f fi n 变时 的熔解 热 0 图 1 石蜡 的 DS C曲线 Fi g 1 DS C o f p a r a f f i n 2 1 2 P C M 砂浆 的 D S C分析结 果 图 2为 P C M 砂 浆 的 热 流 和 温 度 关 系 曲 线 由 图 2 ( a ) 可见 ， 石蜡掺量为 2 9 6 P C M 砂浆升温和降温 过 程 中 的相变 起 始 温度 分 别 为 5 2 1 2 ， 5 8 6 6 ， 升 温过程中的最大吸热温度 为 5 8 8 2， 降温过程中 的最大放热温度为 5 6 1 5， 升温、 降温潜热分别为 2 3 1 7 ， 2 4 4 1 J g 由 图 2 ( b ) 可 见 ， 石 蜡 掺 量 为 4 P C M 砂 浆 升 温 和 降 温 过 程 的 起 始 温 度 分 别 为 5 1 4 1 ， 5 8 3 3 ， 升 温 过 程 中 的 最 大 吸 热 温 度 为 5 8 8 4 ， 降温过 程 中的最 大 放 热温 度 为 5 5 9 4 ， 升温和降温潜热分别为 8 2 5 9 ， 8 3 6 0 J g 邑 昌 蕾 图 2 P C M 砂浆 的 DS C曲线 Fi g 2 DSC of PCM mo r t a r 若 石 蜡 的相 变 潜 热 以 2 0 5 0 0 0 J g计 ， 则 石 蜡 掺 量为 2 P C M 砂浆 的相 变潜 热应 为 4 1 0 0 J g ， 大 于试 验值 ( 2 3 1 7 ， 2 4 4 1 J g ) ， 这 主 要 是 由于 砂 浆 的 离 散性 大 ， 且 样 品用 量 很 小 所 致 ； 石 蜡 掺 量 为 4 P C M 砂 浆 的相变潜 热应 为 8 2 0 0 J g ， 与试 验值 ( 8 2 5 9 ， 8 3 6 0 J g ) 相 符 合 石 蜡 掺 人 砂 浆 后 ， 其 初 ( b ) Wi t h4 ( b yma s s ) p ara ffin 始升温和降温点 变化不大 ， 升温时最大吸热温度略 有降低 ， 降温时最大吸热温度略有升高 2 2 P C M 砂 浆的导 热性 能 采用 日本京都 电子公司生产的 QT M一 5 0 0导热 仪对 P C M 砂浆的导热系数进行 了测定 试件尺寸 为 4 0 minx1 3 0 minx1 6 0 mm， 在空气中养护 2 8 d 测 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 侯景鹏 ， 等 ： 石蜡 相变控温混凝土热性能研究 7 6 9 试 结果 见表 1 表 1 P C M 砂 浆导 热系数 Ta b l e 1 Th e r ma l c o n d u c t i v i t y o f P C M mo r t a r W ( m K) 石蜡 的导热系数很 小 ， 仅为 0 1 8 0 0 w ( m K) ， 这也是石蜡作为相变材料需要解决 的主要问题 5 。 由表 1 可 见 ， 石蜡 掺入 砂浆 后 ， 和石 蜡 相 比 ， P C M 砂 浆的导热系数提高了约 1 0倍 在气干状态下 ， 石蜡掺 量为 2 ， 4 P C M 砂浆的导热系数分别为 1 9 3 2 2 ， 1 7 3 1 6 w ( I I 1K) ， 与 普 通 砂 浆 ( 导 热 系 数 为 2 0 1 3 3 w ( IT I K) ) 相 比 ， 导 热 系 数 分 别 降 低 了 4 0 ， 1 4 0 ， 但仍 可 满足 砂浆 的导 热要 求 与气干状态的导热 系数相 比， 普通砂浆完全 干 燥状 态 的导热 系数 降低 了 1 1 0 ， 而 P C M 砂 浆 完 全干燥状 态 的导 热系数 降 幅却很 小 ， 石蜡 掺 量为 2 ， 4 P C M 砂 浆 的 导 热 系 数 仅 分 别 降 低 了 1 7 ， 1 2 这 是 由于 普通 砂 浆 的 吸湿 性 较 大 ， 在 空气中可以吸收较多的水分 ， 从而提高 了导热系数 ； 而 P C M 砂浆的吸湿性很小 ， 故其 导热系数基本保 持不变 吸水率 试验 ( 见表 2 ) 表 明， 随着石蜡 的掺 人 ， 砂 浆 的吸水 率 明显 下降 ， 石蜡掺 量为 2 ， 4 P C M 砂 浆 的 吸 水 率 分 别 是 普 通 砂 浆 的 5 9 7 ， 1 6 0 表 2 P C M 砂 浆的吸水率 Ta b l e 2 W a t e r a b s o r p t i o n r a t i o o f mo r t a r 2 3 P C M 混凝 土的控 温 性能 P C M 混凝 土试 件 尺 寸 为 1 6 0 mi l l 1 6 0 mm 4 0 0 mm， 在其四周 和底面放置 了1 0 0 mi l l 厚聚苯乙 烯板和 2 7 mm厚木模板 ， 用来模拟大体积混凝土一 维表 面 的散 热状况 外 置热 源及 数字 温度 控 制器 ， 以 模拟大体积混凝土 内部 的温度变化状况 ， 测温点位 于 长方体 试件 的中心 位置 将试 件带 模放 人试 验模 拟 室后 ， 开启 热 源加 热 ， 模拟室中的温度控制在 6 O左右， 当普通混凝土和 P C M 混凝土 内部 温度与模拟室 中温度接近时关掉 热源 试验结果见图 3 由图 3可见 ， 在升温过程 中， P C M 混凝土 在各 点的温度均低于普通混凝土对应 点的温度 当普通 图 3 普通混凝 土和 P C M 混凝 土温度场分布 Fi g 3 Te mp e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o n s o f c o mmo n c o n c r e t e a nd PCM c on c r e t e 混凝 土最 高 温度 接 近 环境 温 度 ( E T一6 2 ) 并 持 续 较长 时 间时 ， P C M 混 凝土 的 温度仍 然 呈 缓慢 上 升 趋 势 ， 最 终 升 温 至 5 9 ， 这 说 明 P C M 混 凝 土 有 一 部 分潜 在 能 量 没 有 释 放 出 来 在 降 温 过 程 中 ， 尽 管 P C M 混 凝土 降温 的初 始 温 度 低 于 普 通 混 凝 土 内部 温度 ， 但随着环境 温度 的下降， P C M 混凝土释放其 内部存贮的潜热， 其降温速度 明显低于普通混凝土 ， 因而 P C M 昆 凝土在降温过程中各点 的温度高 于普 通混 凝 土 对 应 点 的温 度 虽 然 P C M 混 凝 土 在 温 度 变化过程中没有出现相变平 台， 但仍可看到明显 的 相 变控 温 过程 ， 在升 温初 始 阶段 到 6 O期 间 具有 一 定 的温 控效 果 ， 当达 到相 变温 度 范 围时 ， 其 控 温作 用 明显增 强 3 结论 ( 1 ) 石蜡掺人混凝土中既可以降低其 内部的绝 对温升值 ， 又可以降低其升温和降温速率 ， 从 而防止 昆凝土 温度 裂缝 出现 ( 2 ) 与石蜡相 比， P C M 砂 浆的导热系数提高 了 约 1 O倍 ； 与普通砂浆相 比， 气干状态下石蜡掺量为 2 ， 4 P C M 砂 浆的导 热系数分别 降低 了 4 0 ， 1 4 0 ， 但仍可满足其使用要求 ( 3 ) 与气干 状 态 的导热 系 数相 比， 干燥 状 态下 普 通砂浆 的导 热 系数 降 低 了 1 1 0 ， 石 蜡 掺 量 为 2 ， 4 P C M 砂浆的导热系数分别降低 了 1 7 9 6 ， 1 2 ( 4 ) 石蜡掺入砂浆 中后对其相变潜热无影响； 石 蜡掺量为 2 9 5 ， 4 P C M 砂 浆的初始 升温和降 温点 变化不大 ， 升温时的最大吸热温度略有降低 ， 降温时 的最大吸热温度略有升高 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 7 0 建筑材料学报 第 l 5卷 参 考 文献 ： 1 2 3 4 CABEZA L F， CAS TELL A， BARRENECHE C， e t a 1 M a t e r i a l s u s e d a s PCM i n t h e r ma l e n e r gy s t o r a g e i n b u i l d i n gs ： A r e v i e w J R e n e wa b l e a n d S u s t a i n a b l e E n e r g y Re v i e w s ， 2 0 1 1 ， l 5 ( 3 )： l 6 7 5 1 6 9 5 EHI D R FLEI S CHER A S De v e l op m e n t a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f p a r a f f i n b a s e d s h a p e s t a b i l i z e d e n e r g y s t o r a g e ma t e r i a l s J En e r g y Co n v e r s i o n a n d M a n a g e me nt ， 2 01 2， 5 3( 3) ： 8 4 9 1 ARCE P， CASTELL( ) N C， CAS TEl I A ， e t a 1 Us e o f mi c r o e n c a p s u l a t e d PCM i n b u i l d i n gs a n d t h e e f f e c t o f a d d i n g a wn i n g s J E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 2 0 1 2 ， 4 4 ( 7 ) ： 8 8 9 3 史巍 ， 侯 景鹏 ， 张雄 石蜡相变控温大体积混凝 土性能 J 建 筑 材料学报， 2 O 1 O ， 1 3 ( 3 ) ： 4 1 4 4 1 7 S HI W e i ， HOU J i n g p e n g， ZHANG Xi o n g Pr o p e r t i e s o f ma s s 5 6 7 c o n c r e t e wi t h p a r a f f i n p h a s e c h a n g e ma t e r i a l J J o u r n a l o f Bu i l d i n g M a t e r i a l s ， 2 01 0， 1 3( 3 )： 4 1 4 4 1 7 ( i n Ch i n e s e ) 张东 有机相变蓄热复合材料导热性 能的实验研究 J 建筑材 料学报 ， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 1 ) ： 4 2 4 6 Z H ANG Do ng Ex p e r i m e n t a l s t u d y o n t h e r m a l c o n du c t i v i t y o f o r g a n i c p h a s e c h a n g e c o mp o s i t e s J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 8， l 1 ( 1 )： 4 2 4 6 ( i n Ch i n e s e ) GRI FF I TH S P W ， EAM ES P C Pe r f o r ma n c e o f c h i l l e d c e i l i n g p a n e l s u s i n g p h a s e c h a ng e ma t e r i a l s l u r r i e s a s t h e h e a t t r a n s p o r t me d i u m J Ap p l i e d Th e r ma l En g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 1 0 ) ： 1 7 5 6 1 76 0 FI S CH ER U RTh e r ma l c o n d u c t i v i t y a n d h e a t c a p a c i t y me a s u r e me n t s o f p a r a f f i n e mb e d d e d i n a p o r o u s ma t r i x C f Th e r rea l C o n d u c t i v i t y 2 8 T h e r ma l Ex p a n s i o n N e w B r u n s wi c k： DES t e c h Pu bn c a t i o ns ， 2 0 0 6： 5 1 7 5 2 3 欢迎订阅 2 0 1 3年 砖瓦 杂志 烧结砖 瓦、 砌块 、 墙板 、 砼彩 瓦、 路砖 砖瓦 杂志 1 9 7 1 年创刊 ， 是国内外公开发行的、 面向我国墙体屋面材料行业的核心优秀科技期刊， 中国 学术期刊综合评价数据库 ( C A J C E D) 统计 源期刊、 中国期 刊全文数据库( C J F D) 全文 收录期 刊、 “ 万方数据一 数字化期刊群” 核心期刊 砖瓦 杂志权威报道以烧结砖瓦为主的墙体屋面材料行业发展动态、 最新科研成 果 、 新技术、 新装备、 新工艺及节能环保 、 工业废弃物烧砖瓦技术 是 中国砖 瓦界与国际交流 的重要窗 口， 是 广大读者获取行业最新信息和技术的重要渠道 ， 也是科技人员进行学术探讨、 技术交流的重要平 台 每年 由 砖 瓦 杂 志社主 办 的技术 交流行 业博 览会 得 到了砖 瓦行 业 的极 大 关注 对 推 动 中 国砖 瓦 工业 科 技 发展 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