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不同石蠟含量的相變復合材料性能及建筑應用論文
建筑能耗在能源消耗中占比達到 30%,由此帶來的能源短缺和環(huán)境污染問題日益嚴重。 而加強對建筑節(jié)能和建筑用能的存儲及利用，可以減少建筑能耗[1,2]. 相變材料通過使用過程中相變反應存儲能量，能起到降低能耗損失的作用。 一般來說，相變材料的蓄熱方式包括化學反應蓄熱、潛熱蓄熱和顯熱蓄熱[3-5]. 其中，化學反應蓄熱工藝復雜，并且由于存在化學反應，對設備安全性要求較高，沒有得到廣泛應用。 顯熱蓄熱主要通過自身比熱容來存儲或釋放熱量，調節(jié)作用有限。 潛熱相變通過相變材料相變時吸收或釋放熱量的特點，可依靠外界環(huán)境溫度的變化達到儲能或釋放的目的， 具有蓄熱量大，控溫恒定，安全性高等特點，目前應用較為廣泛。 然而，單一相變材料存在過冷現(xiàn)象或導熱系數(shù)小等缺點，不能滿足實際應用[6]. 因此，需要開發(fā)新型相變材料，解決單一相變材料的缺點與不足[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合材料在表觀密度、抗壓強度、導熱系數(shù)等方面的變化，并討論其在建筑材料中的應用效果。
1 試驗材料及方法
1.1 復合相變儲熱水泥塊的制備
試驗材料為相變石蠟 RT28 和粒度為 270 μm（50 目）的 膨脹珍珠巖 ,以相變材料 RT28 質量分數(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,制得不同質量分數(shù) RT28的 RT28/EP-PCMs 復合相變材料。將膨脹珍珠巖、普通礦渣硅酸鹽水泥和水按質量比 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 均勻攪拌制得儲熱水泥塊。
1.2 測試方法
（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 分析天平測量樣品質量，用游標卡尺測量樣品長寬高， 根據公式 ρ=m/V 計算密度。 其中 ρ為樣品密度，m 為樣品質量，V 為樣品體積。
（2） 抗壓強度將水泥砂漿倒入標準試模中振動至表面呈現(xiàn)水泥漿，靜置 24 h 后拆模，常溫養(yǎng)護 7 d 進行抗壓強度測試。用壓力試驗機測試標準水泥塊抗壓強度，加載速率 80 kN/min. 根據公式 P=F/S 計算樣品抗拉強度，其中 P 為壓強，F(xiàn) 為壓力，S 為受力面積，每個條件測試 6 個取平均值。
（3）導熱系數(shù)采用導熱系數(shù)儀測試儲熱水泥塊導熱系數(shù)，將2 個規(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，分別用熱電偶測試立方體上方外壁、內壁、內部空間及外部環(huán)境溫度，氙燈照射 1 h 后關閉，記錄溫度上升和下降變化趨勢曲線。
2 試驗結果及分析
2.1 儲熱水泥板表觀密度
圖 1 為復合相變材料表觀密度隨 RT28 含量的變化曲線。 可以看出，隨著復合相變材料中 RT28 含量的增加，儲熱水泥板表觀密度逐漸增加。當不添加RT28 時，儲熱水泥板表觀密度為 0.304 g/cm3;當添加 RT28 質量分數(shù)為 40 %時，儲熱水泥板表觀密度達到 0.454 g/cm3,提高了 49.01 %. 分析認為，RT28加入后被吸附進入 EP 孔腔結構， 對復合相變材料體積影響不大。 隨著 RT28 含量增加，儲熱水泥板質量增加，所以儲熱水泥板表觀密度增大。
2.2 儲熱水泥板抗壓強度
圖 2 為不同 RT28 含量時儲熱水泥板 7 天抗壓強度變化曲線。 可以看出，隨著 RT28 含量的增加，儲熱水泥塊抗壓強度增大。 不添加 RT28 時，儲熱水泥板抗壓強度為 0.32 MPa; 添加量分別為 10%、20%、30%和 40%時，儲熱水泥塊 7 天抗壓強度依次為 0.36、0.47、0.52 和 0.59 MPa, 比不添加 RT28 時分別提高 12.5%、46.9%、62.5%和 84.3%. 7 天抗壓強度均大于 0.30 MPa,滿足行業(yè)標準要求。
2.3 儲熱水泥板導熱系數(shù)
圖 3 為不同 RT28 含量儲熱水泥板導熱系數(shù)變化曲線。 可以看出，儲熱水泥板導熱系數(shù)隨著 RT28含量的增加而增加。當 RT28 含量從 0%增加到 40%時， 儲熱水泥板導熱系數(shù)從 0.114 W/m·K 增加到0.145 W/m·K. 分 析認為 , 由于 RT28 導 熱系數(shù)0.276 W/m·K 大 于空氣的導熱系數(shù) 0.023 W/m·K.與添加 EP 相變材料相比，添加 RT28 與 EP 復合相變材料后，RT28 進入 EP 孔腔結構中， 取代空隙中的氣體，水泥板導熱系數(shù)提高。 隨著 RT28 含量增加越多，EP 內部空隙填充越多， 復合相變儲熱水泥板導熱系數(shù)增加。
2.4 節(jié)能效果分析
圖 4 為不同 RT28 含量相變復合材料上板外壁與內部空間溫差變化曲線。 可以看出，隨著 RT28 含量的增加，內部空間溫度升高和降低速率逐漸減小，上板外壁與內部空間溫差逐漸增大。 RT28 含量分別為 10%、20%、30%和 40%時， 上板外壁與內部空間溫差依次為 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，儲熱水泥板隔熱性能顯著提高。分析認為，上板外壁離熱源較近，升溫最快，內部空間離熱源最遠，升溫較慢。 同時，RT28 加入后，溫度升至 28 ℃時發(fā)生固液轉變儲存熱量，使立方體內部熱量減少，從而提高了儲熱水泥板的隔熱功能，使溫差變大。 關閉熱源后，立方體內部空間經過一段時間后溫度仍高于上臂溫度，主要為 RT28 的液固轉變而釋放能量。 RT28 含量越高，調節(jié)效果越好。
3 結論
制備了不同含量 RT28 復合相變材料 RT28/EP-PCMs 的儲熱水泥板。 發(fā)現(xiàn)隨著復合相變材料中RT28 含量的增加，儲熱水泥板表觀密度、抗壓強度和導熱系數(shù)增加，隔熱效果越好。
參考文獻：
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