改性石墨對蓄熱混凝土的性能影響研究

朱建在，荊汝林，邱河梅，成 斌，朱教群，周衛(wèi)兵，孫 正

（1.中廣核太陽能開發(fā)有限公司，北京 100048；2.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430070）

中國是一個發(fā)展中大國，又是一個建筑大國，每年新建房屋面積高達(dá)17～18億m2，超過所有發(fā)達(dá)國家每年建成建筑面積的總和。隨著全面建設(shè)小康社會的逐步推進(jìn)，建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，建筑能耗迅速增長［1］。

國民經(jīng)濟(jì)要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，推行建筑節(jié)能勢在必行、迫在眉睫。中國建筑用能浪費極其嚴(yán)重，而且建筑能耗增長的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中國能源生產(chǎn)可能增長的速度，如果聽任這種高耗能建筑持續(xù)發(fā)展下去，國家的能源生產(chǎn)勢必難以長期支撐此種浪費型需求，從而不得不被迫組織大規(guī)模的舊房節(jié)能改造，這將要耗費更多的人力物力。在建筑中積極提高能源使用效率，就能夠大大緩解國家能源緊缺狀況，促進(jìn)中國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展［2］。因此，建筑節(jié)能是貫徹可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、實現(xiàn)國家節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)、減排溫室氣體的重要措施，符合全球發(fā)展趨勢［3］。

混凝土作為現(xiàn)行建筑中用量最大的建筑材料，其節(jié)能效率直接關(guān)系到整個建筑的節(jié)能效果。因而研究蓄熱混凝土材料具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景［4，5］。

目前儲熱材料根據(jù)其儲熱過程不同可分為：顯熱儲熱材料，相變材料、化學(xué)反應(yīng)儲熱材料三大類。其中，相變材料包括：固—液相變、液—氣相變、固—氣相變和固—固相變材料四類［6］。作為應(yīng)用的蓄熱材料，其要求滿足以下幾點要求：（1）儲熱密度大。對顯熱儲熱材料要求材料的熱容大；對潛熱儲熱材料要求相變潛熱大；對于化學(xué)反應(yīng)儲熱材料要求反應(yīng)的熱效應(yīng)大。（2）穩(wěn)定性好。對單組分材料要求不易揮發(fā)和分解；對多組分材料，要求各組分間結(jié)合牢固，不能發(fā)生離析現(xiàn)象。（3）無毒、無腐蝕、不易燃易爆，且價格低廉。（4）導(dǎo)熱系數(shù)大，能量可以及時的儲存或取出。（5）不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)化時，材料體積變化要小。（6）具有合適的使用溫度［7，8］。

根據(jù)前期研究成果，對蓄熱混凝土材料進(jìn)行改性研究，研究其中組分對蓄熱混凝土的性能影響。

1 材料制備

1.1 原材料

該實驗采用遵義縣鴨溪盛華水泥有限公司生產(chǎn)的鋁酸鹽鋁CA－80水泥作為膠凝材料。集料為玄武巖（3～5mm）以及熱容較高的棕剛玉（1～3mm）、棕剛玉（0～1mm）料。陜西某公司生產(chǎn)的純度99%的硅微粉、純度95%的礬土粉、鋁微粉，均全部通過80μm標(biāo)準(zhǔn)方孔篩。采用自制的高效減水劑，減水率為20%。碳化硅為化學(xué)純，200目。鋼纖維為20mm長的耐火鋼纖維。石墨粉為上海國藥生產(chǎn)，純度≥99.85%。碳纖維長度為5mm，在450℃的箱式節(jié)能電阻爐中保溫2h后冷卻備用。

石墨粉的改性：取模數(shù)m＝2.2～2.5的水玻璃加入適量的水將其調(diào)成體積濃度20%左右的溶液，將稱量好的石墨粉加入水玻璃溶液中，加入1.0g十二烷基苯磺酸鈉，在80℃恒溫水浴鍋中保溫并攪拌3h，待反應(yīng)完成后，用蒸餾水反復(fù)洗滌3遍，然后放入烘箱中干燥冷卻后備用。

1.2 實驗配合比設(shè)計

試驗在前期研究的蓄熱混凝土基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，蓄熱混凝土配比見表1。

表1 蓄熱混凝土配比 w/%

1.3 測試方法

儲熱混凝土的力學(xué)性能測定依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）。按照規(guī)定進(jìn)行測定。

導(dǎo)熱系數(shù)測定依據(jù)《非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定－熱線法》（GB/T 10297—1998），使用檢測設(shè)備為QTM－500導(dǎo)熱系數(shù)測試儀，檢測條件為加熱電流：I2＝6.0～9.0，測試環(huán)境：室溫22℃，濕度36%。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 樣品力學(xué)性能測試

將原材料按照表1配比進(jìn)行拌合制樣，將攪拌好的混合料倒入40mm×40mm×160mm鋼模中，放置振動臺上1～2min后刮平表面。先在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)1d，然后脫模，放入電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中（80±5）℃干燥處理2d，最后在110℃烘箱內(nèi)烘烤1d。取出試樣進(jìn)行抗壓和抗折性能測試。檢測結(jié)果見表2。

表2 力學(xué)性能結(jié)果 /MPa

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)可以看出，對比發(fā)現(xiàn)摻加3%改性石墨粉的混凝土的抗折強(qiáng)度比摻加未改性的石墨粉的混凝土強(qiáng)度約下降了30%，同樣其抗壓強(qiáng)度也比摻加未改性石墨粉的抗壓強(qiáng)度下降23%。分析原因主要為石墨粉吸水性比較大，在混凝土中吸收大量水，導(dǎo)致整個混凝土的水灰比降低，而水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的最重要指標(biāo)，因而摻加未改性石墨粉的混凝土強(qiáng)度比摻加改性石墨粉混凝土強(qiáng)度要高。

2.2 樣品相同流動性條件下力學(xué)性能測試

將原材料按照表1中的配比進(jìn)行混凝土的拌合，然后進(jìn)行跳桌實驗，測得其流動度為230mm。然后將改性的石墨粉等質(zhì)量替換未改性的石墨粉，然后調(diào)試單位用水量，使其流動度為230mm，經(jīng)過多次實驗，最后得出所需用水量為5.5%，說明改性石墨粉能夠有效減少混凝土的單位用水量。將原材料按照表1中的配比進(jìn)行混凝土拌合，其中摻加3%石墨粉試樣用水量為7.2%，而摻加3%改性石墨粉的試樣用水量為5.5%，試驗方法與3.1中力學(xué)性能測試中一致，測試結(jié)果見表3。

表3 力學(xué)性能結(jié)果 /MPa

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)可以看出，從相同流動性條件下混凝土力學(xué)性能結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)摻加3%改性石墨粉的混凝土的抗折強(qiáng)度比摻加未改性石墨粉的混凝土強(qiáng)度約提高了22%，同樣其抗壓強(qiáng)度也比摻加未改性石墨粉的抗壓強(qiáng)度增加了26%。而相對于在相同用水量條件下，其抗折強(qiáng)度提高了75%，抗壓強(qiáng)度提高了64%。根據(jù)試驗結(jié)果分析可知，摻加改性石墨粉能提高混凝土的強(qiáng)度和流動性。分析原因主要為改性石墨粉減少了對水分的吸收，降低了水灰比，而水灰比是影響混凝土強(qiáng)度的最重要指標(biāo)，因而在相同流動性條件下?lián)郊痈男允鄣幕炷翉?qiáng)度比摻加未改性石墨粉混凝土強(qiáng)度要高。

2.3 宏觀結(jié)構(gòu)分析

在相同流動性條件下制備的試樣經(jīng)過破壞試驗后取出，進(jìn)行觀察，其破壞后截面見圖1和圖2。

分析截面可知，摻加未改性石墨粉和改性石墨粉的混凝土破壞后截面裂紋和斷裂面相似，用手碾壓其斷裂面時，摻改性石墨粉的混凝土的斷裂面集料脫落的情況明顯小于摻未改性石墨粉的混凝土。通過肉眼觀察，摻改性石墨粉混凝土破壞后的斷裂面氣孔少于摻未改性石墨粉混凝土，且摻未改性石墨粉的混凝土破壞后截面的氣孔孔徑要大于摻改性石墨粉的混凝土。

2.4 導(dǎo)熱系數(shù)

熱導(dǎo)率是衡量儲熱材料一個重要指標(biāo)參數(shù)。測試的方法為傳統(tǒng)的平板法，測試結(jié)果見表4。

表4 導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果 /（W·（m·K）－1）

分析得制備的儲熱混凝土，摻加未改性石墨粉的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為2.76W/（m·K），而摻加改性石墨粉的混凝土導(dǎo)熱系數(shù)為2.54W/（m·K），降低幅度為8%。主要原因為改性的石墨粉表面包覆一層SiO2，而SiO2的導(dǎo)熱系數(shù)較低，在摻加改性石墨粉的混凝土中，SiO2起著一層隔熱作用，阻礙了石墨粉導(dǎo)熱性能的發(fā)揮，導(dǎo)致其導(dǎo)熱系數(shù)降低，但是由于用水量減少，體系密實度提高，其導(dǎo)熱系數(shù)減低幅度并不明顯，與摻未改性石墨粉的混凝土的相差不大。

2.5 吸濕性能比較

吸濕性能是影響混凝土蓄熱性能的一個重要指標(biāo)。測試的方法為將養(yǎng)護(hù)好的試樣先在110℃烘箱中烘干至恒重，然后稱其質(zhì)量，再將試樣放在20℃的水中浸泡24h，然后取出擦干表面水分，稱其質(zhì)量。根據(jù)該方法記錄測試結(jié)果見表5。

表5 吸濕性能結(jié)果比較 /g

根據(jù)表4中比較摻加未改性石墨粉和改性石墨粉混凝土的吸濕性能發(fā)現(xiàn)，摻加3%未改性石墨粉的混凝土，其吸濕率達(dá)到5.0%，而摻加3%改性石墨粉的混凝土，其吸濕率為2.6%。根據(jù)結(jié)果比較可知，摻加改性石墨粉的混凝土能夠有效減少對水分的吸收，主要原因為改性的石墨粉表面包覆一層SiO2，而SiO2為無機(jī)物，不吸收水分，在摻加改性石墨粉的混凝土中，SiO2起著阻隔作用，阻礙了混凝土吸收外部水分。

3 結(jié) 論

采用特殊方法改性石墨粉，然后摻加到混凝土中，研究石墨粉改性前后對混凝土性能的影響，主要為強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能、吸濕性能。通過結(jié)果比較分析可知，在原材料相同，制備工作性能相同的混凝土，摻加改性石墨粉的混凝土強(qiáng)度要大于摻加未改性石墨粉的混凝土強(qiáng)度，其抗折強(qiáng)度提高了22%，抗壓強(qiáng)度提高了26%。而導(dǎo)熱系數(shù)有一定程度的降低，但是仍然有2.54W/（m·K），具有優(yōu)異的導(dǎo)熱能力，其吸濕性卻小于摻加改性石墨粉的混凝土。說明改性的石墨粉表面為一層SiO2薄膜，在混凝土中可以起到減少用水量，提高強(qiáng)度，密實度、防水等作用。結(jié)果說明，摻加改性石墨粉具有優(yōu)異的實用性，具備良好的應(yīng)用價值。

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