添加石蠟的復合充填材料熱學性能實驗研究★

張小艷 王 杰 韓子怡 馮云豪 李世芳

(西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054)

1 概述

目前我國面臨深部開采的礦山約占全國礦山總數(shù)的90%，高地應力造成的安全問題、高地溫帶來的熱害問題日益成為制約深部礦床有效開采的重要因素。充填采礦法是控制地壓、控制圍巖崩落和地表移動的有效措施，如果在充填材料中添加部分蓄熱材料，則可以利用其蓄熱性能吸收圍巖及采場風流熱量進行蓄熱，為地熱的有效開采提供便利條件，在吸收地熱同時實現(xiàn)采場降溫，所以，添加蓄熱材料的充填體熱學性能研究成為充填采礦—地熱開采—采場降溫的關鍵所在。

建筑行業(yè)通過在建筑圍護結構中添加相變蓄熱材料，來改善圍護結構的蓄熱特性[1]，于瑞文等[2]對復合相變蓄熱墻體的傳熱特性、傳熱機理、熱物性參數(shù)進行研究。Hawes等[3]以添加多種復合相變材料的不同類型的混凝土為研究對象，就其儲熱特性進行了研究。吳曉東[4]把無機復合相變儲能材料封裝在膨脹珍珠巖中，制成相變建筑墻體并測量其節(jié)能效果。Silva等[5]和Alawadhi[6]研究了在多孔磚孔洞內充注相變材料后的熱性能。王宏麗[7]選用石蠟與硬脂酸正丁酯制備復合相變材料，并與建筑材料混合得到砌塊，對比普通砌塊溫室與相變材料砌塊溫室的溫度分布。戰(zhàn)偉[8]對摻加了微膠囊相變材料的混凝土試件的力學和熱學性能進行實驗測試，并對不同相變材料摻量試件的抗壓強度和熱工性能進行分析比較。

本研究以某鐵礦尾砂添加水泥作為基本充填材料，灰砂比1∶6，然后以相變溫度30 ℃的石蠟微膠囊作為蓄熱材料部分替代尾砂制備蓄熱充填料漿，固化形成蓄熱充填體，對不同料漿濃度、不同石蠟添加比例的蓄熱充填體的熱學性能進行實驗測試與分析，為充填料漿的配比優(yōu)化、充填體蓄熱釋熱特性研究等提供理論參考。

2 實驗與測試

本研究在充填材料中分別加入0%,5%,10%的石蠟微膠囊部分替換尾砂，并在充填料漿68%,70%,72%的濃度下，制備蓄熱充填體試件，實驗配比方案如表1所示，試件制備流程如圖1所示。物料先按預先設計的灰砂比(1∶6)以及石蠟添加量進行配比并混合攪拌均勻，再按比例加水攪拌制備濃度分別為68%,70%,72%的充填料漿，然后將充填料漿注入模具，待試件初步自立后，脫模并將試件放入溫度為20 ℃±2 ℃，相對濕度為95%以上的HWS-80型號標準養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護。

為了測試蓄熱充填體的熱學性能參數(shù)，取養(yǎng)護28 d的試件為研究對象，進行實驗參數(shù)測定：采用型號Q2000的DSC測試儀，在石蠟的相變溫度前后取點，分別測試試件在對應溫度下的定壓比熱容和焓變。

表1 實驗配比方案

3 蓄熱充填體的熱學性能分析

3.1 比熱容測試與分析

圖2所示為石蠟添加比例一定時，不同料漿濃度下充填體試件的定壓比熱容隨溫度的變化情況，圖示表明：石蠟添加比例一定時，一定溫度下充填體試件的定壓比熱容隨料漿濃度的增大而增大。相變溫度30 ℃，石蠟添加量為5%，料漿濃度從68%增加到72%時，定壓比熱容Cp增加了3.6%。原因分析：相同石蠟添加量時，料漿濃度越大，充填材料結構更致密，其孔隙率減小，孔隙內存在的空氣也相應減小，因此比熱容越大。

圖3所示為充填料漿濃度一定時，不同石蠟添加量下充填材料定壓比熱容隨溫度的變化情況。圖示表明：料漿濃度為定值時，定壓比熱容隨石蠟添加量的增加而增大。相變溫度30 ℃，當石蠟添加比例從0%增大到10%時，對于70%的料漿濃度，定壓比熱容從1.126 J/(kg·℃)增大到1.234 J/(kg·℃)，增加了約9.6%，在相變溫度前后其他溫度點處，石蠟添加量對比熱容的影響存在類似的變化規(guī)律，可見石蠟的添加能較大幅度的增強充填體的顯熱蓄熱能力。

3.2 比焓測試與分析

圖4所示為料漿濃度72%，石蠟添加比例依次為0%,5%,10%時，蓄熱充填體試件的熔解熱，圖示表明：熔解熱隨石蠟添加量的增加而明顯增大。料漿濃度為72%，石蠟添加比例依次為0%,5%,10%時，熔解熱分別為61.1 J/g,66.5 J/g,75.77 J/g，石蠟添加比例為5%,10%的充填體試件較不添加石蠟時熔解熱分別增大了約8.8%,24%。蓄熱充填材料在溫度30 ℃附近，熱流密度開始出現(xiàn)下降的趨勢，該點是相變轉變的溫度。

圖5所示為石蠟添加比例10%，料漿濃度依次為68%,70%,72%時，蓄熱充填體試件的熔解熱，圖示表明：熔解熱隨料漿濃度的增大而明顯增大，石蠟添加比例10%，料漿濃度依次為68%,70%,72%，熔解熱分別為46.36 J/g,62.5 J/g,75.77 J/g，料漿濃度為70%,72%的充填體試件較68%時熔解熱分別增大了約34.8%,63.4%。同樣在相變溫度30 ℃左右，熱流密度開始出現(xiàn)下降的趨勢。

比焓測試與分析表明：石蠟添加比例和料漿濃度的增加均能增大充填材料的熔解熱，使充填體具有良好的潛熱蓄熱能力。

4 結語

本文通過對添加石蠟微膠囊的相變蓄熱充填材料進行熱學性能的實驗測試與分析，得出的主要結論如下：

1)一定溫度下充填體試件的定壓比熱容隨料漿濃度的增大而增大，相變溫度30 ℃，石蠟添加量為5%，料漿濃度從68%增加到72%時，定壓比熱容Cp增加了約3.6%。定壓比熱容隨蓄熱材料添加量的增加而增大。相變溫度30 ℃，當石蠟添加比例從0%增大到10%時，對于70%的料漿濃度，定壓比熱容從1.126 J/(kg·℃)增大到1.234 J/(kg·℃)，增加了約9.6%，可見石蠟的添加能較大幅度的增強充填體的顯熱蓄熱能力。

2)熔解熱隨石蠟添加量的增加而明顯增大，料漿濃度為72%，石蠟添加比例為5%,10%的充填體試件較不添加石蠟時熔解熱分別增大了約8.8%,24%。熔解熱隨料漿濃度的增大而明顯增大，石蠟添加比例10%，料漿濃度為70%，72%的充填體試件較68%時熔解熱分別增大了約34.8%,63.4%?？梢娛炋砑颖壤土蠞{濃度的增加均能增大充填材料的熔解熱，使充填體具有良好的潛熱蓄熱能力。