相變儲能混凝土研究現狀與展望

曹 磊 張佳旭 馮福寶 夏其云 高蘇鵬

宿遷學院建筑工程學院（223800）

隨著經濟社會的發(fā)展，人們對居住空間舒適度的要求不斷提高，由此產生的建筑能耗也越來越大。我國單位建筑面積的能耗是同緯度發(fā)達國家的2 倍以上[1]。為降低建筑業(yè)高能耗的現狀和為實現2020 年CO2排放量與2005 年相比減少40%～50%的承諾[2]，我國在大力推廣綠色建筑、提高能源利用效率、節(jié)能減排等方面采取了許多有力舉措[3]。近年來，國內外許多學者在外墻保溫系統(tǒng)、幕墻保溫系統(tǒng)、建筑儲能系統(tǒng)等方面做了大量的研究[4]，相變儲能混凝土是建筑儲能系統(tǒng)的一個重要實現途徑。文章將從相變儲能混凝土的制備方法、力學性能等方面闡述其研究進展，旨在為相變儲能混凝土的研究和應用提供參考。

1 相變儲能混凝土的應用

相變混凝土包括:①相變儲能混凝土。主要應用于建筑保溫和路橋面抗凍融；②相變控溫混凝土。主要用于大體積混凝土和建筑抗火等。

1.1 制備方法

1）浸漬法。直接將多孔混凝土浸漬在液態(tài)的相變材料中吸附一定時間后制得相變混凝土。應用這種方法制得的相變混凝土，其性能受吸附率、相變材料種類和相變溫度的影響較大，一般用于空隙率較大的加氣混凝土中。在使用過程中，當相變材料轉化成液態(tài)時容易發(fā)生泄漏現象，不僅影響相變混凝土的使用壽命，還會造成環(huán)境污染等問題[5]。

2）直接混合法。在相變材料加入混凝土之前，將其制成微膠囊，再將微膠囊添加至混凝土中，從而制備出相變混凝土。雖然這樣做可以保證相變材料的性能以及混凝土的強度和耐久性，但工藝復雜、成本較高，不易在實踐中推廣應用[6]。

3）多孔骨料吸附法。將陶粒、膨脹珍珠巖等多孔骨料放入液態(tài)相變材料中，使液態(tài)相變材料吸附在筋骨料的空隙中，再將吸附后的骨料摻入混凝土中制得相變混凝土。與浸漬法相比，此法制得的相變混凝土不易發(fā)生泄漏現象，且相變材料的特征亦幾乎沒有變化，但容易造成混凝土強度的降低[7]。

1.2 力學性能

大量的研究表明，摻入不同相變材料的混凝土與普通混凝土相比，其強度均會降低；但摻入適量的外摻料可改善混凝土的力學性能。

劉福戰(zhàn)等[8]以石蠟（SH）為相變材料，膨脹珍珠巖為基體材料制備相變儲能材料，替代砂制得的相變混凝土，并對考慮了替砂率和SH 吸入量兩個因素的相變混凝土進行了混凝土立方體抗壓強度試驗。結果顯示:替砂率和SH 吸入量分別不大于50%和100%的混凝土，其強度相較于普通混凝土降幅不大。

石憲等[9]以正十二醇為相變材料、陶粒作為基體材料，采用真空吸附的方式制作相變復合材料，并用樹脂和改性水泥將其封裝。結果表明:經歷50 次相變循環(huán)后，相變儲能陶粒混凝土的抗壓強度不變；采用樹脂和改性水泥進行封裝的相變儲能陶粒混凝土的28 d 抗壓強度分別為普通陶粒混凝土抗壓強度的84.62%和90.88%。

Xu Biwan 等[10]以石蠟和硅藻土制備了復合相變材料，并將其直接摻入混凝土中制備相變儲能混凝土。結果表明:當摻量為30%時，相變儲能混凝土的28 d 抗壓和抗折強度分別下降了48.7%和47.5%。

王文濤等[11]開展了以活性炭儲能骨料（以硬脂酸丁酯為相變材料，活性炭為柱狀活性炭顆粒吸附） 按0%、10%、15%、20%和25%五種比例取代陶粒制備相變陶粒混凝土的抗壓強度、劈裂強度試驗研究。研究結果表明:隨著活性炭儲能骨料的摻入量的增加，相變混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的損失率均會增加；滿足工程需要的合理的活性炭儲能骨料摻入量為15%，此時的抗壓強度損失率和劈裂抗拉強度損失率分別為4.0%和9.4%。

針對以硬脂酸丁酯為相變材料，并以膨脹珍珠巖吸附相變材料制成的相變骨料替代砂（體積替代比例為0%～20%）、硅粉替代水泥（質量替代比例為0%～20%） 為變化參數的20 組相變儲能混凝土，開展了混凝土立方體抗壓強度正交試驗研究。研究結果顯示：當硅粉摻量一定時，混凝土的抗壓強度隨相變儲能骨料摻量的增加幾乎成線性下降；當硅粉以5%等質量取代水泥、 相變儲能骨料以20%等體積取代砂時制得的混凝土，其強度與普通混凝土基本無異。

冀志強等[12]使用以癸酸-正辛酸為復合相變材料，膨脹珍珠巖為基體材料制得的相變儲能骨料替代石子制備相變混凝土，并對其進行力學性能試驗。結果顯示:當替代量為30%時，相變膨脹珍珠巖混凝土的軸心抗壓強度可達到25.5 MPa，滿足C40 混凝土的軸心抗壓強度標準值。

武澤福等[13]以膨脹珍珠巖吸附硬脂酸制得的相變儲能骨料與硅粉，按一定比例摻入混凝土中制得相變儲能混凝土，并對其進行了動態(tài)力學性能試驗。研究結果表明:相變骨料的摻入可使混凝土的強度降低約10%，但硅粉的摻入可提高混凝土的動態(tài)抗壓強度，硅粉的摻量宜控制在10%～15%；聚丙烯纖維和玄武巖纖維的加入能夠增強混凝土的動態(tài)抗壓強度和劈裂強度，二者的較優(yōu)摻量分別為1.5 kg/m3和 1.8 kg/m3。

陳永根等[14]將癸酸與正辛酸按30∶70 的質量比振蕩混合制得相變材料，以活性炭為基體，通過浸泡吸附的方式制得活性炭儲能骨料；用活性炭儲能骨料按10%的摻量等體積替代石子，用硅粉和粉煤灰按10%的摻量等質量替代水泥制得相變混凝土。分別測試該混凝土在 3 d、7 d、25 d、56 d、90 d 齡期下的強度指標，結果顯示：單摻粉煤灰的相變混凝土的抗拉強度最低；雙摻硅粉和粉煤灰的相變混凝土在齡期為90 d 時的強度與普通相變混凝土的強度相同。

顧皖慶等[15]以月桂酸為相變材料、膨脹珍珠巖吸附制得的相變儲能骨料，按5%～20%的比例替代陶粒輕骨料制備相變混凝土，并對其進行立方體抗壓和劈裂試驗。試驗結果表明：當骨料摻量為20%時，粉煤灰陶粒混凝土和頁巖陶粒混凝土的立方體抗壓強度分別降低了21.86%和26.17%、 劈拉強度分別降低了22.18%和28.27%。

司亞余等[16]使用以活性炭為基材吸附癸酸-正辛酸復合相變材料制得的儲能骨料按0%、5%、10%、15%和20%的比例等體積替代石子，用粉煤灰按以上比例分別替代水泥，并摻入一定量的硅粉，制備了相變混凝土；并對其進行了力學性能試驗。結果顯示: 當單摻儲能骨料或粉煤灰分別不超過5%和10%、 雙摻儲能骨料和粉煤灰不超過5%和10%時，混凝土的強度損失均在10%以內；隨著儲能骨料和粉煤灰摻量的增加，混凝土的強度損失率增大，混凝土抗壓強度和抗拉強度的最大損失率分別為38.09%和28.25%；但是加入硅粉后，混凝土的抗壓強度和抗拉強度分別提高了16%和10%。

王永偉等[17]制備了定形PEG/SiO2/石墨復合相變蓄熱混凝土，并對其進行了力學性能試驗。結果顯示：相變蓄熱骨料的加入使得混凝土的抗壓強度有所降低；相變蓄熱骨料替代粗骨料的比例不宜超過80%。

混凝土中的水分在冰點以下時會結冰膨脹，對混凝土內部空隙形成壓應力，升溫后會融化，長期的凍融交替容易使混凝土產生裂縫。因此，很有必要研究相變混凝土的抗凍融性能。

劉赫等[18]通過步冷試驗優(yōu)選出相變溫度在0 ℃～5 ℃的相變儲能材料，并以耐腐蝕空心鋼管作為封裝材料，設計制作了橋面板結構層，并進行了抗凍性試驗。“快凍法”試驗結果表明:橋面的抗凍等級超過D300，抗凍融效果良好，相變循環(huán)穩(wěn)定性亦較好。

聶志新等[19]制備了月桂酸/膨脹石墨相變混凝土，測定其 200 次熱循環(huán)后的質量損失率為3.58%，說明該相變混凝土的熱穩(wěn)定性良好。

2 相關建議

目前，國內外學者對相變儲能混凝土已經做了大量的試驗研究與理論分析，為相變混凝土的推廣應用奠定了良好的基礎。為使相變儲能混凝土更好地應用于工程實踐，仍需大力開展以下工作:

1）實際節(jié)能效果研究。為了準確界定相變儲能混凝土的節(jié)能效率，最有效的辦法就是建立足尺或縮尺的房屋模型，并展開溫控效果的測試與模擬，但目前很少有學者開展這方面的研究工作。建議在有條件的情況下開展實際房屋模型節(jié)能效果研究。

2）力學性能系統(tǒng)研究。現有關于相變混凝土力學性能的研究主要集中在立方體抗壓強度、劈裂強度方面，試驗結果的離散性較大，并不能直接指導工程實踐應用。建議系統(tǒng)開展相變混凝土立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、彈性模量等力學性能影響的試驗研究以及凍融循環(huán)對各強度指標的影響規(guī)律研究，并給出各力學性能指標的標準值與設計值，以使相變儲能混凝土更好地應用于結構設計中。

3）相變材料為液態(tài)時的混凝土力學性能研究。目前，大部分的試驗主要是在相變材料為固態(tài)時進行的，當相變材料達到其相變溫度呈液態(tài)時的混凝土力學性能規(guī)律應值得學者們注意并加以研究。

4）耐久性能及設計方法研究。目前，有部分學者開展了相變儲能混凝土的耐久性能研究，但試驗不夠系統(tǒng)，相變儲能混凝土的耐久性設計是否能直接采用現有的規(guī)范仍需要更多的試驗加以驗證。

5）對結構構件受力性能的影響研究。目前，關于對相變混凝土結構構件的試驗與理論研究的文獻很少，相變混凝土與鋼材之間的共同工作性能、相變儲能混凝土結構構件的受力機理、承載力計算方法等尚不明確。今后，加強對相變儲能混凝土結構構件的試驗和理論研究是很有必要的。