可再生能源利用的相變儲能陶粒礦渣砌塊配比研究

殷琪 胡順新

摘 要：在分析陶粒礦渣砌塊配合比的基礎上，根據工程需要，對以“工業固廢”制成的骨料為主要材料的砌塊進行試制和強度試驗。本文主要以相變儲能陶粒礦渣混凝土砌塊為研究隊形，對配合比設計、試制及抗壓強度試驗情況進行論述。

關鍵詞：礦渣;相變材料;配合比設計;抗壓強度

中圖分類號：TB34 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）19-0103-03

Abstract： This paper discusses the preliminary mix design and research of phase change energy storage ceramsite slag block based on renewable energy utilization. On the basis of analyzing the mix proportion of ceramsite slag block， this paper expounds that the aggregate made from industrial solid waste is the main parameter， and according to the engineering needs， the trial production and strength experiment of the block are carried out. This paper mainly discusses the mixture ratio design， trial production and compressive strength test of phase change energy storage ceramsite slag concrete block.

Keywords： slag;phase change materials;mix proportion design;compressive strength

目前，我國大部分建筑都屬于高能耗建筑，單位面積建筑能耗為發達國家的3～5倍，因此降低建筑能耗已成為我國節能降耗的主要目標之一。建筑能耗中，墻體材料所占的能耗最大，占整體比例的60%以上[1]。我國現有建筑中，95%以上都是高能耗建筑，嚴重污染環境，已經成為沉重的能源負擔，制約了我國的可持續發展[2]。

廣西壯族自治區有著得天獨厚的區位優勢和資源優勢。隨著廣西北部灣經濟區的發展規劃，礦產資源型產業產能迅速增長[3]，同時礦渣、粉煤灰等工業固體廢物（以下簡稱“工業固廢”）的產生量持續增加。利用資源化處理后的礦渣、粉煤灰等材料制成陶粒作為骨料，將石蠟和硬脂酸丁酯、癸酸和月桂酸二元低共熔體系等相變材料，以真空吸入的方式吸附到陶粒中，按絕對體積法進行相變材料和其他組成材料的配合比設計研究，能夠生產出可再生能源再利用的相變儲能陶粒砌塊。

根據工程需求，與廣西萬眾檢測有限公司進行合作，對相變儲能陶粒礦渣混凝土砌塊的初步配合比設計、試制及抗壓強度試驗情況進行論述，可作為今后項目研究的參考依據。

1 相變儲能陶粒礦渣砌塊原材料的制備

1.1 相變材料的選擇

試驗主要是制備相變適宜溫度為25 ℃±1 ℃、性能穩定的相變材料。通過相變溫度和相變潛熱系數等條件進行初步篩選，選擇石蠟-硬脂酸丁酯和癸酸-月桂酸兩種復合相變材料進行研究。砌塊所需相變材料除了需要滿足相變溫度適宜、成本低、原材料容易獲取、沒有腐蝕性、熔點低和無溫度過冷相分離等條件外，還應具備經多次相變循環后質量依然穩定的特質。因此，對這兩種復合相變材料進行加速熱循環試驗，研究其相變溫度和相變潛熱系數的變化[4]。

在兩支試管內分別加入5 g癸酸質量分數為50%的癸酸-月桂酸復合相變材料和石蠟質量分數為60%的石蠟-硬脂酸丁酯復合相變材料。用橡皮塞塞住試管口，隔絕外界空氣。把裝有相變材料的試管通過溫度為60 ℃的水浴加熱熔化，完全熔化后將試管利用溫度為0 ℃的冰水浴冷卻凝固，這個過程即一個相變循環。分別對兩支試管進行50、100、200、500次相變循環[4]，在達到上述相變循環次數后打開試管，取出大約10 mg的量進行差示掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter，DSC）測試分析，測試結果見表1。

表1中的試驗數據表明，兩種復合相變材料隨相變循環次數的增多，相變溫度和相變潛熱的變化沒有明顯規律。兩種復合相變材料在經過500次相變循環試驗后，與最初測試值相比，其相變溫度和相變潛熱變化值都很小，表明兩種復合相變材料穩定性較好。因此，初步選定石蠟-硬脂酸丁酯和癸酸-月桂酸兩種材料作為制備陶粒的復合相變材料[5]。

1.2 相變儲能礦渣陶粒的制備

將污泥、礦渣、煤灰和黏土等原料自然晾曬一段時間后送到各自的料倉中。使用輥齒式破碎機對黏土進行破碎處理，使得黏土的粒度變得更小。通過螺旋輸送機將污泥、礦渣以及煤灰等原料輸送到雙軸攪拌機與破碎后的黏土進行充分混合和攪拌，再將攪拌后的混合料送到陳化堆場進行堆存。

混合料經過72 h陳化處理后再次送入雙軸攪拌機進行攪拌，然后使用對輥造粒機對其進行擠壓制粒。產出的顆粒料球由皮帶輸送機送入整形篩分機進行圓整處理，篩出小顆粒。合格的顆粒球送入雙筒插接式回轉窯進行預熱和焙燒，燒制出的陶粒成品落入冷卻機冷卻后，再由回轉篩分成5 mm、15 mm、25 mm這3種規格。

采用真空吸入的方式將相變材料吸附到陶粒中。將環氧樹脂、稀釋劑（丙酮）與固化劑（己二胺）按照20∶3∶5的質量比進行混合后，放入吸附了相變材料的陶粒并攪拌，使陶粒表面被環氧樹脂混合無完全包覆。10 s后撈出陶粒平攤，直至環氧樹脂固化，從而制成相變礦渣陶粒[5]。礦渣陶粒實物和微觀下陶粒內部的孔隙結構見圖1和圖2。

2 相變儲能陶粒礦渣砌塊混凝土配合比設計

根據《輕骨料混凝土應用技術標準》（JGJ/T 12—2019），采用絕對體積法進行相變儲能陶粒礦渣混凝土砌塊配合比設計，設計強度等級為LC20，詳見表2。其中：P代表基礎型混凝土，P系列混凝土的粗骨料是普通的礦渣陶粒;K系混凝土中的粗骨料是進行封裝相變材料環氧樹脂的礦渣陶粒;S系混凝土中的粗骨料是吸附了石蠟-硬脂酸丁酯復合相變材料的礦渣陶粒;G系混凝土中的粗骨料是吸附了癸酸-月桂酸復合相變材料的礦渣陶粒。需要說明的是，P系混凝土中的陶粒在預拌前要在自然狀態下吸水1 h;K系、S系以及G系混凝土中的相變材料在礦渣陶粒中的吸附率分別為51%、44%以及41%。儲能陶粒礦渣砌塊實物圖如圖3所示。

按照以上配合比制備砌塊，在標準養護條件下進行3 d養護。觀察發現，K系列砌塊產生了內部裂縫，原因是這類礦渣中所吸附的相變材料由固態轉化為液態產生了內應力，再加上混凝土初期的強度較低，加快了液態相變材料在砌塊內部組織的滲出。S系列和G系列未發現裂縫，組織結構密實、完整，可見封裝的兩種復合相變材料與其他組成材料具有較強的相容性。

3 相變儲能陶粒礦渣砌塊的力學性能試驗

根據《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019）對混凝土試件的基本力學性能進行試驗，試驗結果見表3。

根據試驗數據得知，兩種相變儲能陶粒礦渣砌塊在養護7 d和14 d時測得的抗壓強度均大于普通型混凝土陶粒礦渣砌塊，兩種相變儲能陶粒和其他材料的黏結性良好。因此，如何提高相變儲能陶粒礦渣砌塊的抗壓強度問題有待進一步研究。

4 結語

對基于可再生能源利用的相變儲能陶粒礦渣砌塊的制備、配合比設計和力學性能試驗進行闡述，發現石蠟-硬脂酸丁酯和癸酸-月桂酸屬于理想的相變復合材料。今后的研究將進一步篩選出性價比更高的相變材料做制備試驗，從而提高相變儲能陶粒礦渣砌塊的抗壓強度。

參考文獻：

[1]趙之貴.基于毛細管封裝相變材料的相變墻板性能研究[D].蘇州：蘇州科技學院，2014：1-3.

[2]鄧宇.國內建筑節能現狀及問題分析[J].廣西城鎮建設，2005（11）：6-7.

[3]胡雷.鋼渣粉-磷渣粉-礦粉復合摻合料海工混凝土的制備及性能研究[D].桂林：桂林理工大學，2020：1-2.

[4]徐仁崇.相變儲能混凝土的試制研究[D].重慶：重慶大學，2008：16-20.

[5]李莉.相變材料及其儲能混凝土的制備與性能研究[D].重慶：重慶大學，2010：45-49.

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