自封裝PCM石膏砌體調溫性能研究

付怡琳，端小亞，楊永杰，周博，王花枝

（蘭州大學 材料與能源學院，甘肅 蘭州730000）

0 引言

在“碳達峰”和“碳中和”的“雙碳”目標引領下，作為用能大戶的建筑行業如何進一步減少對傳統化石類能源的消耗和依賴，實現更加高效的建筑節能降耗以及減少二氧化碳排放，成為了當前必須認真對待和解決的重要課題。

相變儲熱建筑材料作為新興的功能型建筑材料，賦予了傳統建筑材料蓄熱調溫的能力，在建筑節能領域應用潛力巨大[1]。石蠟類相變材料是目前應用和研究非常廣泛的一類相變材料，其相變溫度涵蓋范圍廣，具有較大的相變潛熱，無腐蝕、無毒，性能穩定，沒有相分離和成本低等優點[2]，因而在相變儲熱建筑材料研究領域受到普遍青睞。

但石蠟和其他固-液相變材料一樣，在使用過程中的液態泄漏問題一直是制約其規模應用的瓶頸之一[3]。目前，相變儲熱建筑材料通常采用以下幾種方法解決相變材料的泄漏問題：（1）先將相變材料制備成膠囊后再與建筑材料復合[4]；（2）將相變材料封裝在銅管等管道中，再置入建筑材料中[5]；（3）將相變材料與膨脹石墨、聚乙烯等多孔基體復合后，再與其他原料一起混合制備復合相變建筑材料[6-7]；（4）將制備好的建筑材料，如墻體材料，通過浸泡的方法將相變材料吸附到建筑材料中，從而實現相變材料和傳統建筑材料的復合[8]。其中，第（1）種方法通常是在配料時將膠囊化的相變材料與其他原料混合，因此，隨著膠囊摻量的增加，制備的復合相變材料強度會隨之降低；第（4）種方法的原理是利用多孔基體中的毛細管力等將液態相變材料吸附在空隙中，從而避免相變材料泄漏。與傳統建筑材料相比，采用以上幾種方法制備相變儲熱建筑材料的工藝都更加復雜。

由于許多傳統的建筑材料為多孔結構，通過直接混合法將相變材料引入其中，制備的相變復合材料所具有的多孔結構，尤其是適宜孔徑的多孔結構，在相變材料相變的過程中，就可成為穩定相變材料的載體[9-10]。但目前尚未見到采用直接混合法制備相變復合建筑材料的研究報道，因而，采用生產工藝相對簡單的直接混合法，制備無泄漏、且性能滿足產品性能相關要求的復合相變建筑材料值得探索。

隨著相變材料在建筑領域應用研究的深入，相變材料在石膏制品中的應用也受到了越來越多的關注。周建中等[11]通過改進現有的石膏板制備工藝，使用石蠟微膠囊制備了相變蓄能紙面石膏板，其相變溫度約為25℃，熔融焓為23.23 J/g。通過對照研究發現，相變石膏板墻體與普通石膏板墻體相比，使用相變蓄能石膏板可使夏季室內溫度波動控制在更窄的范圍內，可顯著增加人體舒適度。肖春香等[12]采用膨潤土插層相變材料制備了相變材料含量為21.5%的相變儲能石膏板，該復合石膏板具有較好的保溫隔熱性能，可有效降低能耗、減小溫度波動。

本文采用直接混合法制備具有調溫性能的石蠟/石膏復合砌塊，對其力學和儲熱性能進行了研究。

1 實驗

1.1 實驗材料

石蠟：上海焦耳能源有限公司，在升降溫速度均為5℃/min的條件下，經200F3差示掃描量熱儀測試，熔化溫度為26.8～38.4℃，峰值為33.1℃，熔化熱為208.8 J/g；凝固溫度為16.1～24.3℃，峰值為20.6℃，凝固熱為189.4 J/g。

普通石膏和高強石膏：均符合GB 9776—2008《建筑石膏》的要求，主要技術性能見表1。

表1 普通石膏和高強石膏的主要技術性能

1.2 樣品制備

1.2.1 石膏用水量的確定

石膏標準稠度用水量依據GB/T 17669.4—1999《建筑石膏 凈漿物理性能的測定》進行測試，確定普通石膏、高強石膏的需水量分別為570 ml和410 ml。

1.2.2 石蠟/普通石膏和石蠟/高強石膏復合試件的制備

按表2、表3所示的配比，將一定量的石蠟分別與普通石膏、高強石膏混合均勻，加入一定量的水后快速攪拌均勻，制備4 cm×4 cm×16 cm的石膏試件。試件的脫模時間為石膏遇水后2 h。

表2 石蠟/普通石膏復合試件配比

表3 石蠟/高強石膏試件配料比例

1.2.3 石蠟/石膏復合砌塊的制備以及其構筑的墻體

按照確定的石蠟/高強石膏復合試件的配比批量制作150 mm×150 mm×150 mm的石蠟/高強石膏復合砌塊，并用該砌塊砌成600 mm×600 mm×150 mm的墻體，于室溫環境中晾干。同時為作對比，制備同尺寸規格未摻加石蠟的高強石膏砌塊，并用其砌筑同規格墻體。

1.3 樣品表征

1.3.1 力學性能測試

取部分遇水2 h脫模的試件進行2 h抗折、抗壓強度測試；另一部分2 h脫模的試件待干燥至恒重后，測試絕干抗折、抗壓強度。實驗方法參照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力學性能的測定》進行。

1.3.2 泄漏測試

將石蠟/石膏復合試件放在烘箱中進行循環泄漏測試，測試條件為：首先升溫至55℃，保持30 min；之后降溫至室溫，保持30 min。如此循環50次將試件取出，觀察試樣表面的石蠟泄漏狀況。

1.3.3 軟化系數的測試

參照JC/T 698—2010《石膏砌塊》的方法測試樣品的軟化系數。將復合試件放置于溫度為（25±3）℃、相對濕度為（50±5）%的室內至恒重，測試試件的斷裂載荷R1；將復合試件在（20±3）℃的水中浸泡24 h，用濕毛巾擦干試件表面，測試試件的斷裂載荷R2；計算軟化系數R2/R1。

1.3.4 石蠟/石膏試件的結構表征

采用X'pert pro型X射線衍射儀對樣品進行物相分析，衍射參數為：Cu靶Kα射線，λ=0.15418 nm；管電壓40 kV，電流50 mA，掃描速度10°/min。采用MIRA3 TECNA掃描電子顯微鏡對樣品的形貌進行觀察表征。

1.3.5 石蠟/石膏砌塊及墻體的熱工性能測試

分別用石蠟/高強石膏復合砌塊和高強石膏砌塊砌筑墻體，并搭建測試裝置（見圖1）。墻面和屋頂均選用厚度為5 cm的巖棉板搭建。

圖1 測試墻體調溫性能的裝置結構示意

在測試前，在搭建的測試裝置內近地面中心位置放置加熱設備，盡可能保證相向墻面的受熱狀況相同，以便對比其保溫性能；同時選擇合適的加熱功率，以使墻體的溫升速度不至于過快或過慢。在待測墻體和對比墻體的內表面和外表面安裝多個熱電偶以測試墻體在加熱和冷卻過程中的溫度變化。用數據采集儀收集和記錄熱電偶測得的數據。

在測試過程中，先將該測試裝置加熱升溫至一定程度，再關閉熱源。記錄在加熱即升溫過程中的溫度變化以及關閉熱源后的降溫過程中的溫度變化。

2 結果與討論

2.1 當地氣溫條件

所用的石蠟以蘭州當地氣候條件為基礎選取，為此，通過溫度傳感器分別測試了當地某建筑在夏季和冬季內外墻體表面的溫度狀況，結果見圖2。

圖2 蘭州某建筑夏季和冬季室內外墻體表面溫度變化

由圖2可以看出，夏季室外墻體溫度為18～54℃，室內墻體溫度為22～33℃；冬季室外墻體溫度為-10～35℃，室內墻體溫度為15～18℃。由此可見，本研究中選取的石蠟適于在當地使用，其熔化和凝固溫度匹配當地氣溫變化。

2.2 泄漏性能

對復合試件泄漏性能測試發現：S1、S2、S3和S4試樣經50次泄漏循環試驗后泄漏明顯；而S5和S6基本無泄漏。說明在普通石膏基體中只摻加含量為10%的石蠟時，試樣具有較好的形狀穩定性。

2.3 力學性能

石蠟/普通石膏復合試件的抗折、抗壓強度見表4。

表4 石蠟/普通石膏復合試件的強度

由表4可以看出：（1）S0試樣的2 h抗折和絕干抗折強度均高于其他試樣。表明在普通石膏中加入石蠟、無水石膏或粉煤灰之后，試件的抗折強度均有所下降；通過S0與S5和S6的比較可以看出：S0、S5、S6的2 h及絕抗折強度均隨石蠟摻量的增加而下降；通過S1與S3、S4與S2試件的強度對比發現：對于同樣摻量的半水石膏和粉煤灰，摻加粉煤灰導致試樣的抗折強度降低程度更嚴重。（2）在加入石蠟、粉煤灰或無水石膏后，試件的抗壓強度均有所下降，且隨著粉煤灰、半水石膏用量的增加抗壓強度的下降更為嚴重。

由于在石蠟/普通石膏中摻加無水石膏和粉煤灰對提高樣品的泄漏性能無明顯貢獻，卻對其力學性能不利；而在樣品中增加石蠟含量有助于提升其儲熱性能，因此，在以上配方中，本研究選擇以S5為基礎進行后續研究。

為提高試樣的力學性能，將S5中的普通石膏等量替換成高強石膏制備試樣S7，并且為了進一步提升性能，選擇碳纖維和聚乙烯醇短纖維按表4的配方制作試樣S8和S9。待試樣干燥后，測試其力學性能，結果見表5。

表5 石蠟/高強石膏復合試件的強度

由表5可以看出：將普通石膏換成高強石膏之后，干燥的石蠟/高強石膏復合試件S7的絕干抗折強度提高了163%，抗壓強度提高了247%。在石蠟/高強石膏復合試件中加入聚乙烯醇纖維和碳纖維之后，其強度可進一步提升；相較于加入聚乙烯醇短纖維的樣品，加入碳纖維的試樣強度提升更大。由于S7的強度指標已經遠超過標準規定的要求，因此本研究以S7為基礎制備相應的砌塊。

2.4 軟化系數（見表6）

表6 石蠟/高強石膏復合試件的抗折強度

由表6可以看出：石蠟/高強石膏復合試件飽水后其抗折強度有所降低，軟化系數為0.61，符合JC/T 698—2010的要求。

石蠟/高強石膏復合試件干抗折強度為5.10 MPa，換算成660 mm×500 mm×100 mm的砌塊，其斷裂荷載可達4000 N，遠大于JC/T 698—2010中斷裂荷載不小于2500 N的要求。

2.5 結構表征

石蠟、高強石膏試件和石蠟/高強石膏復合試件的XRD圖譜如圖3所示。

圖3 石蠟、高強石膏試件和石蠟/高強石膏復合試件的XRD圖譜

由圖3可以看出，石蠟/高強石膏復合試件的衍射峰包含高強石膏和石蠟的主要衍射峰，沒有新的衍射峰出現。由此可知，石膏并未與石蠟發生反應生成新的物質。

石蠟/高強石膏復合試件與對比樣高強石膏試件的SEM照片如圖4所示。

圖4 石蠟/高強石膏復合試件和高強石膏試件的SEM照片

由圖4可以看出，2個樣品中石膏晶體均呈現柱狀結構；在石蠟/高強石膏復合試件中的石蠟在進行電鏡觀察時由于受到電子束的照射，受熱熔化呈現液態，因此拍攝的電鏡照片不夠清晰。

2.6 墻體調溫性能的測試

按圖1搭建測試裝置測試墻體的調溫性能。石蠟/高強石膏復合砌塊墻體受熱面與非受熱面（即實驗裝置的墻體外側）和對比樣高強石膏砌塊墻體受熱面與非受熱面的升溫和降溫曲線如圖5所示。

圖5 石蠟/石膏復合砌塊墻與石膏砌塊墻體溫度變化

由圖5可見，在熱源及受熱狀況相同的情況下，石蠟/高強石膏復合砌塊墻體比高強石膏砌塊墻體升溫慢；在測試時段內，高強石膏砌塊墻體的受熱面最高溫度達59.3℃，而石蠟/高強石膏砌塊墻體的受熱面最高溫度為57.0℃，兩面墻受熱面的最高溫度差值為2.3℃。這是因為石蠟/高強石膏復合砌塊墻體中由于石蠟熔化、吸收熱量，因而其溫度上升幅度較小。對于2種墻體的非受熱面，石蠟/高強石膏復合砌塊墻體的比高強石膏砌塊墻體的升溫也慢；同樣條件下，高強石膏砌塊墻體的非受熱面可達到的最高溫度為26.2℃，而石蠟/高強石膏復合砌塊墻體的非受熱面可達到的最高溫度為20.0℃，最高溫度差為6.2℃。該值比2面墻受熱面可達到的最高溫差高3.9℃，說明石蠟/高強石膏復合砌塊墻體中的石蠟對其非受熱面的溫度影響程度更大。這是由于當石蠟/高強石膏復合砌塊墻體中的石蠟熔化時，會吸收大量的熱量。這其中有一小部分影響其受熱面的溫度；而對于非受熱面，從加熱的熱源輸送的熱量需通過墻體到達非受熱面，在這個過程中，由于石蠟熔化會吸收的熱量會抵消部分熱源輸送的熱量，因而相比于高強石膏墻體，復合墻體非受熱面的溫度會低于高強石膏砌塊墻的溫度。

另外，高強石膏砌塊墻受熱面最高溫度與非受熱面的最高溫度的溫差為33.1℃，而石蠟/高強石膏復合砌塊墻受熱面與非受熱面的溫差為37.0℃，兩者相差3.9℃。說明在同樣的受熱條件下，石蠟/高強石膏復合砌塊墻有較好的調節溫度的作用。

在降溫過程中，由于石蠟/高強石膏復合砌塊墻體中的石蠟發生凝固放出熱量，補償了墻體向外界環境中散發的部分熱量，使得石蠟/高強石膏砌塊墻體的受熱面在降至26℃左右開始，在大約48 h內其溫度均高于高強石膏砌塊墻的溫度，之后兩者溫度才趨于一致。對于墻體的非受熱面，由于石蠟/高強石膏砌塊墻體在升溫過程中的溫度上升速度較慢，導致在該實驗過程中的降溫過程開始時，石蠟/高強石膏復合砌塊墻體的非受熱面的溫度比高強石膏的約低5℃。即使如此，在降溫開始后（約1000 min起），其溫度高于高強石膏砌塊墻體的溫度，且這種狀態可持續約33 h（至約3000 min時）。

通過以上分析可以看出，石蠟/高強石膏復合砌塊墻體在溫度升高和下降的過程中都具有明顯的調溫作用。當用其構筑建筑物時，在夏季的炎熱天氣，當室外溫度較高時（類比上述的加熱過程），由于石蠟熔化吸收熱量，可以延緩室內溫度的升高速度和升高幅度，達到調節溫度的作用，使室溫保持在較為舒適的狀態，從而避免或縮短空調的使用時間，達到節約能源，實現減少碳排放的目的。在冬季的寒冷天氣，當室外溫度較低時（類比上述的降溫過程），由于石蠟凝固放出熱量，可以補償建筑物熱量的散失，與未摻加相變材料的普通建筑材料相比，可減少室內溫度的降低速度和降低幅度，使室溫穩定在相對較高溫度區間，從而減少采暖能耗，達到節約能源以及減少碳減排的目的。

3 結論

選用石蠟作為相變材料，采用直接混合工藝，分別研究了石蠟、無水石膏和粉煤灰的摻加對制備的石蠟/石膏復合試件力學性能和泄漏性能的影響，確定了石蠟/石膏復合砌塊中石蠟的最佳摻量為10%。制備的150 mm×150 mm×150 mm的石蠟/高強石膏復合砌塊的抗折強度和抗壓強度分別為5.10 MPa和10.90 MPa，軟化系數為0.61，其性能符合JC/T 698—2010的要求。用石蠟/高強石膏復合砌塊砌成600 mm×600 mm×150 mm的墻體，與不含石蠟的高強石膏砌塊對比發現，在相同條件下：在加熱升溫過程中，石蠟/高強石膏復合砌塊構成的墻體的受熱面可達到的最高溫度比高強石膏砌塊墻受熱面的低2.3℃，非受熱面比高強石膏砌塊墻的低6.2℃；在降溫過程中，盡管石蠟/高強石膏復合砌塊的起始溫度低，但其構成墻體的受熱面和非受熱面分別高于高強石膏砌塊墻對應墻面的溫度的時長可達48、33 h。制備的石蠟/高強石膏復合砌塊具有明顯的調溫作用，可降低室內供暖與制冷成本。而且該砌塊的制備工藝簡便，生產成本相對較低，因此可望在建筑領域廣泛應用。