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新型相变混凝土的制备与性能研究:基于多孔相变骨料的综合比较
1. 研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为东南大学交通学院岩土工程研究所的Zhibin Liu,第一作者为Peng Ye,合作单位包括广西北投公路建设投资集团有限公司。研究成果发表于《Construction and Building Materials》期刊第439卷(2024年),文章标题为《Preparation and characterization of novel phase-change concrete based on different porous phase-change aggregates: comprehensive comparison of various phase change composites》。
2. 学术背景与研究目标
随着全球能源需求增长和建筑行业能耗占比高达40%的现状,降低建筑能耗成为迫切需求。相变材料(Phase Change Materials, PCM)因其高储能密度和温度调控潜力被广泛研究,但传统PCM存在泄漏、机械性能劣化等问题。本研究旨在开发一种基于多孔骨料(火山岩、膨胀珍珠岩、膨胀蛭石)和聚乙二醇1000(PEG 1000)的新型相变混凝土,通过真空浸渍技术制备复合相变骨料,并系统评估其物理化学性能、热稳定性及混凝土的力学与隔热性能,最终实现建筑节能目标。
3. 研究流程与方法
3.1 材料制备
- 多孔骨料与PCM选择:选用火山岩(孔隙率28%)、膨胀珍珠岩(82%)和膨胀蛭石(49%)作为载体,PEG 1000(相变温度33–35°C)为相变材料。
- 真空浸渍工艺:将多孔骨料与熔融PEG 1000在60°C、-90 kPa条件下浸渍3小时,冷却固化后形成复合相变骨料(PCM复合材料)。
3.2 性能表征
- 吸附能力与防泄漏测试:通过质量变化计算吸附率(η),并对比水泥浆与环氧树脂封装效果。结果显示膨胀珍珠岩吸附率最高(89.5%),水泥封装后质量损失率%。
- 微观结构分析:扫描电镜(SEM)显示膨胀珍珠岩的层状多孔结构更利于PEG填充;汞侵入孔隙率测试(MIP)表明其孔径集中在10–500 μm。
- 热性能测试:差示扫描量热法(DSC)显示PCM复合材料的相变焓(106.9 J/g)接近纯PEG(117.8 J/g),500次循环后焓值仅下降9.7–13.8%。热重分析(TGA)证实材料在300°C以下稳定。
3.3 相变混凝土制备与评估
- 混凝土配比:以10–50%比例替换粗骨料,测试坍落度、抗压强度(7天/28天)及温控性能。
- 温控模拟:建造40×40×24 cm混凝土箱体,记录24小时内外部温度变化。结果显示,50%膨胀珍珠岩-PCM混凝土的墙体内外温差降低4.9°C,但抗压强度下降51.83%。
4. 主要结果与逻辑关联
- 吸附与热性能:膨胀珍珠岩因高孔隙率表现出最优吸附能力和储能性能,其PCM复合材料的相变焓为106.9 J/g,验证了多孔结构对PCM负载的关键作用。
- 力学与温控平衡:尽管PCM添加导致混凝土强度下降(火山岩-PCM强度损失26.52%),但水泥封装有效解决了泄漏问题,且温控性能显著提升。
- 循环稳定性:500次热循环后相变焓降幅<14%,表明材料具备长期应用潜力。
5. 研究结论与价值
- 科学价值:揭示了多孔骨料孔隙结构与PCM吸附效率的关联性,为相变材料载体设计提供了理论依据。
- 应用价值:开发的相变混凝土可显著降低建筑能耗,膨胀珍珠岩-PCM在40%添加量下兼顾强度(19.64 MPa)与温控性能(温差降低4.9°C),适用于非承重节能墙体。
6. 研究亮点
- 创新方法:首次将火山岩、膨胀珍珠岩和膨胀蛭石作为PCM载体系统比较,提出水泥浆封装工艺,泄漏率%。
- 多尺度性能关联:从微观孔隙结构到宏观混凝土性能的全链条分析,明确了材料-性能的定量关系。
7. 其他发现
- 经济性:膨胀珍珠岩成本低廉且储量丰富,适合大规模应用。
- 局限性:高PCM添加量(>50%)会显著牺牲混凝土强度,需进一步优化骨料级配或添加增强纤维。
本研究为建筑节能材料开发提供了可工业化的解决方案,兼具学术创新性与工程实践意义。