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石墨粉增强混凝土中空心钢球内相变材料的评估用于地下能源结构

期刊:Journal of Energy StorageDOI:10.1016/j.est.2025.116489

学术研究报告:石墨粉增强相变材料-空心钢球混凝土在地下能源结构中的应用评估

一、研究团队与发表信息
本研究由Pengju Chen、Chenglong Wang(通讯作者)、Abdelmalek Bouazza、Yachen Guo、Gangqiang Kong和Xuanming Ding合作完成,团队成员来自重庆大学土木工程学院(中国)、莫纳什大学土木工程系(澳大利亚)及河海大学土木与交通工程学院(中国)。研究成果发表于《Journal of Energy Storage》2025年第120卷,文章编号116489。

二、学术背景与研究目标
研究领域聚焦于相变材料(Phase Change Materials, PCMs)在建筑节能中的应用。地下能源结构(如地源热泵系统)长期运行会导致热量累积,影响地质环境与系统效率。传统混凝土导热性能差,而PCMs虽能通过相变潜热调节温度,但其低导热性限制了热传递效率。为此,本研究提出一种新型复合相变储能混凝土:将癸酸-肉豆蔻醇(Capric Acid-Myristyl Alcohol, CA-MA)封装于空心钢球(Hollow Steel Balls, HSB)中形成PCM-HSB骨料,并添加石墨粉(Graphite Powder, GP)提升导热性。研究目标包括:(1)优化PCM-HSB与GP的配比;(2)评估材料的热力学性能与机械性能;(3)为地下能源结构提供高效储能解决方案。

三、研究流程与方法
1. 相变材料制备与封装
- CA-MA二元共晶制备:通过Schroder方程计算摩尔比(CA:MA = 3:2),熔融混合后实测相变温度为19.5°C,与地下土壤温度(9.6–25.8°C)匹配。
- PCM-HSB封装:将CA-MA吸附至HSB(内径18 mm,外径19 mm)中,密封后测试吸附率(50%)和泄漏率(0.09%),验证封装稳定性。

  1. 混凝土配比设计

    • 变量设计:设置PCM-HSB替代率(10.0%、12.5%、15.0%)和GP掺量(0%、2.5%、5.0%、7.5%、10.0%),共15组配比。
    • 制备流程:GP与水泥预混,加入骨料与PCM-HSB,振动成型150 mm立方体试件,标准养护28天。
  2. 性能测试

    • 比热容测试:采用绝热容器法(图3a),模拟相变温度(20°C)下的吸/放热过程。结果显示,PCM-HSB替代率15%时,比热容提升61.9%。
    • 导热系数测试:基于热线法(QTm-500仪器),GP掺量5%时导热系数提升60.4%,有效抵消PCM导致的导热下降。
    • 抗压强度测试:位移控制加载(0.3 mm/min),PCM-HSB替代率15%时强度下降11.4%,GP掺量10%时进一步降至20.82 MPa(普通混凝土的50%)。
  3. 数据分析

    • 通过回归分析验证数据可靠性(R² > 0.6),确定最优配比为15% PCM-HSB + 5% GP。

四、主要研究结果
1. 热性能提升
- PCM-HSB显著提高比热容(61.9%),但导热系数降低20.6%;GP掺入后形成连续导热通道,5%掺量时导热系数恢复并提升60.4%。
- 热膨胀系数因HSB(1.2×10⁻⁵/°C)高于普通骨料(5.0×10⁻⁶/°C)而增加29.8%,但GP可部分抑制膨胀(降低8.2%)。

  1. 机械性能权衡

    • PCM-HSB引入孔隙导致强度下降(11.4%),GP因削弱水泥界面粘结进一步降低强度(22.5%)。但最优配比(15% PCM-HSB + 5% GP)仍保持30.63 MPa,满足工程需求。
  2. 相变材料稳定性

    • HSB封装有效防止CA-MA泄漏(泄漏率<0.1%),20次冻融循环后性能稳定。

五、结论与价值
1. 科学价值
- 提出GP/PCM-HSB复合体系,解决了PCM导热性差与泄漏问题,为相变混凝土设计提供新思路。
- 揭示了GP掺量与导热性能的非线性关系(5%为临界值),为材料优化提供理论依据。

  1. 应用价值
    • 该材料适用于地下能源结构(如能源桩、隧道衬砌),可调节地下温度场,缓解热量累积问题。
    • 最优配比(15% PCM-HSB + 5% GP)兼具高热存储(比热容970 J/(kg·°C))与可接受的机械强度(30.63 MPa)。

六、研究亮点
1. 创新材料设计:首次将CA-MA封装于HSB中,结合GP增强导热性,实现“储能-导热”协同优化。
2. 多尺度性能验证:从微观(PCM吸附率)到宏观(混凝土强度、导热性)全面评估材料性能。
3. 工程导向结论:明确配比阈值(GP 5%),指导实际应用。

七、未来方向
建议进一步研究:(1)纤维增强以提升强度;(2)纳米材料改性;(3)长期耐久性(如酸碱环境、温度循环)。

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