相变储能混凝土研究现状与展望

曹 磊 张佳旭 冯福宝 夏其云 高苏鹏

宿迁学院建筑工程学院（223800）

随着经济社会的发展，人们对居住空间舒适度的要求不断提高，由此产生的建筑能耗也越来越大。我国单位建筑面积的能耗是同纬度发达国家的2 倍以上[1]。为降低建筑业高能耗的现状和为实现2020 年CO2排放量与2005 年相比减少40%～50%的承诺[2]，我国在大力推广绿色建筑、提高能源利用效率、节能减排等方面采取了许多有力举措[3]。近年来，国内外许多学者在外墙保温系统、幕墙保温系统、建筑储能系统等方面做了大量的研究[4]，相变储能混凝土是建筑储能系统的一个重要实现途径。文章将从相变储能混凝土的制备方法、力学性能等方面阐述其研究进展，旨在为相变储能混凝土的研究和应用提供参考。

1 相变储能混凝土的应用

相变混凝土包括:①相变储能混凝土。主要应用于建筑保温和路桥面抗冻融；②相变控温混凝土。主要用于大体积混凝土和建筑抗火等。

1.1 制备方法

1）浸渍法。直接将多孔混凝土浸渍在液态的相变材料中吸附一定时间后制得相变混凝土。应用这种方法制得的相变混凝土，其性能受吸附率、相变材料种类和相变温度的影响较大，一般用于空隙率较大的加气混凝土中。在使用过程中，当相变材料转化成液态时容易发生泄漏现象，不仅影响相变混凝土的使用寿命，还会造成环境污染等问题[5]。

2）直接混合法。在相变材料加入混凝土之前，将其制成微胶囊，再将微胶囊添加至混凝土中，从而制备出相变混凝土。虽然这样做可以保证相变材料的性能以及混凝土的强度和耐久性，但工艺复杂、成本较高，不易在实践中推广应用[6]。

3）多孔骨料吸附法。将陶粒、膨胀珍珠岩等多孔骨料放入液态相变材料中，使液态相变材料吸附在筋骨料的空隙中，再将吸附后的骨料掺入混凝土中制得相变混凝土。与浸渍法相比，此法制得的相变混凝土不易发生泄漏现象，且相变材料的特征亦几乎没有变化，但容易造成混凝土强度的降低[7]。

1.2 力学性能

大量的研究表明，掺入不同相变材料的混凝土与普通混凝土相比，其强度均会降低；但掺入适量的外掺料可改善混凝土的力学性能。

刘福战等[8]以石蜡（SH）为相变材料，膨胀珍珠岩为基体材料制备相变储能材料，替代砂制得的相变混凝土，并对考虑了替砂率和SH 吸入量两个因素的相变混凝土进行了混凝土立方体抗压强度试验。结果显示:替砂率和SH 吸入量分别不大于50%和100%的混凝土，其强度相较于普通混凝土降幅不大。

石宪等[9]以正十二醇为相变材料、陶粒作为基体材料，采用真空吸附的方式制作相变复合材料，并用树脂和改性水泥将其封装。结果表明:经历50 次相变循环后，相变储能陶粒混凝土的抗压强度不变；采用树脂和改性水泥进行封装的相变储能陶粒混凝土的28 d 抗压强度分别为普通陶粒混凝土抗压强度的84.62%和90.88%。

Xu Biwan 等[10]以石蜡和硅藻土制备了复合相变材料，并将其直接掺入混凝土中制备相变储能混凝土。结果表明:当掺量为30%时，相变储能混凝土的28 d 抗压和抗折强度分别下降了48.7%和47.5%。

王文涛等[11]开展了以活性炭储能骨料（以硬脂酸丁酯为相变材料，活性炭为柱状活性炭颗粒吸附） 按0%、10%、15%、20%和25%五种比例取代陶粒制备相变陶粒混凝土的抗压强度、劈裂强度试验研究。研究结果表明:随着活性炭储能骨料的掺入量的增加，相变混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的损失率均会增加；满足工程需要的合理的活性炭储能骨料掺入量为15%，此时的抗压强度损失率和劈裂抗拉强度损失率分别为4.0%和9.4%。

针对以硬脂酸丁酯为相变材料，并以膨胀珍珠岩吸附相变材料制成的相变骨料替代砂（体积替代比例为0%～20%）、硅粉替代水泥（质量替代比例为0%～20%） 为变化参数的20 组相变储能混凝土，开展了混凝土立方体抗压强度正交试验研究。研究结果显示：当硅粉掺量一定时，混凝土的抗压强度随相变储能骨料掺量的增加几乎成线性下降；当硅粉以5%等质量取代水泥、 相变储能骨料以20%等体积取代砂时制得的混凝土，其强度与普通混凝土基本无异。

冀志强等[12]使用以癸酸-正辛酸为复合相变材料，膨胀珍珠岩为基体材料制得的相变储能骨料替代石子制备相变混凝土，并对其进行力学性能试验。结果显示:当替代量为30%时，相变膨胀珍珠岩混凝土的轴心抗压强度可达到25.5 MPa，满足C40 混凝土的轴心抗压强度标准值。

武泽福等[13]以膨胀珍珠岩吸附硬脂酸制得的相变储能骨料与硅粉，按一定比例掺入混凝土中制得相变储能混凝土，并对其进行了动态力学性能试验。研究结果表明:相变骨料的掺入可使混凝土的强度降低约10%，但硅粉的掺入可提高混凝土的动态抗压强度，硅粉的掺量宜控制在10%～15%；聚丙烯纤维和玄武岩纤维的加入能够增强混凝土的动态抗压强度和劈裂强度，二者的较优掺量分别为1.5 kg/m3和 1.8 kg/m3。

陈永根等[14]将癸酸与正辛酸按30∶70 的质量比振荡混合制得相变材料，以活性炭为基体，通过浸泡吸附的方式制得活性炭储能骨料；用活性炭储能骨料按10%的掺量等体积替代石子，用硅粉和粉煤灰按10%的掺量等质量替代水泥制得相变混凝土。分别测试该混凝土在 3 d、7 d、25 d、56 d、90 d 龄期下的强度指标，结果显示：单掺粉煤灰的相变混凝土的抗拉强度最低；双掺硅粉和粉煤灰的相变混凝土在龄期为90 d 时的强度与普通相变混凝土的强度相同。

顾皖庆等[15]以月桂酸为相变材料、膨胀珍珠岩吸附制得的相变储能骨料，按5%～20%的比例替代陶粒轻骨料制备相变混凝土，并对其进行立方体抗压和劈裂试验。试验结果表明：当骨料掺量为20%时，粉煤灰陶粒混凝土和页岩陶粒混凝土的立方体抗压强度分别降低了21.86%和26.17%、 劈拉强度分别降低了22.18%和28.27%。

司亚余等[16]使用以活性炭为基材吸附癸酸-正辛酸复合相变材料制得的储能骨料按0%、5%、10%、15%和20%的比例等体积替代石子，用粉煤灰按以上比例分别替代水泥，并掺入一定量的硅粉，制备了相变混凝土；并对其进行了力学性能试验。结果显示: 当单掺储能骨料或粉煤灰分别不超过5%和10%、 双掺储能骨料和粉煤灰不超过5%和10%时，混凝土的强度损失均在10%以内；随着储能骨料和粉煤灰掺量的增加，混凝土的强度损失率增大，混凝土抗压强度和抗拉强度的最大损失率分别为38.09%和28.25%；但是加入硅粉后，混凝土的抗压强度和抗拉强度分别提高了16%和10%。

王永伟等[17]制备了定形PEG/SiO2/石墨复合相变蓄热混凝土，并对其进行了力学性能试验。结果显示：相变蓄热骨料的加入使得混凝土的抗压强度有所降低；相变蓄热骨料替代粗骨料的比例不宜超过80%。

混凝土中的水分在冰点以下时会结冰膨胀，对混凝土内部空隙形成压应力，升温后会融化，长期的冻融交替容易使混凝土产生裂缝。因此，很有必要研究相变混凝土的抗冻融性能。

刘赫等[18]通过步冷试验优选出相变温度在0 ℃～5 ℃的相变储能材料，并以耐腐蚀空心钢管作为封装材料，设计制作了桥面板结构层，并进行了抗冻性试验。“快冻法”试验结果表明:桥面的抗冻等级超过D300，抗冻融效果良好，相变循环稳定性亦较好。

聂志新等[19]制备了月桂酸/膨胀石墨相变混凝土，测定其 200 次热循环后的质量损失率为3.58%，说明该相变混凝土的热稳定性良好。

2 相关建议

目前，国内外学者对相变储能混凝土已经做了大量的试验研究与理论分析，为相变混凝土的推广应用奠定了良好的基础。为使相变储能混凝土更好地应用于工程实践，仍需大力开展以下工作:

1）实际节能效果研究。为了准确界定相变储能混凝土的节能效率，最有效的办法就是建立足尺或缩尺的房屋模型，并展开温控效果的测试与模拟，但目前很少有学者开展这方面的研究工作。建议在有条件的情况下开展实际房屋模型节能效果研究。

2）力学性能系统研究。现有关于相变混凝土力学性能的研究主要集中在立方体抗压强度、劈裂强度方面，试验结果的离散性较大，并不能直接指导工程实践应用。建议系统开展相变混凝土立方体抗压强度、轴心抗压强度、抗拉强度、抗折强度、弹性模量等力学性能影响的试验研究以及冻融循环对各强度指标的影响规律研究，并给出各力学性能指标的标准值与设计值，以使相变储能混凝土更好地应用于结构设计中。

3）相变材料为液态时的混凝土力学性能研究。目前，大部分的试验主要是在相变材料为固态时进行的，当相变材料达到其相变温度呈液态时的混凝土力学性能规律应值得学者们注意并加以研究。

4）耐久性能及设计方法研究。目前，有部分学者开展了相变储能混凝土的耐久性能研究，但试验不够系统，相变储能混凝土的耐久性设计是否能直接采用现有的规范仍需要更多的试验加以验证。

5）对结构构件受力性能的影响研究。目前，关于对相变混凝土结构构件的试验与理论研究的文献很少，相变混凝土与钢材之间的共同工作性能、相变储能混凝土结构构件的受力机理、承载力计算方法等尚不明确。今后，加强对相变储能混凝土结构构件的试验和理论研究是很有必要的。