可再生能源利用的相变储能陶粒矿渣砌块配比研究

殷琪 胡顺新

摘 要：在分析陶粒矿渣砌块配合比的基础上，根据工程需要，对以“工业固废”制成的骨料为主要材料的砌块进行试制和强度试验。本文主要以相变储能陶粒矿渣混凝土砌块为研究队形，对配合比设计、试制及抗压强度试验情况进行论述。

关键词：矿渣;相变材料;配合比设计;抗压强度

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：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，我国大部分建筑都属于高能耗建筑，单位面积建筑能耗为发达国家的3～5倍，因此降低建筑能耗已成为我国节能降耗的主要目标之一。建筑能耗中，墙体材料所占的能耗最大，占整体比例的60%以上[1]。我国现有建筑中，95%以上都是高能耗建筑，严重污染环境，已经成为沉重的能源负担，制约了我国的可持续发展[2]。

广西壮族自治区有着得天独厚的区位优势和资源优势。随着广西北部湾经济区的发展规划，矿产资源型产业产能迅速增长[3]，同时矿渣、粉煤灰等工业固体废物（以下简称“工业固废”）的产生量持续增加。利用资源化处理后的矿渣、粉煤灰等材料制成陶粒作为骨料，将石蜡和硬脂酸丁酯、癸酸和月桂酸二元低共熔体系等相变材料，以真空吸入的方式吸附到陶粒中，按絕对体积法进行相变材料和其他组成材料的配合比设计研究，能够生产出可再生能源再利用的相变储能陶粒砌块。

根据工程需求，与广西万众检测有限公司进行合作，对相变储能陶粒矿渣混凝土砌块的初步配合比设计、试制及抗压强度试验情况进行论述，可作为今后项目研究的参考依据。

1 相变储能陶粒矿渣砌块原材料的制备

1.1 相变材料的选择

试验主要是制备相变适宜温度为25 ℃±1 ℃、性能稳定的相变材料。通过相变温度和相变潜热系数等条件进行初步筛选，选择石蜡-硬脂酸丁酯和癸酸-月桂酸两种复合相变材料进行研究。砌块所需相变材料除了需要满足相变温度适宜、成本低、原材料容易获取、没有腐蚀性、熔点低和无温度过冷相分离等条件外，还应具备经多次相变循环后质量依然稳定的特质。因此，对这两种复合相变材料进行加速热循环试验，研究其相变温度和相变潜热系数的变化[4]。

在两支试管内分别加入5 g癸酸质量分数为50%的癸酸-月桂酸复合相变材料和石蜡质量分数为60%的石蜡-硬脂酸丁酯复合相变材料。用橡皮塞塞住试管口，隔绝外界空气。把装有相变材料的试管通过温度为60 ℃的水浴加热熔化，完全熔化后将试管利用温度为0 ℃的冰水浴冷却凝固，这个过程即一个相变循环。分别对两支试管进行50、100、200、500次相变循环[4]，在达到上述相变循环次数后打开试管，取出大约10 mg的量进行差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter，DSC）测试分析，测试结果见表1。

表1中的试验数据表明，两种复合相变材料随相变循环次数的增多，相变温度和相变潜热的变化没有明显规律。两种复合相变材料在经过500次相变循环试验后，与最初测试值相比，其相变温度和相变潜热变化值都很小，表明两种复合相变材料稳定性较好。因此，初步选定石蜡-硬脂酸丁酯和癸酸-月桂酸两种材料作为制备陶粒的复合相变材料[5]。

1.2 相变储能矿渣陶粒的制备

将污泥、矿渣、煤灰和黏土等原料自然晾晒一段时间后送到各自的料仓中。使用辊齿式破碎机对黏土进行破碎处理，使得黏土的粒度变得更小。通过螺旋输送机将污泥、矿渣以及煤灰等原料输送到双轴搅拌机与破碎后的黏土进行充分混合和搅拌，再将搅拌后的混合料送到陈化堆场进行堆存。

混合料经过72 h陈化处理后再次送入双轴搅拌机进行搅拌，然后使用对辊造粒机对其进行挤压制粒。产出的颗粒料球由皮带输送机送入整形筛分机进行圆整处理，筛出小颗粒。合格的颗粒球送入双筒插接式回转窑进行预热和焙烧，烧制出的陶粒成品落入冷却机冷却后，再由回转筛分成5 mm、15 mm、25 mm这3种规格。

采用真空吸入的方式将相变材料吸附到陶粒中。将环氧树脂、稀释剂（丙酮）与固化剂（己二胺）按照20∶3∶5的质量比进行混合后，放入吸附了相变材料的陶粒并搅拌，使陶粒表面被环氧树脂混合无完全包覆。10 s后捞出陶粒平摊，直至环氧树脂固化，从而制成相变矿渣陶粒[5]。矿渣陶粒实物和微观下陶粒内部的孔隙结构见图1和图2。

2 相变储能陶粒矿渣砌块混凝土配合比设计

根据《轻骨料混凝土应用技术标准》（JGJ/T 12—2019），采用绝对体积法进行相变储能陶粒矿渣混凝土砌块配合比设计，设计强度等级为LC20，详见表2。其中：P代表基础型混凝土，P系列混凝土的粗骨料是普通的矿渣陶粒;K系混凝土中的粗骨料是进行封装相变材料环氧树脂的矿渣陶粒;S系混凝土中的粗骨料是吸附了石蜡-硬脂酸丁酯复合相变材料的矿渣陶粒;G系混凝土中的粗骨料是吸附了癸酸-月桂酸复合相变材料的矿渣陶粒。需要说明的是，P系混凝土中的陶粒在预拌前要在自然状态下吸水1 h;K系、S系以及G系混凝土中的相变材料在矿渣陶粒中的吸附率分别为51%、44%以及41%。储能陶粒矿渣砌块实物图如图3所示。

按照以上配合比制备砌块，在标准养护条件下进行3 d养护。观察發现，K系列砌块产生了内部裂缝，原因是这类矿渣中所吸附的相变材料由固态转化为液态产生了内应力，再加上混凝土初期的强度较低，加快了液态相变材料在砌块内部组织的渗出。S系列和G系列未发现裂缝，组织结构密实、完整，可见封装的两种复合相变材料与其他组成材料具有较强的相容性。

3 相变储能陶粒矿渣砌块的力学性能试验

根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）对混凝土试件的基本力学性能进行试验，试验结果见表3。

根据试验数据得知，两种相变储能陶粒矿渣砌块在养护7 d和14 d时测得的抗压强度均大于普通型混凝土陶粒矿渣砌块，两种相变储能陶粒和其他材料的黏结性良好。因此，如何提高相变储能陶粒矿渣砌块的抗压强度问题有待进一步研究。

4 结语

对基于可再生能源利用的相变储能陶粒矿渣砌块的制备、配合比设计和力学性能试验进行阐述，发现石蜡-硬脂酸丁酯和癸酸-月桂酸属于理想的相变复合材料。今后的研究将进一步筛选出性价比更高的相变材料做制备试验，从而提高相变储能陶粒矿渣砌块的抗压强度。

参考文献：

[1]赵之贵.基于毛细管封装相变材料的相变墙板性能研究[D].苏州：苏州科技学院，2014：1-3.

[2]邓宇.国内建筑节能现状及问题分析[J].广西城镇建设，2005（11）：6-7.

[3]胡雷.钢渣粉-磷渣粉-矿粉复合掺合料海工混凝土的制备及性能研究[D].桂林：桂林理工大学，2020：1-2.

[4]徐仁崇.相变储能混凝土的试制研究[D].重庆：重庆大学，2008：16-20.

[5]李莉.相变材料及其储能混凝土的制备与性能研究[D].重庆：重庆大学，2010：45-49.

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