新型相变储能砂浆的制备和建筑力学性能研究

刘 钊

（黄河交通学院交通工程学院，河南 焦作 454950）

建筑能耗占我国总能耗的40%以上，因此节能与安全是社会可持续发展面临的重要问题。相变储能技术作为一种新型的绿色节能建筑材料，具有显著的节能效果和良好的热稳定性，是一种极具应用前景的新型绿色材料。目前，国内外学者对相变储能材料在建筑领域的应用进行了大量研究，但对相变储能材料和砂浆结合性能方面尚未得到足够的了解。传统砂浆具有一定的导热系数和较低的强度等级，但是其较低的强度无法满足现行建筑工程建设标准中所要求的强度等级。本研究拟研究相变储能砂浆代替传统干混砂浆，既能满足使用中的力学性能要求又能有效降低建筑能耗。

1 传统建筑材料与新型相变储能材料的区别

1.1 传统建筑材料的不足

近年来，随着我国建筑业的飞速发展，建筑物数量不断增加。住房环境问题的加剧，导致建筑的安全性问题得到了重视。为了防止建筑物在早期被破坏，提高建筑物使用寿命，除了加强施工管控质量、确保后期进行合理养护及提高基建质量外，也对建筑材料提出了更高的要求。传统的建筑工程材料主要包括水泥、石子、砂等，这些建筑材料各有特点。首先，水泥是一种无机物，它具有很多种优良的性能：比如强度高、风干速度快、耐久性好、耐腐蚀性强、可塑性强等多种特性，因此用它制成了许多商品和建筑材料，并且可以制成混凝土和砂浆。其次，砂浆在建筑工程中有广泛应用：用来砌筑砂浆、抹灰及铺贴地面、墙面基层等。但是传统砂浆在结构工程中存在着一些不足，主要表现在：强度低、耐久性差、易产生裂纹和空鼓、受温度变化影响大、容易受外力作用损坏。随着现代科技的进步，对传统砂浆也提出了更高的要求。新型建材行业需要不断改进和创新，以满足社会、经济和生态环境可持续发展的需求。

1.2 新型相变储能砂浆材料的优势

由于相变储能砂浆材料具有许多优异的性能，因此近年来研究者们也开始关注该新型建筑材料在建筑工程中的应用。有学者提出了多种不同形式的相变储能砂浆材料。此外，还有学者对聚合物砂浆进行了相关研究和应用。采用相变储能技术制备复合改性砂浆材料并结合现有研究成果对其进行性能测试与研究，主要内容包括：新型复合相变储能砂浆配合比设计、热物性参数测量、相变储能砂浆抗压强度测试、抗冻性能和拉伸强度测试、抗折强度测试。同时，还对多种不同类型相变材料或复合相变材料进行了研究和试验。相变材料是一种由热力学参数的可逆变化而引起的物质发生化学、物理、电和力学的性质变化，从而达到控制能量或热能释放的目的。相变储热作为一种能量存储形式，可以提高建筑物供暖或制冷时的效率。由于其自身的优点，相变材料在建筑领域得到了广泛应用。

2 新型相变储能砂浆在建筑领域的应用

2.1 建筑力学方面的应用

水泥砂浆在建筑领域有两个种类的应用，一种是堆砌建筑墙体，例如作为砖头、红砖之间的粘合剂，使得墙面融为一体，更加坚固；另一种则是作为室外建筑外墙的涂抹材料，将墙面抹齐抹平整，更加美观。因此不管是哪种用途，水泥砂浆都是建筑施工过程中不可或缺的一种建筑材料。而且不管是那种用途，都对新型相变储能砂浆的力学性能有需求，这也变相强调了新型相变储能砂浆不仅要保证本身的控温储能作用，还要保证一定的力学性能。研究相变储能砂浆的制备和建筑力学内容，还可以进一步改善我国能源需求较大但是供给不足的现状。随着不可再生资源的逐步消耗，能源紧缺的概况逐渐严峻，其中大部分的能源消耗在建筑工程方面，建筑的大部分消耗主要在发热采暖方面，因此造成了这类情况的发生。但是当代建筑要求中对于建筑的抗震性能与日俱增，尤其是以砖为材料结构的建筑物，主要的承重抗震结构就是砖墙，水泥砂浆则是砖墙中重要的粘合剂，水泥砂浆的抗震性和坚固性很大程度上决定了墙体的承重性能。因此新型相变储能砂浆的力学性能应作为我们研究的重点。

2.2 建筑节能方面的应用

在建筑节能中，水泥基材料的能耗占比是最大的。混凝土因其良好的保温、隔热和防水性能，已经成为建筑节能中应用最为广泛、使用量最大的主体材料。但混凝土作为热工建筑材料，具有热容大、收缩小、体积稳定性好等特点。而相变储能砂浆是利用石蜡衍生物进行相变储能反应而形成的相转变温度为55℃左右的砂浆。由于石蜡系浆料中石蜡成分含量较高，故该技术具有绿色环保、节能减排和成本低等优点。目前已在墙体保温、门窗密封以及防水等方面取得了良好的应用效果。传统砂浆在使用过程中存在体积稳定性差、收缩大等问题，而以石蜡为代表的热传导性较强的相变储能材料不会与砂浆中的水发生化学反应，所以砂浆在使用过程中不存在体积稳定性问题。以水、石蜡溶液为基础液，用适当比例制备成保温涂料或作为粘结剂制备成保温节能砂浆料时，能有效提高水泥基材料导热系数，降低收缩率。降低收缩率能够明显改善其体积稳定性和抗裂性能。相变储能砂浆的热稳定性好，能够长期保持原有性能。

3 新型相变储能材料对建筑力学性能的提升

3.1 新型相变储能砂浆的制备

新型相变材料与建筑材料结合时，因为两种材料之间存在的差别，会产生与本体相脱离等问题。因此相变储能应用的关键问题是如何将相变材料与建材建筑材料复合。相变储能砂浆是相变材料中的一种，它是由相变材料和灰泥或者砂浆融合在一起搅拌而成，本身具有储蓄能量的功能，因此保温效果也非常好，冬季可以保温，夏季可以制冷。在新型相变储能砂浆的制备过程中，相变石蜡的低热导率和低强度，使得它难以在建筑中直接使用，将相变石蜡与水泥基材料复合，是实现其在建筑工程中应用的有效途径。相变储能砂浆可以用于制作相变储能墙板，该墙板储热能力较强，能够根据相变储能材料变化准确掌握和调控储存热量，相变储能墙板既能提升建筑房屋舒适度又能对房屋温度做出科学把控。该砂浆通常用于装饰房屋的内墙和适当地控制室内温度。这样的新型相变储能砂浆不仅可以提升住宅建筑的舒适度和力学性能，还可以降低能源消耗，节约资源，一举两得。

3.2 新型相变储能砂浆的力学性能

相变储能材料在建筑围护中应用较多，相变储能墙板是建筑围护结构性新材料，它以相变材料为主，所以可以按建材基体不同分为如下三类：一是相变蓄能混凝土，以混凝土为主要基础材料，一般起到稳定建筑物外墙的作用；二是相变储能石膏板采用石膏板作为主要原料，可以应用于建筑物外墙内壁上，可以在保证建筑物有舒适感前提下，有效保持室内温度的稳定性；三是高效节能的建筑保温隔热材料。在建筑建材领域可以应用相变储能材料作为新型建筑板材，由墙和楼板构成承重体系的房屋墙板结构，一般是用楼板和预制混凝土墙板拼装而成，大多使用于学校、住宅、公寓、办公楼等公共建筑。既能节约能源，又可以减轻墙体坍塌造成的损伤。液体状态下新型相变储能砂浆面临承载力降低的问题，不利于建筑结构力学性能的提升。因此应该着重研究与水泥基体有着良好界面兼容性的定形相变材料的制备，通过强化新型相变储能砂浆与建筑水泥的结合，从而达到提升相变储能砂浆力学性能的目的。

近年来建筑行业不断发展，带来的了一系列能源损耗问题，造成了生态环境的破坏。降低能源消耗，减少环境污染，增强承重能力，保护人身财产安全，推动建筑行业的和谐发展成为新的目标。未来应加大新型储能材料的研究力度，开发更为优良的新型材料，给建筑工程设计领域提供更为多样性的选择，提高相变储能材料在建筑工程设计中的全方位应用。