一种相变储能地聚合物混凝土及其制备方法及其应用与流程

2021-01-30 22:01:32|

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本发明涉及混凝土制备技术领域，具体涉及一种相变储能地聚合物混凝土及其制备方法及其应用。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

太阳能凭其储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和使用的安全性等优势脱颖而出，在世界各种能源增长速率中名列第一。但利用过程中，太阳能的储存及有效利用一直是当前面临的突出问题。相变储能技术是一项新型环保节能技术，可以缓解能量浪费及减轻环境污染的有效途径。相变储能材料(pcm-phasechangematerial)作为一种新型的节能材料，已成为国内外资源利用与材料科学领域的研究热点。其原理是在相变温度范围内，利用自身结构或相态变化向环境释放、吸收潜热，从而调节和控制周围环境的温度。

目前，在建筑节能、道路保养、工程结构降温等领域，通常通过在普通混凝土中直埋、封装等方式掺加一定比例的相变材料，期望得到具有调温作用的相变混凝土，例如，申请号为201611250270.3的中国专利文献公开的混凝土装饰板，包括混凝土结构层、界面层和装饰层，其中，混凝土结构层的原料包括超高强混凝土和相变储能颗粒。

然而，本发明人发现：对于目前的这类直埋、封装的方式，第一，由于相变材料的封装技术与热稳定性、相变水泥混凝土的力学性能等关键问题尚未解决，大多数相变水泥混凝土的研究仍处于理论试验阶段。第二，虽然水泥相变储能水泥混凝土具有成本低、排污低、建造维护容易等优势，但与掺入的相变材料之间存在以下的问题：(1)相变材料与混凝土基体相容性差，容易导致两者分离，降低导热效率；(2)尽管水泥混凝土不易分解，但水泥水化产物在相变材料带来的高温环境下易分解，使混凝土中相变材料泄露，造成污染。

技术实现要素：

针对上述的问题，本发明的目的是提供一种相变储能地聚合物混凝土及其制备方法及其应用。本发明的相变储能地聚合物混凝土中相变球粒表层与混凝土基体为地聚合物，两者可以有效结合，不易开裂，有效解决了相变材料与混凝土基体兼容性较差的问题。为实现上述目的，具体地，本发明的技术方案如下所示：

在本发明的第一方面，公开一种相变储能地聚合物混凝土，其原料包括如下重量份的组分：粉煤灰32-50份、赤泥28-40份、水玻璃20-34份、碱金属氢氧化物10-38份、钢渣粉20-35份、钢渣骨料43-52份、水20-30份、相变球粒22-35份，且该相变球粒包括地聚合物和相变材料；其中：所述地聚合物的原料包括如下重量份的组分：粉煤灰20-30份、水玻璃20-30份、碱金属氢氧化物5-20份、钢渣粉12-25份、氯化钡1-5份、石墨粉12-20份、硼酸2-10份、水10-18份。

进一步地，所述碱金属氢氧化物包括氧氧化钠、氢氧化钾等中的至少一种。在本发明中，加入碱金属氢氧化物的主要目的是作为激发剂，提供体系的氢氧根离子。

进一步地，所述赤泥包括烧结法赤泥、拜尔法赤泥、联合法赤泥等中的至少一种。在本发明中，加入赤泥的主要目的是提供体系的硅铝单元体。

进一步地，所述钢渣粉的粒径不大于45μm，钢渣骨料粒径在7.5mm-20mm之间。由于钢渣富含大量铁，通过在相变球粒加入钢渣可以有效提高相变球粒的导热性，提高能量的存储和释放效能。

进一步地，所述地聚合物和相变材料的质量比为1-3:2-5，通过地聚合物将相变材料包裹在其中，形成具有利用自身相态变化向环境释放、吸收潜热能力的相变球粒，这种相变球粒具有核壳结构，其外壳为地聚合物，内核为被包裹的相变材料，这种地聚合物外壳与同为地聚合物的基体能够良好地结合，避免出现明显的界面和分层问题。

进一步地，所述相变材料包括nano3、石蜡等中的任意一种；所述相变球粒的直径为1-4mm。

在本发明的第二方面，公开所述相变储能地聚合物混凝土的制备方法，包括如下步骤：

(1)按照上述相变储能地聚合物混凝土的原料组成：将各原料加入水中搅拌均匀，得到地聚合物混合料，备用。

(2)将步骤(1)得到的地聚合物混合料养护，完成后即得相变储能地聚合物混凝土。

进一步地，步骤(2)中，所述养护的温度为40-60℃，时间≥1天。

在本发明的第三方面，公开所述相变球粒的制备方法，包括如下步骤：

(i)按照所述相变球粒中地聚合物的原料组成：先将氯化钡、硼酸、碱金属氢氧化物加入水中搅拌均匀，然后加入粉煤灰、钢渣粉、水玻璃，搅拌均匀，得到地聚合物浆体，备用。

(ii)将相变材料和步骤(i)得到的地聚合物浆体混合均匀，使地聚合物浆体包裹相变材料，然后进行造粒、蒸养、烘干，即得相变球粒。

进一步地，步骤(ii)中，所述造粒的压力1-5mpa，蒸养温度为40-60℃，蒸养时间2-6h，完成后烘干至恒重，即得相变球粒。

在本发明的第四方面，公开所述相变储能地聚合物混凝土在建筑工程领域中的应用，优选为用于非承重结构的墙体材料。作为相变储能建筑材料，其在相变球粒物相变化过程中，通过从环境中吸收热量或向环境中放出热量，达到调节和控制周围环境温度的目的。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)区别于传统的直接在混凝土中直埋、封装掺加相变材料的方式，本发明合成的相变储能地聚合物混凝土中，相变球粒表层与混凝土基体均为地聚合物，从而两者可以有效结合，不易开裂，有效解决了相变材料与混凝土基体兼容性较差的问题。

(2)本发明的相变储能地聚合物混凝土中加入钢渣粉作为地聚合物掺合料，有效改善了混凝土的导热性，提高了对能量的存储和释放效能。

(3)本发明的相变储能地聚合物混凝土中，具有地聚合物特点的混凝土基体是一种高温下可以稳定的存在胶凝材料，可以有效防止因混凝土基体的在高温下导致包裹失效，造成相变材料泄露的问题。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

下列实施例中，所述粉煤灰购自石家庄亿诚建材有限公司，其主要成份包括二氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钙、氧化镁、氧化钾、氧化钠等。

下列实施例中，所述赤泥为购自山东铝业有限公司的拜耳法赤泥，其主要成分包括二氧化硅、三氧化二铝、氧化钙、三氧化二铁等。

下列实施例中，所述钢渣购自宜兴福圣达建材有限公司，其主要成分包括金属铁、氧化钙、氧化镁、氧化锰等。

第一实施例

1、一种相变球粒的制备，包括如下步骤：

(1)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰28份、水玻璃22份、氢氧化钾10份、钢渣粉15份(粒径≤45μm)、氯化钡1.4份、石墨粉15份、硼酸8份、水15份、备用。

(2)将步骤(1)中的氯化钡、硼酸、氢氧化钾加入水中，搅拌均匀，再加入粉煤灰、钢渣粉及水玻璃，搅拌均匀，得到地聚合物浆体，备用。

(3)按照7：3的重量比称取nano3相变材料和步骤(2)得到的地聚合物浆体，将两者混合均匀，使地聚合物浆体包裹相变材料，然后一次进行造粒、蒸养，烘干至恒重，其中，所述造粒的压力为5mpa，蒸养温度为48℃，蒸养时间3h，完成后得到粒径在1-4mm之间的相变球粒。

2、一种相变储能地聚合物混凝土的制备，包括如下步骤：

(4)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰34份、赤泥30份、水玻璃23份、氢氧化钾12份、钢渣粉25份(粒径≤45μm)、钢渣骨料45份(粒径75nm-20mm之间)、相变球粒25份、自来水23份，备用。

(5)将步骤(4)中各组分加至水中，搅拌均匀，得地聚合物混合料；

(6)将步骤(5)中得到的地聚合物混合料装入模具中，在40℃养护1天，即得地聚合物相变储能混凝土。

性能测试：

1、采用混凝土导热系数仪器测得本实施例制备的相变储能混凝土的导热系数为4.98w/mk。

2、将本实施例的相变储能地聚合物混凝土在500℃升降温循环50次表面未见裂纹。

3、按照gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》测得50次高温循环后地聚合物混凝土28天抗压强度损失率为4.2％，远低于行业标准。

第二实施例

1、一种相变球粒的制备，包括如下步骤：

(1)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰22份、水玻璃25份、氢氧化钾18份、钢渣粉24份(粒径≤45μm)、氯化钡3份、石墨粉18份、硼酸5份、水16份、备用。

(2)将步骤(1)中的氯化钡、硼酸、氢氧化钾加入水中，搅拌均匀，再加入粉煤灰、钢渣粉及水玻璃，搅拌均匀，得到地聚合物浆体，备用。

2、一种相变储能地聚合物混凝土的制备，包括如下步骤：

(4)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰45份、赤泥36份、水玻璃28份、氢氧化钾18份、钢渣粉26份(粒径≤45μm)、钢渣骨料49份(粒径75nm-20mm之间)、相变球粒30份、自来水25份，备用。

(5)将步骤(4)中各组分加至水中，搅拌均匀，得地聚合物混合料；

(6)将步骤(5)中得到的地聚合物混合料装入模具中，在40℃养护1天，即得地聚合物相变储能混凝土。

性能测试：

1、采用混凝土导热系数仪器测得本实施例制备的相变储能混凝土的导热系数为4.31w/mk。

2、将本实施例的相变储能地聚合物混凝土在500℃升降温循环50次表面未见裂纹。

3、按照gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》测得50次高温循环后地聚合物混凝土28天抗压强度损失率为1.2％，远低于行业标准。

第三实施例

1、一种相变球粒的制备，包括如下步骤：

(1)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰28份，水玻璃30份，氢氧化钾19份，钢渣粉15份(粒径≤45μm)，氯化钡4份，石墨粉18份，硼酸7份，水18份，备用。

(2)将步骤(1)中的氯化钡、硼酸、氢氧化钾加入水中，搅拌均匀，再加入粉煤灰、钢渣粉及水玻璃，搅拌均匀，得到地聚合物浆体，备用。

2、一种相变储能地聚合物混凝土的制备，包括如下步骤：

(4)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰48份、赤泥38份、水玻璃34份、氢氧化钾35份、钢渣粉34份(粒径≤45μm)、钢渣骨料50份(粒径75nm-20mm之间)、相变球粒30份、自来水28份，备用。

(5)将步骤(4)中各组分加至水中，搅拌均匀，得地聚合物混合料；

(6)将步骤(5)中得到的地聚合物混合料装入模具中，在40℃养护1天，即得地聚合物相变储能混凝土。

性能测试：

1、采用混凝土导热系数仪器测得本实施例制备的相变储能混凝土的导热系数为5.42w/mk。

2、将本实施例的相变储能地聚合物混凝土在500℃升降温循环50次表面未见裂纹。

3、按照gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》测得50次高温循环后地聚合物混凝土28天抗压强度损失率为0.8％，远低于行业标准。

第四实施例

1、一种相变球粒的制备，包括如下步骤：

(1)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰30份，水玻璃26份，氢氧化钠20份，钢渣粉12份(粒径≤45μm)，氯化钡5份，石墨粉20份，硼酸10份，水12份，备用。

(2)将步骤(1)中的氯化钡、硼酸、氢氧化钾加入水中，搅拌均匀，再加入粉煤灰、钢渣粉及水玻璃，搅拌均匀，得到地聚合物浆体，备用。

(3)按照2：1的重量比称取石蜡相变材料和步骤(2)得到的地聚合物浆体，将两者混合均匀，使地聚合物浆体包裹相变材料，然后一次进行造粒、蒸养，烘干至恒重，其中，所述造粒的压力为3mpa，蒸养温度为40℃，蒸养时间6h，完成后得到粒径在1-4mm之间的相变球粒。

2、一种相变储能地聚合物混凝土的制备，包括如下步骤：

(4)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰50份、赤泥40份、水玻璃30份、氢氧化钾38份、钢渣粉35份(粒径≤45μm)、钢渣骨料52份(粒径75nm-20mm之间)、相变球粒35份、自来水30份，备用。

(5)将步骤(4)中各组分加至水中，搅拌均匀，得地聚合物混合料；

(6)将步骤(5)中得到的地聚合物混合料装入模具中，在45℃养护1天，即得地聚合物相变储能混凝土。

性能测试：

1、采用混凝土导热系数仪器测得本实施例制备的相变储能混凝土的导热系数为5.56w/mk。

2、将本实施例的相变储能地聚合物混凝土在500℃升降温循环50次表面未见裂纹。

3、按照gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》测得50次高温循环后地聚合物混凝土28天抗压强度损失率为1.6％，远低于行业标准。

第五实施例

1、一种相变球粒的制备，包括如下步骤：

(1)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰20份，水玻璃20份，氢氧化钠5份，钢渣粉12份(粒径≤45μm)，氯化钡1份，石墨粉12份，硼酸2份，水10份，备用。

(2)将步骤(1)中的氯化钡、硼酸、氢氧化钾加入水中，搅拌均匀，再加入粉煤灰、钢渣粉及水玻璃，搅拌均匀，得到地聚合物浆体，备用。

(3)按照4：3的重量比称取nano3相变材料和步骤(2)得到的地聚合物浆体，将两者混合均匀，使地聚合物浆体包裹相变材料，然后一次进行造粒、蒸养，烘干至恒重，其中，所述造粒的压力为1mpa，蒸养温度为60℃，蒸养时间2h，完成后得到粒径在1-4mm之间的相变球粒。

2、一种相变储能地聚合物混凝土的制备，包括如下步骤：

(5)将步骤(4)中各组分加至水中，搅拌均匀，得地聚合物混合料；

(6)将步骤(5)中得到的地聚合物混合料装入模具中，在60℃养护1天，即得地聚合物相变储能混凝土。

性能测试：

1、采用混凝土导热系数仪器测得本实施例制备的相变储能混凝土的导热系数为5.47w/mk。

2、将本实施例的相变储能地聚合物混凝土在500℃升降温循环50次表面未见裂纹。

3、按照gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》测得50次高温循环后地聚合物混凝土28天抗压强度损失率为3.3％，远低于行业标准。

第一试验例

1、一种相变球粒的制备，包括如下步骤：

(1)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰28份、水玻璃22份、氢氧化钾10份、氯化钡1.4份、石墨粉15份、硼酸8份、水15份、备用。

(2)将步骤(1)中的氯化钡、硼酸、氢氧化钾加入水中，搅拌均匀，再加入粉煤灰及水玻璃，搅拌均匀，得到地聚合物浆体，备用。

2、一种相变储能地聚合物混凝土的制备，包括如下步骤：

(4)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰34份、赤泥30份、水玻璃23份、氢氧化钾12份、相变球粒25份、自来水23份，备用。

(5)将步骤(4)中各组分加至水中，搅拌均匀，得地聚合物混合料；

(6)将步骤(5)中得到的地聚合物混合料装入模具中，在40℃养护1天，即得地聚合物相变储能混凝土。

性能测试：

1、采用混凝土导热系数仪器测得本实施例制备的相变储能混凝土的导热系数为2.44w/mk。

2、将本实施例的相变储能地聚合物混凝土在500℃升降温循环35次表面出现微裂纹。

3、按照gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》测得35次高温循环后地聚合物混凝土28天抗压强度损失率为3.3％。

第二试验例

一种相变储能地聚合物混凝土的制备，包括如下步骤：

(4)按重量份计，称取下列各物质：粉煤灰34份、赤泥30份、水玻璃23份、氢氧化钾12份、钢渣粉25份(粒径≤45μm)、钢渣骨料45份(粒径75nm-20mm之间)、nano325份、自来水23份，备用。

(5)将步骤(4)中各组分加至水中，搅拌均匀，得混合料；

(6)将步骤(5)中得到的混合料装入模具中，在40℃养护1天，即得地聚合物相变储能混凝土。

性能测试：

1、采用混凝土导热系数仪器测得本实施例制备的相变储能混凝土的导热系数为3.56w/mk。

2、将本实施例的相变储能地聚合物混凝土在500℃升降温循环35次表面出现较明显裂纹。

3、按照gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》测得35次高温循环后地聚合物混凝土28天抗压强度损失率为4.1％。

第三试验例

1、一种相变球粒的制备，包括如下步骤：

(2)将步骤(1)中的氯化钡、硼酸、氢氧化钾加入水中，搅拌均匀，再加入粉煤灰、钢渣粉及水玻璃，搅拌均匀，得到地聚合物浆体，备用。

2、一种相变储能地聚合物混凝土的制备，包括如下步骤：

(4)按重量份计，称取下列各物质：硅酸盐水泥169份、相变球粒25份、自来水23份，备用。

(5)将步骤(4)中各组分加至水中，搅拌均匀，得混合料；

(6)将步骤(5)中得到的混合料装入模具中，在40℃养护1天，即得地聚合物相变储能混凝土。

性能测试：

1、采用混凝土导热系数仪器测得本实施例制备的相变储能混凝土的导热系数为2.64w/mk。

2、将本实施例的相变储能地聚合物混凝土在500℃升降温循环35次表面出现明显裂纹。

3、按照gb/t50107-2010《混凝土强度检验评定标准》测得35次高温循环后地聚合物混凝土28天抗压强度损失率为5.7％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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