PCM加持混凝土，市政建设新风口

Presented by Yaghoob Farnam, Drexel University; and Mohammad Balapour, Drexel University

相变材料 (PCM) 可用于混凝土以储存热能。PCM 应具有理想的熔化温度和高熔化焓，以便在混凝土结构在其使用寿命内经历的温度曲线中储存/释放适量的能量。本研究探讨了在砂浆样品中使用微胶囊石蜡基 PCM 和三聚氰胺甲醛基外壳来节省热能的可能性。差示扫描量热法 (DSC) 和纵向保护比较量热法 (LGCC) 技术用于提供定义各种环境条件下理想的 PCM 及其剂量的必要信息。研究了含有不同剂量微胶囊 PCM 的砂浆样品的热响应，冻结温度为 6、18、24 和 28。使用微胶囊 PCM 的挑战之一是混凝土搅拌过程中 PCM 外壳的破裂会影响混凝土的机械性能。为了确定搅拌过程对混凝土机械性能的影响，使用慢速、中速和快速等不同的搅拌速度制备砂浆样品，并评估混合混凝土的抗压强度。虽然在砂浆中加入微胶囊 PCM 显示出良好的热能储存效果，但观察表明，提高搅拌速度会导致 PCM 外壳破裂，并可能降低机械性能。

https://www.youtube.com/watch?v=8TRz3xo2Nrw&t=1087s

介绍

是的，现在我想你已经知道他在普渡大学获得了博士学位，现在是德雷克塞尔大学的资深教授。非常感谢你的介绍。所以我稍微改了一下话题，我们将直接讨论微胶囊相变材料在混凝土结构热能管理中的效率。我会尝试提供一些实验结果，说明我们实际获得的效率。这项工作是由我的博士生Mohammad Oliver完成的，所以所有的功劳都归他，我只做了一点贡献。起初，我被要求准备15分钟的演讲，但现在我得讲25分钟，所以我加了这张幻灯片。

什么是相变材料？

相变材料是什么？我们可以从一个关于热巧克力冰淇淋的比喻来理解。我的侄子非常喜欢热巧克力冰淇淋，特别是热巧克力部分，他总是要求多加一些。我说：“你再加多点热巧克力，冰淇淋就全化了。”这个比喻中，热巧克力可以看作是冰淇淋的热源，而冰淇淋则为热巧克力提供了一个冷却源。这就是相变材料的基本思想：你可以使用某种相变材料来储存或释放热能。另一方面，冰淇淋为热巧克力提供了类似冷却源的功能。所以它们都可以看作是相变材料。

背景

从科学角度讲，相变材料是一些液体或固体，我们可以设计它们的熔点以适应不同的应用。例如，在冷却事件中，我们降低温度，使用液态相变材料，当它们从液态变为固态时，会释放热量，我们可以利用这部分热量来加热周围环境。反之，在加热周期中，如果相变材料从固态变为液态，它们会吸收热量，从而冷却周围环境。因此，你可以通过使用相变材料来储存或释放热能。

相变材料（PCM）：应用

在冷却事件中释放热量，主要用于保持周围环境温暖，例如用于融雪和融冰。这是我们过去五六年一直在研究的一个领域，通过在混凝土路面中使用相变材料，我们能够融化大约五到六英寸的积雪。在加热事件中吸收热量，我们希望冷却混凝土，例如在大体积混凝土中，水泥水化会释放大量热量，我们希望通过相变材料吸收这部分热量，以减少热裂缝。在建筑管理中，有很多研究致力于调节建筑物内部温度，以节省冷却或加热房间的电能。我们还可以将相变材料用于自愈合路面，这也是我们做过的一项研究。例如，我们制作了含有相变材料的大型混凝土板，能够融化五到六英寸的积雪，而没有相变材料的混凝土板则会结冰。

需要注意的是，在设计相变材料时要非常小心，因为不同的应用需要不同类型的相变材料。用于建筑的相变材料不能直接用于路面融雪，因为融雪需要在接近零摄氏度的温度下发生相变，而建筑物内的舒适温度大约是22到23摄氏度，因此相变材料应针对这种温度设计。此外，在大体积混凝土或暴露于高温环境（如亚利桑那州）的路面中，相变材料可以作为热能储存器，吸收水泥水化或外部环境带来的热量，从而减少热裂缝。

将相变材料融入混凝土路面的方法

我们如何将相变材料融入混凝土中？不同的方法会带来不同的性能。以下是一些方法：

1. 管道法：在混凝土中嵌入管道，然后在管道中填充相变材料。这种方法的优点是可以在夏季和冬季更换不同类型的相变材料，就像混凝土中的血管系统一样。但缺点是成本高昂，而且相变材料的热量传递效率可能不高，因为其分布不够均匀。

2. 多孔骨料法：使用多孔骨料（如轻质骨料）作为相变材料的储存器。这种方法类似于内部养护技术，将相变材料浸泡在多孔骨料中储存。

3. 胶囊法：使用市场上可用的相变材料胶囊，与混凝土混合。这种方法简单，但在混合过程中需要小心，因为胶囊可能会破裂。

使用微胶囊融入相变材料：挑战

在使用胶囊法时，我们面临一些挑战：

1. 机械破裂：在混凝土混合过程中，骨料之间的摩擦可能会导致胶囊破裂，相变材料泄漏出来，造成问题。

2. 化学溶解：混凝土环境是高碱性的，孔隙溶液中含有钠离子、钾离子或硫酸根离子等，这些离子可能与胶囊外壳发生化学反应，导致外壳劣化，进而引发泄漏。

使用微胶囊融入相变材料：动机

这些挑战促使我们思考：当我们设计相变材料时，是否能获得预期的热能？我们知道放入的相变材料数量和其潜热值，但实际能获得多少热能？此外，我们还想了解相变材料对混凝土机械性能的影响。因为增加相变材料会降低机械性能，我们需要找到一个平衡点，既能提高热性能，又能保持足够的机械强度。

评估相变材料在混凝土热能管理中的效率

为了解决这些问题，我们进行了一些实验。我们研究了混合速度（慢速、中速、快速）对相变材料的影响。我们将相变材料按体积比（5%、10%、15%、20%、30%）替换骨料，并研究了样品尺寸对热性能的影响。较小的样品和较大的样品在热扩散和热传导方面表现不同，因此我们需要研究这种差异。

样品制备

我们使用了一种熔点为4摄氏度的石蜡油相变材料，这种材料非常适合融雪和融冰。我们通过差示扫描量热法（DSC）测量了相变材料的热性能。结果显示，随着相变材料用量的增加，热流峰值（表示相变释放的热量）也增加，这是预期的行为。我们保持水灰比不变，骨料含量固定在55%，然后通过替换5%、10%、15%、20%和30%的骨料来加入相变材料，同时测试了三种混合速度：慢速、中速和快速。

第一部分：小样品评估（DSC研究）

我们使用差示扫描量热法分析了小样品（约15-20毫克）。结果显示，没有相变材料的样品没有热流峰值，而添加10%相变材料后出现小的峰值，添加30%时峰值显著增大。我们通过积分这些峰值计算出潜热，发现随着相变材料用量的增加，潜热线性增加，这与预期一致。混合速度的影响显示，随着混合速度增加，热能线性减少，可能是因为高速混合导致胶囊破裂。

第二部分：大样品评估（LGCC研究）

为了研究大样品（约3英寸）的热性能，我们开发了一种称为纵向保护比较量热法（LGCC）的设备。这种设备可以模拟稳态一维热流，测量大样品的热流响应。我们与美国国家标准与技术研究院（NIST）合作开发了这一设备。测试中，我们以每小时1度的速度缓慢改变温度，确保稳态条件。

LGCC热分析：热流响应和热能计算

LGCC的结果与DSC类似，显示了热流峰值，表示相变的热量释放。通过对峰值进行积分，我们计算出大样品的潜热。

LGCC结果：对照组 vs 含相变材料的混凝土

在没有相变材料的对照组中，没有热流峰值，这符合预期。在含相变材料的样品中，随着用量的增加，热流峰值增大。然而，当相变材料用量超过20%时，潜热的增加呈现双线性效应，斜率减小，可能是因为相变材料之间的相互作用或LGCC测试的局限性。

相变材料效率分析：DSC vs LGCC

我们比较了DSC（小样品）和LGCC（大样品）的结果，通过计算实际测得热能与预期热能的比值来评估效率。DSC结果显示，随着相变材料用量的增加，热能效率约为70%，即有30%的热能损失。LGCC结果显示，对于较低用量，效率与DSC相似，但当用量超过17%时，效率下降，呈现双线性效应。这表明在实际应用中，尤其是在大样品或高用量情况下，相变材料的热能效率可能低于预期。

机械压缩性能

我们还研究了相变材料对混凝土抗压强度的影响。结果显示，随着相变材料用量的增加，抗压强度显著下降。例如，替换30%骨料（按体积）后，抗压强度下降了50%。这表明在追求热性能时，必须考虑机械性能的损失。

总结与结论

本研究的目的是了解微胶囊相变材料在混凝土中的热能效率。实验表明，由于机械破裂和化学溶解等挑战，相变材料的热能效率可能低于预期，最低有30%的热能损失，甚至可能更多。此外，混合速度和样品尺寸也会影响效率。在机械性能方面，添加相变材料会导致显著的强度下降。因此，在设计含相变材料的混凝土时，必须权衡热性能和机械性能，找到一个最佳用量，以同时满足热能管理和结构强度的需求。

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