CN104386981A - 一种具有导热和储热功能的混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有导热和储热功能的混凝土材料及其制备方法，属于建筑材料技术领域。本发明的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，包括水泥、石英砂、天然卵石子、石墨、水、减水剂、膨胀剂，还包括相变聚乙烯微胶囊和芳纶纤维；各种组分重量份数为：水泥15份～25份，石英砂15份～25份，天然卵石子15份～25份，石墨10份～15份，水20份～30份，减水剂1份～3份，膨胀剂1份～3份，相变聚乙烯微胶囊5份～10份，芳纶纤维1份～5份；本发明的制备方法是经过水泥浆的制备、导热和储热混凝土浆的制备、混凝土浇筑三个步骤，工序简单。本发明可以实现制得的一种具有导热和储热功能的混凝土材料具有导热和储热效果好的双重目的。

Description

一种具有导热和储热功能的混凝土材料及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑材料技术领域，具体地说，涉及一种具有导热和储热功能的混凝土材料及其制备方法。

背景技术

导热混凝土是在普通混凝土中添加一定含量的导热组分材料制成的一种新型水泥基复合材料。普通混凝土既不属于绝缘体也不属于良导体，在混凝土中添加一定含量的石墨和碳纤维等导热组分，可改善其导热性能。混凝土中加入导热相材料后可成为导热混凝土，同时具备热和电的感知和转换能力，是一种新型智能混凝土，可在电工、电子、采暖、电磁干扰屏蔽、防静电、钢筋阴极保护等方面发挥重要作用。

目前关于导热混凝土的导热相多采用碳纤维，碳纤维价格较高，添加后使导热混凝土的成本增高，相比碳纤维而言，石墨和芳纶纤维获取相对容易、价格也低廉，又具有良好的导热性和化学惰性，况且，芳纶纤维还具有柔软性好和耐高温的优点，因此，石墨和芳纶纤维可以作为导热相材料，但石墨和芳纶纤维由于其相变潜热较低和常温下不易产生相变，因此，它们的储热性能和效果较差。

利用某些物质在相转变过程中的吸热和放热现象，可以进行热能贮存和温度调节控制。具有热能贮存和调节控制功能的这些物质称为相转变材料(PCM，phasechangematerials)，也称相变材料。根据材料组成的不同，相变材料可以分为无机相变材料、有机相变材料和高分子相变材料；根据相变方式的不同，可分为固-液相变材料和固-固相变材料。不同相变材料各有其不同的特点，应用上也存在一定的局限性。

中国专利公开号：102173664A，公开日：2011-9-7的专利文献公开了一种石墨-石蜡复合相变储能混凝土。该发明为一种石墨-石蜡复合相变储能混凝土，它以水泥，水，砂，碎石，减水剂为基体，还含有石蜡相变材料和增强导热作用的石墨以及增加机械强度的纤维增强材料。制备时首先将石蜡与石墨混合加热石蜡全部融化，并不断搅动使石蜡与石墨混合均匀成粘稠状；将砂、碎石投入搅拌机后，投入纤维、水泥进行干拌，随后加入水和减水剂快速搅拌均匀；然后将上述融化后的石墨-石蜡粘稠状混合物投入上述混凝土拌合物中混合均匀即可。该发明由于在石蜡中添加了石墨作为导热添加剂，提高了相变储能混凝土的导热系数，从而提高了储能材料热量储存和释放效率。但由于混凝土中的石蜡是一种有机物的混合物，与混凝土中的其它物质不能很好的融合，因此，该发明的石墨-石蜡复合相变储能混凝土在使用一段时间后，石蜡会慢慢渗出而造成该混凝土的热量的储存和释放效率逐渐降低。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中导热混凝土中存在的导热性较差、不能储热和现有的储热混凝土存在热量的储存和释放效率逐渐降低的问题，本发明提供了一种具有导热和储热功能的混凝土材料及其制备方法。它可以实现利用该制备方法制得的一种具有导热和储热功能的混凝土材料具有导热和储热效果好的双重目的。

2.技术方案

本发明的一种具有导热和储热功能的混凝土材料中选择相变聚乙烯微胶囊作为储热主要成分的技术原理为：微胶囊技术是一种用成膜材料把固体或液体包覆形成微小粒子的技术，得到的微小粒子称微胶囊，一般粒子大小在1～300μm范围内。包在微胶囊内部的物质称为囊心(也称为芯材、内核)，囊心物质为PCM的称为微胶囊相变材料(MPCM)。微胶囊相变材料是将微胶囊技术引入相变材料，增大了传热面积，防止了相变物质与周围环境的反应，控制了相转变时PCM的体积变化，提高了相变材料的使用效率。目前可作为微胶囊内核物质的固-液相变材料有结晶水合盐、共晶水合盐、直链烷烃、石蜡类、脂肪酸类和聚乙二醇等。微胶囊外部为成膜材料形成的包覆膜，称为壁材(也称为外膜、囊壁)，壁材通常为合成高分子材料，可选用的壁材有聚乙烯、聚苯乙烯、聚脲、聚酰胺、环氧树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂等。此外，有些微胶囊相变材料中还含有成核剂等其它助剂，用来改善相变材料的性能。利用上述原理，发明人经过多次的试验制得适用于混凝土的相变聚乙烯微胶囊，这种相变聚乙烯微胶囊是一种具有化学性质稳定、相变潜热大、无过冷及相分离现象的相变储热材料，将这种相变聚乙烯微胶囊掺入导热混凝土中具体良好的维持温度恒定和储存余热的功能。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种具有导热和储热功能的混凝土材料，包括水泥、石英砂、天然卵石子、石墨、水、减水剂、膨胀剂，还包括相变聚乙烯微胶囊和芳纶纤维，各种组分的重量份数为：水泥15份～25份，细石英砂15份～25份，天然卵石子15份～25份，石墨10份～15份，水20份～30份，减水剂1份～3份，膨胀剂1份～3份，相变聚乙烯微胶囊5份～10份，芳纶纤维1份～5份。

优选地，所述的相变聚乙烯微胶囊是以聚乙烯为聚合物壳材、石蜡为相变材料，通过以下步骤制作而成：

1)制备油相和水相：将相变材料与聚合物壳材融化后混合均匀作为油相，其中：相变材料占油相的质量百分比在5～80％之间，所述的聚合物壳材占油相的质量百分比在20～95％；所述的相变材料采用石蜡，所述的聚合物壳材采用聚乙烯；将乳化剂分散在水中作为水相，其中乳化剂的占水相的质量百分比为0.5～4％；

2)用匀浆机剪切：将步骤1)制得的油相和水相转入匀浆机剪切，使油相均匀分散在水相中形成O/W乳液，剪切速度为2000～8000Rmp；

3)将步骤2)制得的O/W乳液转移到水热反应釜中，在120～200℃温度下反应12～24小时后，自然冷却，即得到相变聚乙烯微胶囊。

优选地，所述的水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。

优选地，所述的天然卵石子为d≤10mm的卵石子。

优选地，所述的芳纶纤维规格为：d＝0.15mm；L＝5～8mm。

一种具有导热和储热功能的混凝土材料的制备方法，其具体步骤如下：

A.水泥浆的制备：将水泥和水计量后混合搅拌；

B.导热和储热混凝土浆的制备：将计量后的石英砂、天然卵石子、相变聚乙烯微胶囊、石墨、芳纶纤维加入到A步骤制得的水泥浆后混合搅拌，搅拌速度为800～1500rpm，搅拌时间为1min，再加入计量后的减水剂和膨胀剂继续搅拌10min；

C.混凝土浇筑：将B步骤制得的导热和储热混凝土浆注入模具中，20～30℃下养护28天，硬化得到具有导热和储热功能的混凝土材料。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，除添加了混凝土常用的水泥、石英砂、天然卵石子、水、减水剂、膨胀剂外，还添加了导热性能好的石墨、芳纶纤维和具有良好储热功能的相变聚乙烯微胶囊，显著提高了混凝土的导热和储热性能，改善了混凝土比热容小，散热快的缺点；

(2)本发明的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，所述的相变聚乙烯微胶囊是以聚乙烯为聚合物壳材、石蜡为相变材料经过制备油相和水相、匀浆机剪切、水热反应釜加热反应、冷却等步骤，制得的相变聚乙烯微胶囊粒度大小在30～100μm范围内，与水泥的粒度基本一致，搅拌后能够均匀分布在混凝土中；

(3)本发明的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，所述的水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，用这种水泥制得的导热和储热功能的混凝土材料抗压强度高；

(4)本发明的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，所述的天然卵石子为d≤10mm的卵石子，搅拌后能够达到既可以均匀分布于混凝土中起到骨架作用，又不使成本增加过高的目的，在本发明的混凝土材料中使用性价比高；

(5)本发明的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，所述的芳纶纤维规格为：d＝0.15mm；L＝5～8mm，这个规格的芳纶纤维应用于本发明的混凝土材料中，所起的抗裂能力和抗渗能力比细钢纤维的效果高50％以上；

(6)本发明的一种具有导热和储热功能的混凝土材料的制备方法，工序简单，只要严格按照工艺参数操作，就能生产出合格的具有导热和储热功能的混凝土材料；

(7)本发明的一种具有导热和储热功能的混凝土材料及其制备方法，具有经济、通用性好等优点，适用于各种需要导热和储热功能的混凝土的地区和行业，便于推广使用。

具体实施方式

下面结合具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，主要组分为下列重量份的原料：

42.5级普通硅酸盐水泥15份，石英砂15份，天然卵石子15份，相变聚乙烯微胶囊10份，石墨10份，芳纶纤维(d＝0.15mm、L＝5mm)1份，水20份，减水剂1份，膨胀剂1份。

本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料的制备方法，其具体步骤如下：

步骤一：相变聚乙烯微胶囊的制备：

1)制备油相和水相：将相变材料石蜡与聚合物壳材聚乙烯融化后混合均匀作为油相，其中：相变材料石蜡占油相的质量百分比为40％，聚合物壳材聚乙烯占油相的质量百分比在60％；将乳化剂分散在水中作为水相，其中乳化剂的占水相的质量百分比为2％；

2)用匀浆机剪切：将步骤1)制得的油相和水相按1：1的质量比转入匀浆机剪切，使油相均匀分散在水相中形成O/W乳液，剪切速度为5000Rmp；

3)将步骤2)制得的O/W乳液转移到水热反应釜中，在120℃温度下反应16小时后，自然冷却，即得到相变聚乙烯微胶囊；

步骤二：本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料的制备方法：

A.水泥浆的制备：将42.5级普通硅酸盐水泥15份和水20份计量后混合搅拌；

B.导热和储热混凝土浆的制备：将计量后的石英砂15份、天然卵石子15份、步骤一制得的相变聚乙烯微胶囊10份、石墨10份、芳纶纤维(d＝0.15mm、L＝5mm)1份加入到A步骤制得的水泥浆后混合搅拌，搅拌速度为1100rpm，搅拌时间为1min，再加入计量后的减水剂1份和膨胀剂1份继续搅拌10min；

C.混凝土浇筑：将B步骤制得的导热和储热混凝土浆注入模具中，25℃下养护28天，硬化得到具有导热和储热功能的混凝土材料。

按照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，经测试，制得的本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料导热系数在0.11W/(m·k)，其抗压强度达到了21.3MPa，体积储热密度为50MJ/m³，具有明显的导热效果和显著的储热效果，抗压强度也符合相关要求。

实施例2

本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，主要组分为下列重量份的原料：

42.5级普通硅酸盐水泥25份，石英砂20份，天然卵石子25份，相变聚乙烯微胶囊7份，石墨15份，芳纶纤维(d＝0.15mm、L＝8mm)3份，水30份，减水剂2份，膨胀剂3份。

本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料的制备方法，其具体步骤如下：

步骤一：相变聚乙烯微胶囊的制备：

1)制备油相和水相：将相变材料石蜡与聚合物壳材聚乙烯融化后混合均匀作为油相，其中：相变材料石蜡占油相的质量百分比为80％，聚合物壳材聚乙烯占油相的质量百分比在20％；将乳化剂分散在水中作为水相，其中乳化剂的占水相的质量百分比为4％；

2)用匀浆机剪切：将步骤1)制得的油相和水相按1：1的质量比转入匀浆机剪切，使油相均匀分散在水相中形成O/W乳液，剪切速度为8000Rmp；

3)将步骤2)制得的O/W乳液转移到水热反应釜中，在160℃温度下反应12小时后，自然冷却，即得到相变聚乙烯微胶囊；

步骤二：本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料的制备：

A.水泥浆的制备：将42.5级普通硅酸盐水泥25份和水30份计量后混合搅拌；

B.导热和储热混凝土浆的制备：将计量后的石英砂20份、天然卵石子25(d≤10mm)份、步骤一制得的相变聚乙烯微胶囊7份、石墨15份、芳纶纤维(d＝0.15mm、L＝8mm)3份加入到A步骤制得的水泥浆后混合搅拌，搅拌速度为1500rpm，搅拌时间为1min，再加入计量后的减水剂2份和膨胀剂3份继续搅拌10min；

C.混凝土浇筑：将B步骤制得的导热和储热混凝土浆注入模具中，30℃下养护28天，硬化得到具有导热和储热功能的混凝土材料。

按照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，经测试，制得的本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料导热系数在0.18W/(m·k)，其抗压强度达到了23.4MPa，体积储热密度为40MJ/m³，具有显著的导热和储热效果，抗压强度也符合相关要求。

实施例3

本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，主要组分为下列重量份的原料：

42.5级普通硅酸盐水泥20份，石英砂25份，天然卵石子20份，相变聚乙烯微胶囊5份，石墨13份，芳纶纤维(d＝0.15mm、L＝8mm)5份，水25份，减水剂3份，膨胀剂2份。

本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料的制备方法，其具体步骤如下：

步骤一：相变聚乙烯微胶囊的制备：

1)制备油相和水相：将相变材料石蜡与聚合物壳材聚乙烯融化后混合均匀作为油相，其中：相变材料石蜡占油相的质量百分比为5％，聚合物壳材聚乙烯占油相的质量百分比在95％；将乳化剂分散在水中作为水相，其中乳化剂的占水相的质量百分比为0.5％；

2)用匀浆机剪切：将步骤1)制得的油相和水相按1：1的质量比转入匀浆机剪切，使油相均匀分散在水相中形成O/W乳液，剪切速度为2000Rmp；

3)将步骤2)制得的O/W乳液转移到水热反应釜中，在200℃温度下反应16小时后，自然冷却，即得到相变聚乙烯微胶囊；

步骤二：本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料的制备：

A.水泥浆的制备：将42.5级普通硅酸盐水泥20份和水25份计量后混合搅拌；

B.导热和储热混凝土浆的制备：将计量后的石英砂25份、天然卵石子20份(d≤10mm)、步骤一制得的相变聚乙烯微胶囊5份、石墨13份、芳纶纤维(d＝0.15mm、L＝8mm)5份加入到A步骤制得的水泥浆后混合搅拌，搅拌速度为800rpm，搅拌时间为1min，再加入计量后的减水剂3份和膨胀剂2份继续搅拌10min；

C.混凝土浇筑：将B步骤制得的导热和储热混凝土浆注入模具中，20℃下养护28天，硬化得到具有导热和储热功能的混凝土材料。

按照GB/T50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》，经测试，制得的本实施例的一种具有导热和储热功能的混凝土材料导热系数在0.12W/(m·k)，其抗压强度达到了25.3MPa，体积储热密度为30MJ/m³，具有良好的导热效果和明显的储热效果，抗压强度也符合相关要求。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有导热和储热功能的混凝土材料，包括水泥、石英砂、天然卵石子、石墨、水、减水剂和膨胀剂，其特征在于：还包括相变聚乙烯微胶囊和芳纶纤维；各种组分重量份数为：水泥15份～25份，石英砂15份～25份，天然卵石子15份～25份，石墨10份～15份，水20份～30份，减水剂1份～3份，膨胀剂1份～3份，相变聚乙烯微胶囊5份～10份，芳纶纤维1份～5份。

2.根据权利要求1所述的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，其特征在于：所述的相变聚乙烯微胶囊是以聚乙烯为聚合物壳材、石蜡为相变材料，通过以下步骤制作而成：

1)制备油相和水相：将相变材料与聚合物壳材融化后混合均匀作为油相，其中：相变材料的占油相的质量百分比在5～80％，所述的聚合物壳材占油相的质量百分比在20～95％；所述的相变材料采用石蜡，所述的聚合物壳材采用聚乙烯；将乳化剂分散在水中作为水相，其中乳化剂的占水相的质量百分比为0.5～4％；

2)用匀浆机剪切：将步骤1)制得的油相和水相转入匀浆机剪切，使油相均匀分散在水相中形成O/W乳液，剪切速度为2000～8000Rmp；

3)将步骤2)制得的O/W乳液转移到水热反应釜中，在120～200℃温度下反应12～24小时后，自然冷却，即得到相变聚乙烯微胶囊。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，其特征在于：所述的水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。

4.根据权利要求3所述的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，其特征在于：所述的天然卵石子为d≤10mm的卵石子。

5.根据权利要求3所述的一种具有导热和储热功能的混凝土材料，其特征在于：所述的芳纶纤维规格为：d＝0.15mm；L＝5～8mm。

6.一种制备如权利要求5所述的具有导热和储热功能的混凝土材料的制备方法，其具体步骤如下：

A.水泥浆的制备：将水泥和水计量后混合搅拌；

B.导热和储热混凝土浆的制备：将计量后的石英砂、天然卵石子、相变聚乙烯微胶囊、石墨、芳纶纤维加入到A步骤制得的水泥浆后混合搅拌，搅拌速度为800～1500rpm，搅拌时间为1min，再加入计量后的减水剂和膨胀剂继续搅拌10min；

C.混凝土浇筑：将B步骤制得的导热和储热混凝土浆注入模具中，20～30℃下养护28天，硬化得到具有导热和储热功能的混凝土材料。