CN113912335A - 一种蓄热混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及混凝土领域，具体公开了一种蓄热混凝土及其制备方法，所述蓄热混凝土由包括如下重量份的原料制备而成：水泥300‑400份、水200‑300份、砂120‑280份、粗集料150‑280份、相变蓄热材料100‑220份、碳纳米纤维5‑9.5份和减水剂5‑10份；所述相变蓄热材料由如下重量份的原料制得：聚乙二醇120‑150份和页岩陶粒20‑30份；本申请的蓄热混凝土具有较好的蓄热性能。

Description

一种蓄热混凝土及其制备方法
技术领域
本申请涉及混凝土领域，更具体地说，它涉及一种蓄热混凝土及其制备方法。
背景技术
在许多工业和建筑采暖等能量利用系统中，往往存在着能量供应和需求时间的差异，造成了能量利用的大量浪费，解决该问题的有效途径之一就是采用蓄热材料。目前，蓄热材料主要有熔融盐、铝合金、铁矿石、矿物油以及混凝土等。这些蓄热材料通常是把热量或冷量储存起来，在需要时再把它释放出来，从而提高能源的利用率，但是蓄热材料的优劣及成本是热能利用效率高低的主要因素之一。与其他蓄热材料相比，蓄热混凝土的成本较低且性价比较高，因此蓄热混凝土被广泛应用。现有蓄热混凝土通常使用显性蓄热材料，显热蓄热材料分为液体和固体两种类型，液体材料常见的如水，固体材料如岩石、鹅卵石、土壤等。
针对上述中的相关技术，发明人认为显性蓄热材料蓄热效率不高，而且与周围环境存在温差会造成热量损失，热量不能长期储存，在使用过程中存在蓄热性与保温性较差的问题。
发明内容
为了提高蓄热混凝土的蓄热能力，本申请提供一种蓄热混凝土及其制备方法。
第一方面，本申请提供一种蓄热混凝土，采用如下的技术方案：
一种蓄热混凝土，其由包括如下重量份的原料制备而成：水泥300-400份、水200-300份、砂120-280份、粗集料150-280份、碳纳米纤维5-9.5份、相变蓄热材料100-220份和减水剂5-10份；
所述相变蓄热材料由如下重量份的原料制得：聚乙二醇120-150份和页岩陶粒20-30份。
通过采用上述技术方案，本申请制备的蓄热混凝土，通过在混凝土的制备过程中加入相变蓄热材料有效改善了混凝土的蓄热性能。本申请的相变蓄热材料，以页岩陶粒为载体，通过吸附作用将聚乙二醇吸附在页岩陶粒的孔隙之中，形成相变蓄热材料，将相变蓄热材料加入到蓄热混凝土中，从而提高了蓄热混凝土的蓄热性能；碳纳米纤维在不影响蓄热能力的情况下，提高了蓄热混凝土的抗压强度；使用相变蓄热材料制得的蓄热混凝土比使用同样重量份的页岩陶粒制得的蓄热混凝土，其蓄热性能较好，说明相变蓄热材料可有效提高蓄热混凝土的蓄热性能；当聚乙二醇和页岩陶粒的重量份在此范围内取值时，所制得的蓄热混凝土的蓄热性能均较好。
优选的，所述蓄热混凝土由包括如下重量份的原料制备而成：水泥340-360份、水260-280份、砂160-220份、粗集料200-250份、相变蓄热材料140-180份、碳纳米纤维6.5-8份和减水剂6-8份。
通过采用上述技术方案，本申请通过优化蓄热混凝土的各原料用量，使蓄热混凝土原料用量在此范围内时，蓄热系数可达到13.88W/(m2·K)，使所制备的蓄热混凝土的蓄热性能较好。
优选的，所述页岩陶粒的平均粒径为5-20mm。
通过采用上述技术方案，本申请中随着页岩陶粒粒径的逐渐增大，其蓄热性能逐渐减小，在此范围内，蓄热性能均在13.76W/(m2·K)以上，所以为保证蓄热混凝土的蓄热性能，平均粒径不宜超过20mm。
优选的，所述聚乙二醇的平均分子量为1000-2000。
通过采用上述技术方案，本申请通过限制聚乙二醇分子量大小，使制得的蓄热混凝土蓄热性能均较好，聚乙二醇分子量在1500时，蓄热性能能达到13.94W/(m2·K)。
优选的，所述相变蓄热材料的制备方法包括如下步骤：
1)将聚乙二醇加热进行熔融；
2)将页岩陶粒在熔融后的聚乙二醇中浸泡3-5个小时；
3)充分吸收聚乙二醇的页岩陶粒过滤后冷却，形成封装聚乙二醇的页岩陶粒，即相变蓄热材料。
通过采用上述技术方案，将页岩陶粒浸泡在聚乙二醇中，形成封装聚乙二醇的页岩陶粒，最后制得相变蓄热材料；相变蓄热材料制备过程中，浸泡时间在上述范围内取值，均能使页岩陶粒充分吸收聚乙二醇，得到所需相变蓄热材料。
优选的，所述粗骨料由玄武岩、膨胀珍珠岩和矿渣制得，其添加的重量份如下：玄武岩60-80份、膨胀珍珠岩40-60份和矿渣45-65份。
通过采用上述技术方案，玄武岩、膨胀珍珠岩和矿渣按一定比例进行复配得到粗骨料，玄武岩为多气孔状，其气孔多，质地坚硬，将它混在混凝土里作为粗集料，不仅坚固耐用，同时还具有隔热的特点；膨胀珍珠岩是一种内部为蜂窝状结构的白色颗粒状的材料，作为轻质骨料具有良好的保温效能；当玄武岩、膨胀珍珠岩和矿渣的重量份在此范围内取值时，所制得的蓄热混凝土的蓄热性能均较好。
优选的，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂。
第二方面，本申请提供一种蓄热混凝土的制备方法，其包括如下步骤：
1)将水泥和水混合均匀，得到第一混合物；
2)将砂、粗集料和相变蓄热材料加入到第一混合物中混合均匀，得到第二混合物；
3)将碳纳米纤维和减水剂加入到第二混合物中混合均匀，得到蓄热混凝土。
通过采用上述技术方案，将蓄热混凝土原料按一定顺序混合均匀，使相变蓄热材料均匀分散在原料中，从而使制备的蓄热混凝土具有较好的蓄热性能。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、由于本申请制备的蓄热混凝土，通过在混凝土的制备过程中加入相变蓄热材料有效改善了混凝土的蓄热性能；本申请的相变蓄热材料，以页岩陶粒为载体，通过吸附作用将聚乙二醇吸附在页岩陶粒的孔隙之中，形成相变蓄热材料，将相变蓄热材料加入到蓄热混凝土中，从而提高了蓄热混凝土的蓄热性能；碳纳米纤维在不影响蓄热能力的情况下，提高了蓄热混凝土的抗压强度；使用相变蓄热材料制得的蓄热混凝土比使用同样重量份的页岩陶粒制得的蓄热混凝土，其蓄热性能较好，说明相变蓄热材料可有效提高蓄热混凝土的蓄热性能；当聚乙二醇和页岩陶粒的重量份在此范围内取值时，所制得的蓄热混凝土的蓄热性能均较好。
2、本申请中玄武岩、膨胀珍珠岩和矿渣按一定比例进行复配得到粗骨料，玄武岩为多气孔状，其气孔多，质地坚硬，将它混在混凝土里作为粗集料，不仅坚固耐用，同时还具有隔热的特点；膨胀珍珠岩是一种内部为蜂窝状结构的白色颗粒状的材料，作为轻质骨料具有良好的保温效能；当玄武岩、膨胀珍珠岩和矿渣的重量份在此范围内取值时，所制得的蓄热混凝土的蓄热性能均较好。
3、本申请制得的蓄热混凝土进行抗压强度测试，抗压强度最大可达到38.8MPa；对制得的蓄热混凝土进行导热系数测试，导热系数最优可达到1.71W/(m·K)；对制得的蓄热混凝土进行蓄热系数测试，蓄热系数最大可达到13.99W/(m2·K)。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
原料
水泥：生产厂家为郑州盾泥建材有限公司；
粗骨料：玄武岩，生产厂家为山东展飞建筑材料有限公司；膨胀珍珠岩，生产厂家为长春市双阳区鑫源矿业有限公司；矿渣，生产厂家为灵寿县玛琳矿产品加工厂；
碳纳米纤维：平均长度为15μm，生产厂家为天津晶林新材料科技有限公司；
相变蓄热材料：聚乙二醇，生产厂家为广州市至淳化工有限公司；页岩陶粒，生产厂家为济宁市裕泽工业科技有限公司；
减水剂：聚羧酸系高性能减水剂，pH值为8.92，生产厂家为山东博克化学股份有限公司；萘系高效减水剂，pH值为9.79，生产厂家为济南千奇化工有限公司。
制备例
制备例1-3
制备例1-3的一种相变蓄热材料，其各原料及各原料用量如表1所示，其制备步骤如下：
1)将聚乙二醇加热进行熔融；
2)将页岩陶粒在熔融后的聚乙二醇中浸泡4个小时；
3)将充分吸收聚乙二醇的页岩陶粒过滤后冷却，形成封装聚乙二醇的页岩陶粒，即相变蓄热材料。
表1制备例1-3的相变蓄热材料各原料及各原料用量(kg)
制备例1 制备例2 制备例3
聚乙二醇 150 135 120
页岩陶粒 20 25 30
制备例4-6
制备例4-6的一种粗集料，其各原料及各原料用量如表2所示，其制备步骤如下：
按照表2中用量称量各原料，然后将各原料搅拌均匀，即得粗集料。
表2制备例4-6的粗集料各原料及各原料用量(kg)
制备例4 制备例5 制备例6
玄武岩 60 70 80
膨胀珍珠岩 60 50 40
矿渣 45 55 65
实施例
实施例1-4
实施例1-4的一种蓄热混凝土，其各原料及各原料用量如表3所示，其制备步骤如下：
1)将水泥和水混合均匀，得到第一混合物；
2)将砂、粗集料和相变蓄热材料加入到第一混合物中混合均匀，得到第二混合物；
3)将碳纳米纤维和减水剂加入到第二混合物中混合均匀，得到蓄热混凝土。
其中，相变蓄热材料来自制备例1，粗集料来自制备例4，砂为河砂，聚乙二醇平均分子量为1000，页岩陶粒平均粒径为5mm，减水剂为萘系高效减水剂。
表3实施例1-4的各原料及各原料用量(kg)
Figure BDA0003319037760000041
Figure BDA0003319037760000051
实施例5
一种蓄热混凝土，与实施例3的不同之处在于，其添加的相变蓄热材料来自制备例2，其余步骤与实施例3均相同。
实施例6
一种蓄热混凝土，与实施例3的不同之处在于，其添加的相变蓄热材料来自制备例3，其余步骤与实施例3均相同。
实施例7
一种蓄热混凝土，与实施例5的不同之处在于，其添加的页岩陶粒的平均粒径为10mm，其余步骤与实施例5均相同。
实施例8
一种蓄热混凝土，与实施例5的不同之处在于，其添加的页岩陶粒的平均粒径为15mm，其余步骤与实施例5均相同。
实施例9
一种蓄热混凝土，与实施例5的不同之处在于，其添加的页岩陶粒的平均粒径为20mm，其余步骤与实施例5均相同。
实施例10
一种蓄热混凝土，与实施例5的不同之处在于，其添加的聚乙二醇的平均分子量为1500，其余步骤与实施例5均相同。
实施例11
一种蓄热混凝土，与实施例5的不同之处在于，其添加的聚乙二醇的平均分子量为2000，其余步骤与实施例5均相同。
实施例12
一种蓄热混凝土，与实施例10的不同之处在于，其添加的相变蓄热材料添加量为100kg，其余步骤与实施例10均相同。
实施例13
一种蓄热混凝土，与实施例10的不同之处在于，其添加的相变蓄热材料添加量为180kg，其余步骤与实施例10均相同。
实施例14
一种蓄热混凝土，与实施例10的不同之处在于，其添加的相变蓄热材料添加量为200kg，其余步骤与实施例10均相同。
实施例15
一种蓄热混凝土，与实施例13的不同之处在于，其添加的粗集料来自制备例5，其余步骤与实施例13均相同。
实施例16
一种蓄热混凝土，与实施例13的不同之处在于，其添加的粗集料来自制备例6，其余步骤与实施例13均相同。
实施例17
一种蓄热混凝土，与实施例15的不同之处在于，其添加的减水剂为与萘系高效减水剂等量的聚羧酸系高性能减水剂，其余步骤与实施例15均相同。
对比例
对比例1
一种蓄热混凝土，与实施例15的不同之处在于，其相变蓄热材料的添加量为0，其余步骤与实施例15均相同。
对比例2
一种蓄热混凝土，与实施例15的不同之处在于，其相变蓄热材料替换为等量的页岩陶粒，其余步骤与实施例15均相同。
对比例3
一种蓄热混凝土，与实施例15的不同之处在于，其相变蓄热材料替换为页岩陶粒和聚乙二醇，页岩陶粒和聚乙二醇的量与蓄热材料中两者的含量相同，其余步骤与实施例15均相同。
对比例4
一种蓄热混凝土，与实施例15的不同之处在于，其粗集料中玄武岩的添加量为0，其余步骤与实施例15均相同。
对比例5
一种蓄热混凝土，与实施例15的不同之处在于，其粗集料中膨胀珍珠岩的添加量为0，其余步骤与实施例15均相同。
对比例6
一种蓄热混凝土，与实施例15的不同之处在于，其碳纳米纤维的添加量为0，其余步骤与实施例15均相同。
性能检测试验
检测方法/试验方法
按照实施例1-17和对比例1-6制备的蓄热混凝土制备方法制备蓄热混凝土，然后按照如下检测方法对其进行检测，其检测结果如表4所示。
抗压强度：按照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法》进行测试。
导热系数：根据导热仪进行测试，导热系数越小，保温性越好。
蓄热系数：根据GB50176-2016《民用建筑热工设计规范》进行测试。
表4实施例1-17和对比例1-6的检测结果
抗压强度(MPa) 导热系数(W/(m·K)) 蓄热系数(W/(m<sup>2</sup>·K))
实施例1 34.9 1.97 13.43
实施例2 36.3 1.91 13.61
实施例3 38.6 1.88 13.88
实施例4 37.1 1.93 13.58
实施例5 38.7 1.79 13.92
实施例6 38.4 1.93 13.89
实施例7 37.5 1.90 13.87
实施例8 37.8 1.93 13.82
实施例9 36.7 1.96 13.76
实施例10 37.2 1.79 13.94
实施例11 37.9 1.82 13.91
实施例12 37.8 1.88 13.88
实施例13 38.9 1.75 13.95
实施例14 38.1 1.79 13.90
实施例15 38.1 1.71 13.99
实施例16 37.4 1.91 13.83
实施例17 37.8 1.77 13.91
对比例1 32.2 2.26 11.02
对比例2 33.7 2.15 12.68
对比例3 33.1 2.18 12.43
对比例4 31.4 2.09 13.15
对比例5 31.9 2.04 13.22
对比例6 29.8 1.93 13.82
从表4的数据可以看出，本申请制备的蓄热混凝土，通过在蓄热混凝土的制备过程中加入相变蓄热材料有效改善了蓄热混凝土的蓄热性能。
结合实施例3和实施例5-6的检测数据可以看出，制备例2的相变蓄热材料配比比较优，制备的蓄热混凝土的导热系数较低，蓄热系数较高，具有较好的蓄热性能。
结合实施例5、实施例7-9的检测数据可以看出，页岩陶粒的平均粒径越小，其制备的相变蓄热材料添加到蓄热混凝土中的蓄热性能越好。结合对比例1-3的检测数据可以看出，本申请制备的相变蓄热材料加入到蓄热混凝土中可提高蓄热混凝土的蓄热性能。
结合实施例5和实施例10-11的检测数据可以看出，当聚乙二醇的平均分子量为1500时，所制得的蓄热混凝土的蓄热性能最好。再结合实施例12-14的检测数据可以看出，当添加的相变蓄热材料添加量达到180kg时，所制得的蓄热混凝土的蓄热性能最好。
结合实施例10和实施例15-16的检测数据可以看出，制备例5的粗集料配比比较优，制备的蓄热混凝土的导热系数较低，蓄热系数较高，具有较好的蓄热性能。再结合对比例4和对比例5的检测数据可以看出，玄武岩和膨胀珍珠岩均可提高蓄热混凝土的蓄热性能。
结合实施例17和对比例6的检测数据可以看出，在蓄热混凝土中加入碳纳米纤维在不影响蓄热性能的前提下，可有效提高蓄热混凝土的抗压强度。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种蓄热混凝土及其制备方法，其特征在于，其由包括如下重量份的原料制备而成：水泥300-400份、水200-300份、砂120-280份、粗集料150-280份、相变蓄热材料100-220份、碳纳米纤维5-9.5份和减水剂5-10份；
所述相变蓄热材料由如下重量份的原料制得：聚乙二醇120-150份和页岩陶粒20-30份。
2.根据权利要求1所述的一种蓄热混凝土，其特征在于：所述蓄热混凝土由包括如下重量份的原料制备而成：水泥340-360份、水260-280份、砂160-220份、粗集料200-250份、相变蓄热材料140-180份、碳纳米纤维6.5-8份和减水剂6-8份。
3.根据权利要求1所述的一种蓄热混凝土，其特征在于：所述页岩陶粒的平均粒径为5-20mm。
4.根据权利要求1所述的一种蓄热混凝土，其特征在于：所述聚乙二醇的平均分子量为1000-2000。
5.根据权利要求1所述的一种蓄热混凝土，其特征在于：所述相变蓄热材料的制备方法包括如下步骤：
1）将聚乙二醇加热进行熔融；
2）将页岩陶粒在熔融后的聚乙二醇中浸泡3-5个小时；
3）将吸收聚乙二醇的页岩陶粒过滤后冷却，形成封装聚乙二醇的页岩陶粒，即相变蓄热材料。
6.根据权利要求1所述的一种蓄热混凝土，其特征在于：所述粗骨料由玄武岩、膨胀珍珠岩和矿渣制得，其添加的重量份如下：玄武岩60-80份、膨胀珍珠岩40-60份和矿渣45-65份。
7.根据权利要求1所述的一种蓄热混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂或萘系高效减水剂。
8.一种权利要求1-7任一所述的一种蓄热混凝土的制备方法，其特征在于：其包括如下步骤：
1）将水泥和水混合均匀，得到第一混合物；
2）将砂、粗集料和相变蓄热材料加入到第一混合物中混合均匀，得到第二混合物；
3）将碳纳米纤维和减水剂加入到第二混合物中混合均匀，得到蓄热混凝土。
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