CN116040976A - 一种高强低渗的改性相变骨料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种高强低渗的改性相变骨料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高强低渗的改性相变骨料及其制备方法与应用。该改性相变骨料的原料包括：相变骨料和封装材料；其中，封装材料的组成为：碳矿化胶凝材料、导热助剂、填料、增强剂、水。本发明利用碳矿化胶凝材料与二氧化碳发生碳矿化反应，在相变骨料表面生成以碳酸盐矿物为主要产物的致密结构层，提高相变骨料强度，可有效防止机械搅拌过程中由于相变骨料破损导致的相变材料渗出。同时，本发明在相变骨料表面形成的碳酸盐矿物外壳可显著减少其内部相变材料在相转变过程中的渗出量，改善混凝土结构外观。本发明可显著提高相变骨料的控温效率与使用寿命，并广泛应用于建筑墙板与围护结构智能控温、大体积混凝土温升控制以及冬季道路融雪化冰。

Description

一种高强低渗的改性相变骨料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及相变储热与混凝土材料技术领域，尤其是涉及一种高强低渗的改性相变骨料及其制备方法与应用。
背景技术
相变材料是一种利用潜热来储能的材料，相变材料在相转变过程中可以吸收或释放热量，从而与环境进行热量交换。随着全球节能意识的提高，相变材料在建筑结构、太阳能、空调储冷、冷链运输、通讯散热等领域的应用也越来越广泛。
将相变材料吸附在多孔材料中制备相变骨料是相变材料在建筑结构领域常用的一种应用方式。将相变骨料加入到地板以及围护结构来对室内进行智能控温，可以改善室内舒适性，降低建筑墙板温度敏感性；相变骨料也可以用于大体积混凝土降低水化热，从而减少温度裂缝，以及冬季道路沥青混凝土缓解冻融破坏。然而相变骨料在机械搅拌制备混凝土过程中容易破碎，造成相变材料渗出流失。相变材料渗出不仅会使相变骨料作用下降，同时渗出的相变材料会影响水泥水化，从而使混凝土结构力学性能降低。并且，相变材料在发生固-液相转变时，也会渗出多孔材料表面，影响混凝土结构美观。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提出一种高强低渗的改性相变骨料及其制备方法与应用，解决现有技术中相变骨料容易破碎造成相变材料流失的技术问题。
第一方面，本发明提供一种高强低渗的改性相变骨料，其原料包括：相变骨料和封装材料；其中，按重量份计，以100份相变骨料为基准，该封装材料的组成为：8～36份碳矿化胶凝材料、1.2～3.6份导热助剂、1.6～4份填料、0.8～3.2份增强剂、1.2～9.6份水。
第二方面，本发明提供一种高强低渗的改性相变骨料的制备方法，包括以下步骤：
将碳矿化胶凝材料、导热助剂、填料、增强剂、水按比例混合得到封装材料；
将封装材料在常温下与相变骨料混合，使封装材料均匀包裹相变骨料表面；
将包裹封装材料后的相变骨料置于二氧化碳氛围中进行矿化，得到高强低渗的改性相变骨料。
第三方面，本发明提供上述高强低渗的改性相变骨料在建筑墙板与围护结构的智能控温、大体积混凝土温升控制以及冬季道路融雪化冰中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
本发明利用碳矿化胶凝材料与二氧化碳发生碳矿化反应，在相变骨料表面生成以碳酸盐矿物为主要产物的致密结构层，提高相变骨料强度，可有效防止机械搅拌过程中由于相变骨料破损导致的相变材料渗出。同时，本发明在相变骨料表面形成的碳酸盐矿物外壳可显著减少其内部相变材料在发生相转变(固→液)过程中的渗出量，改善混凝土结构外观。此外，本发明通过添加导热助剂可显著改善封装材料的导热性，提高封装材料热传导效率，从而显著增大相变骨料导热系数和相变效率。本发明技术原理简单，效果明显，可显著提高相变骨料的控温效率与使用寿命，并广泛应用于建筑墙板与围护结构智能控温、大体积混凝土温升控制以及冬季道路融雪化冰。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
第一方面，本发明提供一种高强低渗的改性相变骨料，其原料包括：相变骨料和封装材料；其中，按重量份计，以100份相变骨料为基准，该封装材料的组成为：8～36份碳矿化胶凝材料、1.2～3.6份导热助剂、1.6～4份填料、0.8～3.2份增强剂、1.2～9.6份水。
本发明通过在相变骨料表面形成一层坚硬的碳酸盐矿物外壳，提高相变骨料强度，有效防止机械搅拌过程中由于相变骨料破损导致的相变材料渗出现象。同时，本发明在相变骨料表面形成的碳酸盐矿物外壳可显著减少其内部相变材料在发生相转变(固→液)过程中的渗出量，改善混凝土结构外观。
本发明中，导热助剂可提高封装材料的导热性，增强封装材料的热传导效率，增大相变骨料的导热系数和相变效率；填料可以填充相变骨料包裹层孔隙，降低封装壳体孔隙率；增强剂可以在碳矿化反应中诱导生成更多碳酸盐矿物，使相变骨料封装壳体更加致密。
优选地，碳矿化胶凝材料为硅酸三钙、γ型硅酸二钙、β型硅酸二钙、硅酸一钙、二硅酸三钙、氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁、水化硅酸钙、硅铝酸钙中的一种或多种；碳矿化胶凝材料的比表面积≤40000m2/kg。若碳矿化胶凝材料的比表面积过高将导致反应速率过大，可能引起开裂。
优选地，导热助剂为金属氧化物粉末、金属单质粉末、碳材料粉末中的一种或多种。其中，金属氧化物粉末可以为氧化铁、氧化钛、氧化铝等，金属单质粉末可以为铁、铜、铝等，碳材料粉末可以为石墨烯、碳纳米管、碳纤维等。
优选地，填料为珍珠岩微粉、石灰石粉、细石粉、玻璃微粉中的一种或多种；填料的粒径在20μm以下。
优选地，增强剂为壳聚糖、聚乙二醇、聚乙烯醇、海藻酸钠中的一种或多种。
优选地，相变骨料由多孔骨料吸附相变材料制成。
本发明对相变材料和多孔骨料的种类不作限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择。例如，相变材料可以为石蜡、脂肪酸类、多元醇类、酯类等有机类相变材料中的一种或多种，也可以为Na2SO4·10H2O、Na2CO3·10H2O、Na2HPO4·12H2O、CaCl2·6H2O等无机相变材料中的一种或多种；多孔骨料可以为页岩陶粒、黏土陶粒、浮石、硅藻土、膨胀珍珠岩、煤矸石中的一种或多种；多孔骨料的堆积密度为50～1100kg/m3。
更优选地，多孔骨料与相变材料的质量比为1：(0.1～0.7)，多孔骨料吸收相变材料质量是有限的，相变材料的加入量过高将导致相变材料无法全部被吸收，造成浪费；相变材料的加入量过少则导致相变材料没有充分填充多孔骨料孔隙。多孔骨料与相变材料的质量比更进一步为1：(0.2～0.6)。
在本发明的一些具体实施方式中，相变骨料的具体制备步骤为：
将相变材料加热至其相转变点温度以上，使相变材料从常温下固态转变为液态；
采用混合浸泡或抽真空的方式使多孔骨料充分吸收相变材料；
将温度降至相转变点温度以下，使相变材料从液态转变为固态，得到相变骨料。
第二方面，本发明提供一种高强低渗的改性相变骨料的制备方法，包括以下步骤：
将碳矿化胶凝材料、导热助剂、填料、增强剂、水按比例混合得到封装材料；
将封装材料在常温下与相变骨料混合，使封装材料均匀包裹相变骨料表面；
将包裹封装材料后的相变骨料置于二氧化碳氛围中进行矿化，得到高强低渗的改性相变骨料。
优选地，封装材料在相变骨料表面的包裹厚度为0.5～3mm，包括但不限于0.5mm、1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm等。若包裹厚度过高将降低相变材料相转变效率。
优选地，矿化二氧化碳氛围的二氧化碳压力为0.1～0.3MPa，二氧化碳浓度为20％～99.9％，矿化温度为5～90℃，矿化时间为2～24小时。
第三方面，本发明提供上述高强低渗的改性相变骨料在建筑墙板与围护结构的智能控温、大体积混凝土温升控制以及冬季道路融雪化冰中的应用。
实施例1
相变材料为月桂酸(脂肪酸类)，其相变温度为41～43℃，多孔材料为页岩陶粒，其堆积密度为550kg/m3，碳矿化胶凝材料为γ型硅酸二钙，导热助剂为石墨烯，填料为石灰石粉，增强剂为壳聚糖。取页岩陶粒75份，月桂酸25份，将月桂酸加热至50℃，使其从常温下固态转变为液态；将页岩陶粒与月桂酸充分混合，抽真空20分钟，使页岩陶粒充分吸收月桂酸；将温度降至室温，使月桂酸从液态转变为固态，得到相变骨料。取γ型硅酸二钙32份，石墨烯2.5份，石灰石粉3.6份，壳聚糖2.8份，水8.2份。将γ型硅酸二钙、石墨烯、石灰石粉、壳聚糖、水均匀混合制得封装材料；将相变骨料与封装材料混合，使相变骨料表面均匀包裹封装材料后，置于二氧化碳矿化反应釜中进行碳矿化反应，二氧化碳体积浓度为99％，二氧化碳压力为0.1MPa，时间为12h，最后得到矿化封装后的相变骨料，测量相变骨料筒压强度、封装壳体厚度和导热系数。将封装后的相变骨料置于滤纸上加热至50℃并恒温60分钟，取出相变骨料恢复至室温，记录相变骨料加热前后的质量差，并计算该质量差与相变骨料初始质量之比，得到相变骨料的相变材料渗出率。
实施例2
与实施例1的区别仅在于，γ型硅酸二钙、石墨烯、石灰石粉、壳聚糖、水的质量比为20份：2.0份：2.8份：2.4份：6.4份，其他同实施例1。
实施例3
与实施例1的区别仅在于，γ型硅酸二钙、石墨烯、石灰石粉、壳聚糖、水的质量比为12份：1.5份：2.4份：2.0份：4.2份，其他同实施例1。
实施例4
与实施例1的区别仅在于，碳矿化胶凝材料为32份硅酸一钙，其他同实施例1。
实施例5
与实施例1的区别仅在于，碳矿化胶凝材料为16份γ型硅酸二钙和16份硅酸一钙，其他同实施例1。
对比例1
相变材料为月桂酸(脂肪酸类)，其相变温度为41～43℃，多孔材料为页岩陶粒，其堆积密度为550kg/m3。取页岩陶粒75份，月桂酸25份，将月桂酸加热至50℃，使其从常温下固态转变为液态；将页岩陶粒与月桂酸充分混合，抽真空20分钟，使页岩陶粒充分吸收月桂酸；将温度降至室温，使月桂酸从液态转变为固态，得到相变骨料，测量相变骨料筒压强度和导热系数。将相变骨料置于滤纸上加热至50℃并恒温60分钟，取出相变骨料恢复至室温，记录相变骨料加热前后的质量差，并计算该质量差与相变骨料初始质量之比，得到相变骨料的相变材料渗出率。
对比例2
相变材料为月桂酸(脂肪酸类)，其相变温度为41～43℃，多孔材料为页岩陶粒，其堆积密度为550kg/m3。取页岩陶粒75份，月桂酸25份，将月桂酸加热至50℃，使其从常温下固态转变为液态；将页岩陶粒与月桂酸充分混合，抽真空20分钟，使页岩陶粒充分吸收月桂酸；将温度降至室温，使月桂酸从液态转变为固态，得到相变骨料。取普通硅酸盐水泥32份，石墨烯2.5份，石灰石粉3.6份，水8.2份。将普通硅酸盐水泥、石墨烯、石灰石粉、水均匀混合制得封装材料；将相变骨料与封装材料混合，使相变骨料表面均匀包裹封装材料后，在室温环境下养护28天，测量相变骨料筒压强度、封装壳体厚度、导热系数和相变材料渗出率。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，封装材料制备不添加导热助剂石墨烯，其他同实施例1。
各实施例和对比例制备的相变骨料筒压强度、封装壳体厚度、导热系数及相变材料渗出率结果如表1所示。
表1各实施例和对比例制备的相变骨料筒压强度、壳体厚度、导热系数及相变材料渗出率
Figure BDA0004061386060000061
Figure BDA0004061386060000071
由表1中结果可知，各实施例相变骨料的筒压强度和导热系数均明显高于对比例1，且相变材料渗出率均显著低于对比例1。由此可见，本发明提供的相变骨料封装方法可大幅提高相变骨料力学性能，增大相变骨料导热能力和相变效率，并降低相变骨料使用过程中相变材料的渗出率。与对比例2相比，实施例1制备的相变骨料具有更高的筒压强度、导热系数和更低的相变材料渗出率，说明本发明采用碳矿化胶凝材料形成的封装壳体具有更加密实的结构，从而使得封装后的相变骨料性能更优异。与对比例3相比，实施例1制备的相变骨料导热系数明显更高，说明本发明添加的导热助剂可以显著增强封装壳体的热传导性能，提高相变骨料相转变效率。另外，对比实施例1～3发现，该封装壳体厚度越厚，相变骨料筒压强度越高，其内部相变材料渗出率越低。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高强低渗的改性相变骨料，其特征在于，其原料包括：相变骨料和封装材料；其中，
按重量份计，以100份相变骨料为基准，所述封装材料的组成为：8～36份碳矿化胶凝材料、1.2～3.6份导热助剂、1.6～4份填料、0.8～3.2份增强剂、1.2～9.6份水。
2.根据权利要求1所述高强低渗的改性相变骨料，其特征在于，所述碳矿化胶凝材料为硅酸三钙、γ型硅酸二钙、β型硅酸二钙、硅酸一钙、二硅酸三钙、氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、氧化镁、水化硅酸钙、硅铝酸钙中的一种或多种；所述碳矿化胶凝材料的比表面积≤40000m2/kg。
3.根据权利要求1所述高强低渗的改性相变骨料，其特征在于，所述导热助剂为金属氧化物粉末、金属单质粉末、碳材料粉末中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述高强低渗的改性相变骨料，其特征在于，所述填料为珍珠岩微粉、石灰石粉、细石粉、玻璃微粉中的一种或多种；所述填料的粒径在20μm以下。
5.根据权利要求1所述高强低渗的改性相变骨料，其特征在于，所述增强剂为壳聚糖、聚乙二醇、聚乙烯醇、海藻酸钠中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述高强低渗的改性相变骨料，其特征在于，所述相变骨料由多孔骨料吸附相变材料制成；其中，
所述相变材料为石蜡、脂肪酸类、多元醇类、酯类、Na2SO4·10H2O、Na2CO3·10H2O、Na2HPO4·12H2O、CaCl2·6H2O中的一种或多种；
所述多孔骨料为页岩陶粒、黏土陶粒、浮石、硅藻土、膨胀珍珠岩、煤矸石中的一种或多种；所述多孔骨料的堆积密度为50～1100kg/m3；
所述多孔骨料与相变材料的质量比为1：(0.1～0.7)。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述高强低渗的改性相变骨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将碳矿化胶凝材料、导热助剂、填料、增强剂、水按比例混合得到封装材料；
将所述封装材料在常温下与相变骨料混合，使封装材料均匀包裹相变骨料表面；
将包裹所述封装材料后的相变骨料置于二氧化碳氛围中进行矿化，得到高强低渗的改性相变骨料。
8.根据权利要求7所述高强低渗的改性相变骨料的制备方法，其特征在于，所述封装材料在相变骨料表面的包裹厚度为0.5～3mm。
9.根据权利要求7所述高强低渗的改性相变骨料的制备方法，其特征在于，矿化二氧化碳氛围的二氧化碳压力为0.1～0.3MPa，二氧化碳浓度为20％～99.9％，矿化温度为5～90℃，矿化时间为2～24小时。
10.如权利要求1～6中任一项所述高强低渗的改性相变骨料在建筑墙板与围护结构的智能控温、大体积混凝土温升控制以及冬季道路融雪化冰中的应用。
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