基于相性能强化机理的相变陶粒储能混凝土性能优化模型

Structural-functional integrated thermal energy storage LWA (Lightweight Aggregate) concrete incorporated with PCM (Phase Change Material) is an emerging research area in the field of interdisciplinary study of materials, energy and building. The vast majority of research in the past however tend to focus only on the simple combination of PCM and cementitious materials, ignoring the effects of aggregate phase (i.e. PCM absorptivity of LWA), interfacial phase (i.e. the transition materials between LWA and hardened cement paste, mainly dominated by the sealant on the LWA) and matrix phase (i.e. hardened cement paste) in the concrete structure and functional aspects of this three-phase interaction. The focus of this research will be on the structural and functional performances of the PCM-LWA concrete. Based on studying the performance improvement mechanism of the three constituent phases in the PCM-LWA concrete, the influences of the three phases on the properties of PCM-LWA concretes subject to phase change cycles can be explored and revealed. This study has an important significance for revealing the characteristics of phase change energy storage LWA concrete and ways to optimize its overall performances. This study will not only provide a solid foundation for engineering application and numerical simulation of phase change energy storage LWA concrete; but also provide valuable ideas and reliable theoretical guidance for similar studies in the future particularly on the performance improvement and optimization design of other different types of phase change concrete.

结构-功能一体化的相变储能混凝土的研究正逐渐成为材料、能源和建筑等交叉研究领域内的新兴研究方向，但以往绝大多数的研究往往只注重于相变材料与混凝土基材的简单叠加和机械组合，忽视了相变储能混凝土中基材相（硬化水泥浆体）、骨料相（相变陶粒）和界面相（相变陶粒与基材的界面，含陶粒封装材料）这三者在结构和功能性方面的相互作用。本研究着眼于相变陶粒混凝土整体结构-功能性的提升，从混凝土中三相的性能研究入手，用热物性分析及微观和宏观性能测试等手段进行三相结构性和功能性的强化机理的研究，探索相变陶粒储能混凝土在相变循环过程对不同性能的界面相、骨料相和基材相性能影响等重要问题，这对揭示三相协同作用对相变储能混凝土整体性能优化的影响规律有重要的意义，本研究将为相变陶粒储能混凝土的工程应用及数值模拟奠定坚实基础，为其他不同类型的相变混凝土的结构及功能性强化和优化设计的后续研究提供有价值的思路及可靠的理论指导。

建设资源节约型社会，是我国为实现可持续发展目标而做出的战略决策。节约能源是资源节约型社会的重要组成部分。目前，我国建筑用能已超过全国能源消耗总量的25%，并将随着我国人民生活水平的提高和城镇化进程的加快逐步增加到33%左右。结构-功能一体化的相变储能混凝土的研究正逐渐成为材料、能源和建筑等交叉研究领域内的新兴研究方向，但以往绝大多数的研究往往只注重于相变材料与混凝土基材的简单叠加和机械组合，忽视了相变储能混凝土中基材相（硬化水泥浆体）、骨料相（相变陶粒）和界面相（相变陶粒与基材的界面，含陶粒封装材料）这三者在结构和功能性方面的相互作用。本项目着眼于相变陶粒混凝土整体结构-功能性的提升，从混凝土中三相的性能研究入手，用热物性分析及微观和宏观性能测试等手段进行三相结构性和功能性的强化机理的研究，探索相变陶粒储能混凝土力学性能及功能性能增强的机理等重要问题。本项目主要开展了以下研究内容：1）改性相变复合材料的制备及其热物性分析；2）改性相变储能混凝土的制备及其节能测试；3）改性相变陶粒混凝土的力学性能及界面微观分析；4）改性相变陶粒混凝土的耐久性。本项目选用的相变材料有有机和无机两种类型，相变陶粒制备部分主要是使用有机相变石蜡。无机相变材料主要是研究不同碳基材料（膨胀石墨、石墨烯等）对消除无机相变材料过冷和提高复合相变材料自身导热方面的研究。当改性相变陶粒的含量达到50%时，其7d和28d的、抗压强度仍能分别达到29.84 MPa和34.35 MPa。这些研究成果对于揭示三相协同作用对相变储能混凝土整体性能优化的影响规律有重要的意义。本研究在相变陶粒混凝土研究的基础上，不断拓展研究范围，发表SCI检索的科技论文19篇；出版学术专著1本；授权发明专利6项。这些成果为结构-功能一体化的相变储能混凝土的工程应用及数值模拟奠定坚实基础，为其他不同类型的相变混凝土的结构及功能性强化和优化设计的后续研究提供有价值的思路及可靠的理论指导。