相变储能混凝土的组成设计、结构调控和储能基元与混凝土基体的相容性研究

The main questions of energy storage concrete with phase change include the following: energy storage primitive with phase change is easy to aging and incompatible with concrete matrix because of package with organic materials; concrete matrix is disadvantageous of low thermal conductivity and heat resistance. So the promotion and application of energy storage concrete have been severely restricted. In this project, firstly, the energy storage primitive is to be pre-wrapped by modified barium calcium sulphoaluminate cement with polymer to anti-aging. And it is expected that pre-wrapped layer structure is denser to more effectively prevent the liquid phase change material leaking because the cement is characteristic of rapid hardening, early strength and hydrating micro-expansion. In the same time, the interfacial transition layer structure between organic encapsulation materials and concrete matrix is to be improved to enhance the compatibility between the primitive and concrete matrix. Secondly, combining composition design and structural regulation of concrete matrix, thermal conductivity will be improved by adding slag, copper slag and other industrial wastes and increasing the density. The main contents include the followings: pre-wrapped package technology of modified barium calcium sulphoaluminate cement with polymer of energy storage primitive and thermal stability of encapsulation layer; composition design, structure regulation and thermal conductivity mechanisms of energy storage concrete matrix; the compatibility between phase change energy storage primitives and concrete matrix. Scientific basis and technical basis are provided to prepare perfect energy storage concrete with phase change.

相变储能混凝土存在的主要问题：一是储能基元多以有机材料封装，易老化且与混凝土基体相容性差等；二是混凝土基体导热性和耐热性较差。这严重制约了相变储能混凝土的推广应用。本项目以聚合物改性硫铝酸钡钙特种水泥代替有机材料对储能基元进行预包裹封装，不但可实现抗老化，而且由于该水泥具有快硬早强和水化微膨胀等特性，使预包裹封装层结构致密度提高，可以有效地防止液态相变材料泄露。同时，可改善有机封装材料与混凝土基体间的界面过渡层结构，提高储能基元和混凝土基体的相容性；结合混凝土基体组成设计和结构调控，通过掺入钢渣、铜渣等工业废渣和提高密实度来改善导热性。主要研究内容：相变储能基元的聚合物改性硫铝酸钡钙特种水泥预包裹封装技术和封装层热稳定性研究；相变储能混凝土基体的组成设计、结构调控及导热机制研究；相变储能基元与混凝土基体的相容性研究。为制备性能良好的相变储能混凝土提供科学依据和技术基础。

针对相变储能混凝土存在的主要问题，如储能基元的有机封装材料易老化且与混凝土基体相容性差和基体导热性和耐热性较差，本项目采用聚合物改性硫铝酸钡钙特种水泥对相变储能基元进行预包裹封装，从混凝土基体组成设计和结构调控入手，通过掺入高导热性工业废渣和提高基体密实度的方法来改善混凝土基体的导热性，并且将热能储存于相变材料，避免混凝土基体由于温度过高使结构开裂。主要研究结果如下：.（1）由于硫铝酸盐水泥的粒径分布与Fuller分布对应的粒径分布尚有很大差距，将钢渣微粉和粉煤灰掺入硫铝酸盐水泥使封装材料粒径分布更加接近于最紧密堆积。最小二乘误差Q值最小为1.219的硫铝酸盐水泥体系的1d、3d和28d的抗压强度为29.4 MPa，38.9 MPa 和 45.2 MPa，分别比纯硫铝酸盐水泥的强度增加了13%、5%和2%。.（2）在热循环作用下封装材料的水灰比和温变区间明显影响着其抗压强度、导热系数和热稳定性，而聚灰比则没有明显规律性的影响。以0.27和0.29的水灰比和4%的聚灰比所制备的封装材料在经历了80个热循环作用后抗压强度分别降低了50.3%和54.6%，导热系数分别降低了34.5%和48.1%。在经历30个热循环作用后5次浸浆的样品未见开裂，测量此时相变材料的裹浆厚度分别为4.62和4.13mm。.（3）依据Fuller分布，采用 分布并优化粗细集料级配得到骨料堆积密度最大为1720Kg/m3。采用优化集料制备的混凝土的1d、3d和28d强度与采用普通集料制备的混凝土试样相比分别增加了14%、19%和18%。加压至2.1MPa时，渗水高度为41.6mm，抗渗等级在P20以上。通过剖面图、金相显微照片和扫描电镜观察到硬化水泥石及界面过渡区的结构非常致密；根据孔结构测试结果可知，高密实硫铝酸盐水泥混凝土的孔隙率均在7%以下，结构非常密实。 .（4）以相变储能基元为骨料所制备相变储能混凝土，分别在45℃和105℃干燥后，在60-350℃区间内经历热循环发现，水灰比小的混凝土试样的热稳定性、抗渗性和抗压强度明显优于水灰比高的混凝土试样。低水灰比的混凝土基体与相变基元之间未见明显分界线，过渡区结构均匀。