一种适用于寒区工程的相变储能砂浆及其制备方法与流程

1.本发明属于高寒区建筑材料制造技术领域，特别涉及一种适用于寒区工程的相变储能砂浆及其制备方法。


背景技术：

2.由于我国地大物博，季节性冻土和多年冻土面积分别占全国大陆面积的53.5％和21.5％，出现地区气候多变，工程结构寿命区别较大。尤其是我国的西北和东北寒冷地区，温度较低且持续时间较长，
3.例如，新疆地区冬季气温在
‑
10～
‑
40℃左右，且年负温持续时间约为130天；东北地区(长春)每年的冰冻日数(气温低于0℃)平均约150天，水泥基材料冻融循环次数多达120天。这些地区昼夜温差较大，建筑物冻深较厚，使得寒区工程普遍存在严重的冻害问题。
4.近年来，有人提议使用低温相变材料来提升水泥基材料的抗冻性能。其原理是，当环境温度低于相变材料熔点时，相变材料通过固化释放其质量中储存的热量来防止基体温度的突然下降。但是，其自身存在缺陷，难以应用于寒区工程。其一是相变起始温度应大于0℃，由于水泥基材料所处温度低于0℃时，其孔隙中的水会冻结，而水在冻结为冰时体积膨胀约9％，使得水泥基材料中产生膨胀压力，当膨胀压力超过其抗拉强度，在界面过渡区会产生孔隙造成混凝土开裂。其二是相变材料存在热晗值较低，无法为寒区工程温度的骤降提供足够的缓解时间。其三就是强度不足，由于相变材料在掺入砂浆过程中，存在泄露问题会抑制水泥水化反应，在建筑物工程早期使用时存在强度不足的风险。因此，这些缺陷的存在限制了相变储能砂浆在寒区工程中的推广应用，需要研发兼具强度高、保温性能好、抗冻能力强等性能的新型相变储能砂浆。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种适用于寒区工程的相变储能砂浆及其制备方法，解决了背景技术中的问题，本发明用于寒区工程的砂浆抗冻性能优异，可克服砂浆冻融性能差、隔热性能差、开裂、起壳等问题，且具有良好的保温、抗冻等性能。
6.本发明的目的是采用如下技术方案实现的：
7.一种适用于寒区工程的相变储能砂浆，包括以下重量份的原料：水泥540份、砂1278份、复合相变材料10.8～32.4份、水270份、减水剂2.7份。
8.进一步的，所述适用于寒区工程的相变储能砂浆，包括以下重量份的原料：水泥540份、砂1278份、复合相变储能材料21.6份、水270份、减水剂2.7份。
9.进一步的，所述的复合相变材料，由正十四烷、膨胀石墨组成，其中，正十四烷和膨胀石墨的质量比为13:1。
10.进一步的，所述的膨胀石墨的制备方法为：采用微波炉法制备膨胀石墨，将干燥后的可膨胀石墨放入微波炉中700w煅烧40s，即可得到膨胀倍率为250倍的膨胀石墨，所得膨胀石墨的堆积密度为4
㎏
/m3。
11.进一步的，所述的复合相变储能材料的制备方法为：将干燥处理后的膨胀石墨和正十四烷按一定比例称取，放入容器中，搅拌2h后，关闭搅拌，将得到的复合相变材料放入60℃鼓风干燥箱中4h备用。
12.进一步的，该膨胀石墨为可膨胀250倍的可膨胀石墨。
13.进一步的，该水泥为42.5级普通硅酸盐水泥。
14.进一步的，所述的减水剂为聚羧酸高效减水剂。
15.进一步的，所述的相变材料为正十四烷。
16.本发明还公开了上述的一种适用于寒区工程的相变储能砂浆的制备方法，该制备方法如下：称取所述各原材料，将硅酸盐水泥、砂混合，进行第一次低速搅拌，得混合物a，将减水剂与水混合，加入到混合物a中，并进行第二次低速搅拌混合；然后加入复合相变材料，低速持续搅拌2～3min，高速搅拌，即得。
17.进一步的，低速搅拌的速率为30～40r/min；高速搅拌的速率为60～120r/min。
18.进一步的，第一次低速搅拌的时间为2～3min；第二次搅拌的时间为3～4min；第三次高速搅拌的时间为2～3min。
19.有益效果：与传统寒区工程使用砂浆相比，本发明具有如下的优点：
20.1、本发明制备的复合相变储能材料封装良好，热学性能优异。
21.2、本发明制备的相变储能砂浆具备强度高，保温性能良好，抗冻性能优异。
22.3、本发明采用的相变储能砂浆实现了寒区工程内部温度的自动调节，不需要额外的设备和人工能源供应，节能环保，符合可持续发展的目标要求。
附图说明
23.图1为本发明实施例1制备的膨胀石墨和复合相变材料的电镜扫描图；
24.图2为抗压强度与冻融循环次数之间的关系曲线图。
具体实施方式
25.实施例1
26.一种用于寒区工程的相变储能砂浆，由以下材料组成：水泥：540份、砂1278份、复合相变材料：10.8份、水：270份、减水剂：2.7份，以重量份数计。
27.所述水泥选自42.5级普通硅酸盐水泥，由兰州祁连山水泥商砼有限公司提供，氮吸附法测比表面积为352m2/kg，28天抗压强度为49.2mpa。
28.所述砂选自甘肃皋兰连续级配烘干河砂，细度模数为2.98。
29.所述的复合相变材料选自石蜡/膨胀石墨相变材料，其制备方法如下：
30.步骤一：将石墨放在温度设定为105℃的鼓风干燥箱中烘干24h烘干至恒重；
31.步骤二：高温煅烧：将石墨放入微波炉中，700℃煅烧40秒，得到膨胀石墨；
32.步骤三：吸附：将步骤一得到的膨胀石墨放到容器中并加入正十四烷，以手动搅拌静置2h；此时膨胀石墨已充分吸收正十四烷。
33.正十四烷占膨胀石墨和正十四烷混合物的质量分数为93％。
34.一种用于寒区工程的相变储能砂浆，其制备方法如下：
35.步骤一：配比：按重量分数取料，水泥540份，得到的复合相变材料10.8份，河砂
1278份，水270份，减水剂2.7份；
36.步骤二：混合搅拌：将硅酸盐水泥、砂混合，进行第一次低速搅拌，得混合物a，将减水剂与水混合，加入到混合物a中，并进行第二次低速搅拌混合；然后加入复合相变材料，低速持续搅拌2min，高速搅拌，得到相变储能砂浆。
37.低速搅拌的速率为30r/min；高速搅拌的速率为60r/min；第一次低速搅拌的时间为2min；第二次低速搅拌的时间为3min；高速搅拌的时间为2min。
38.步骤三：振捣：将步骤二得到的相变储能砂浆倒入模具中，放在振动台上振捣60s，1d后拆模，得到试件；
39.步骤四：标准养护：将步骤三得到的试件放入标准养护室养护28天，即得到相变储能材料。
40.实施例2
41.一种用于寒区工程的相变储能砂浆，由以下材料组成：水泥：540份、砂：1278份、复合相变材料：21.6份、水：270份、减水剂：2.7份，以重量份数计。
42.所述水泥选自42.5级普通硅酸盐水泥，由兰州祁连山水泥商砼有限公司提供，氮吸附法测比表面积为352m2/kg，28天抗压强度为49.2mpa。
43.所述砂选自甘肃皋兰连续级配烘干河砂，细度模数为2.98。
44.所述的复合相变材料选自石蜡/膨胀石墨相变材料，其制备方法如下：
45.步骤一：将石墨放在温度设定为105℃的鼓风干燥箱中烘干24h烘干至恒重；
46.步骤二：高温煅烧：将石墨放入微波炉中，700℃煅烧40秒，得到膨胀石墨；
47.步骤三：吸附：将步骤一得到的膨胀石墨放到容器中并加入正十四烷，以手动搅拌静置2h；此时膨胀石墨已充分吸收正十四烷。
48.一种用于寒区工程的相变储能砂浆的制备方法，包括以下步骤：
49.步骤一：配比：按重量分数取料，水泥540份，得到的复合相变材料21.6份，河砂1278份，水270份，减水剂：2.7份；
50.步骤二：混合搅拌：将硅酸盐水泥、砂混合，进行第一次低速搅拌，得混合物a，将减水剂与水混合，加入到混合物a中，并进行第二次低速搅拌混合；然后加入复合相变材料，低速持续搅拌3min，高速搅拌，得到相变储能砂浆。
51.低速搅拌的速率为40r/min；高速搅拌的速率为120r/min；第一次低速搅拌的时间为3min；第二次低速搅拌的时间为4min；高速搅拌的时间为3min。
52.步骤三：振捣：将步骤二得到的相变储能砂浆倒入模具中，放在振动台上振捣60s，1d后拆模，得到试件；
53.步骤四：标准养护：将步骤三得到的试件放入标准养护室养护28天，即得到相变储能材料。
54.实施例3
55.一种用于寒区工程的相变储能砂浆，由以下材料组成：水泥：540份、砂1278份、复合相变材料：32.4份、水：270份、减水剂：2.7份，以重量份数计。
56.所述水泥选自42.5级普通硅酸盐水泥，由兰州祁连山水泥商砼有限公司提供，氮吸附法测比表面积为352m2/kg，28天抗压强度为49.2mpa。
57.所述砂选自甘肃皋兰连续级配烘干河砂，细度模数为2.98。
58.所述的复合相变材料选自石蜡/膨胀石墨相变材料，其制备方法如下：
59.步骤一：将石墨放在温度设定为105℃的鼓风干燥箱中烘干24h烘干至恒重；
60.步骤二：高温煅烧：将石墨放入微波炉中，700℃煅烧40秒，得到膨胀石墨；
61.步骤三：吸附：将步骤一得到的膨胀石墨放到容器中并加入正十四烷，以手动搅拌静置2h；此时膨胀石墨已充分吸收正十四烷。
62.一种用于寒区工程的相变储能砂浆，其制备方法如下：
63.步骤一：配比：按重量分数取料，水泥540份，得到的复合相变材料32.4份，河砂1278份，水270份，减水剂：2.7份；
64.步骤二：混合搅拌：将硅酸盐水泥、砂混合，进行第一次低速搅拌，得混合物a，将减水剂与水混合，加入到混合物a中，并进行第二次低速搅拌混合；然后加入复合相变材料，低速持续搅拌2min，高速搅拌，得到相变储能砂浆。
65.低速搅拌的速率为35r/min；高速搅拌的速率为90r/min；第一次低速搅拌的时间为3min；第二次低速搅拌的时间为4min；高速搅拌的时间为2min。
66.步骤三：振捣：将步骤二得到的相变储能砂浆倒入模具中，放在振动台上振捣60s，1d后拆模，得到试件；
67.步骤四：标准养护：将步骤三得到的试件放入标准养护室养护28天，即得到相变储能材料。
68.对比例1
69.一种用于寒区工程的相变储能砂浆，由以下材料组成：水泥：540份、砂：1278份、复合相变材料：0份、水：270份、减水剂：2.7份，以重量份数计。
70.所述水泥选自42.5级普通硅酸盐水泥，由兰州祁连山水泥商砼有限公司提供，氮吸附法测比表面积为352m2/kg，28天抗压强度为49.2mpa。
71.所述砂选自甘肃皋兰连续级配烘干河砂，细度模数为2.98。
72.砂浆的制备方法如下：
73.步骤一：配比：按重量分数取料，水泥540份，河砂1278份，水270份，减水剂：2.7份；
74.步骤二：混合搅拌：依次向搅拌锅中加入水、水泥、河砂、减水剂，搅拌均匀，得到普通砂浆。
75.步骤三：振捣：将步骤二得到的砂浆倒入模具中，放在振动台上振捣60s，1d后拆模，得到试件；
76.步骤四：标准养护：将步骤三得到的试件放入标准养护室养护28天，即得到普通建筑材料。
77.将实施例1～3制备的一种用于寒区工程的相变储能砂浆与不含相变储能材料的普通砂浆进行性能比较，结果如下：
[0078][0079]
对比例1是不含复合相变材料的基准砂浆，由上表中数据可知，相同水胶比条件
下，一种用于寒区工程的相变储能砂浆依然具有较高的强度，依然适用于承重结构。导热系数的降低，表明相变储能砂浆优良良好的保温隔热性能。图2中，0线、2线、4线、6线分别对应对比例1、实施例1、实施例2、实施例3，由图2可以看出，随着冻融循环次数的增加，冻融循环次数达到50次时，实施例2、3与对比例1的抗压强度值比较接近，以后，实施例2、3的抗压强度下降缓慢，对比例1的抗压强度急剧下降，到200次时，实施例2、3超过对比例1很多；实施例1在冻融循环100多次后抗压强度超过对比例1，到200次时，三个实施例的抗压强度都远远超过对比例1。
[0080]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。