1、第 26 卷第 2 期2023 年 2 月建筑材料学报JOURNAL OF BUILDING MATERIALSVol.26，No.2Feb.，2023微胶囊相变材料对砂浆热性能和力学性能的影响于文艳*，孟琦，童浩然（内蒙古工业大学 土木工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051）摘要：将微胶囊相变材料（MPCM）加入水泥砂浆中制成建筑储能砂浆，研究了储能砂浆的微观形貌、相变特性、热稳定性、导热系数、储热性能和力学性能.结果表明：储能砂浆的导热系数随 MPCM含量的增加而降低；储能砂浆的 MPCM 芯材为固态时的导热系数大于其为液态时的导热系数；当MPCM 含量为 20%时，储能砂浆的内表面峰值
2、温度较水泥砂浆降低 3.1，达到峰值温度的时间比水泥砂浆延迟 20.5 min，其 28 d龄期硬化浆体的抗压强度为 9.3 MPa；储能砂浆具有足够的抗压强度和良好的储能调温能力，可用于建筑围护结构.关键词：微胶囊相变材料；储能砂浆；热性能；力学性能中图分类号：TU599文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1007-9629.2023.02.015Effect of Microencapsulated Phase Change Material on Thermal and Mechanical Properties of MortarYU Wenyan*，MENG Qi，
3、TONG Haoran（College of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）Abstract:The energy storage mortar for buildings was developed by incorporating microencapsulated phase change material（MPCM）into cement mortar.The microscopic morphology，phase change characteristics
4、，thermal stability，thermal conductivity，thermal and mechanical properties of energy storage mortar were investigated.The results show that the thermal conductivity of energy storage mortar decreases with the increase of the content of MPCM.The thermal conductivity of the energy storage mortar with s
5、olid MPCM is greater than that of the energy storage mortar with liquid MPCM.The peak temperature of the inner surface of the energy storage mortar with 20%MPCM is 3.1 lower than that of the cement mortar，the time to reach the peak temperature is 20.5 min later than that of the cement mortar，and the
6、 compressive strength of which at the age of 28 d is 9.3 MPa.The energy storage mortar can be used in the building envelope due to its sufficient compressive strength and good ability of energy storage and temperature regulation.Key words:microencapsulated phase change material（MPCM）；energy storage
7、mortar；thermal property；mechanical property建筑围护结构中添加相变材料不仅能减小室外温度波动对室内热环境的影响，还能提高围护结构的 保 温 隔 热 性 能1-4.微 胶 囊 相 变 材 料（microencapsulated phase change material，MPCM）能很好地集成到包括水泥砂浆5、混凝土6-7和石膏8等在内的建筑围护结构的支撑材料中.在广泛使用的抹灰砂浆中加入 MPCM，不仅可以提高新建建筑围护结构的储热能力，还可以对既有建筑进行节能改造.Kheradmand 等9提出，可在水泥砂浆中掺入 3种不同相变温度的 MPCM 以适
8、应不同季节的需求.Frazzica等10通过数值计算，确定西西里气候条件下水泥砂浆中添加 MPCM 的最佳熔化温度为 27.Wi文章编号：1007-9629（2023）02-0215-06收稿日期：2022-01-01；修订日期：2022-04-13第一作者（通讯作者）：于文艳（1973），女，黑龙江克东人，内蒙古工业大学副教授，硕士生导师，博士.E-mail：建筑材料学报第 26卷等11发现，添加 10%MPCM 的外抹灰水泥表现出优异的蓄热性能.多数研究结果表明，加入 MPCM 后，水泥砂浆的储热能力有所提高，但其力学性能有所下降12-14.因此，有必要进一步研究 MPCM 与水泥砂浆的配
9、合比对储能砂浆热性能和力学性能的综合影响，在保证储能砂浆强度符合相关规范要求的前提下，使其发挥出理想的储能调温效果.本文将商用正十八烷/密胺树脂 MPCM 加入水泥砂浆制备成储能砂浆，对其微观形貌、相变特性、热稳定性、导热系数、储热性能和力学性能进行研究，以确定 MPCM与水泥砂浆的合理配合比.1试验1.1原材料正十八烷/密胺树脂 MPCM 来自上海儒熵新能源科技有限公司，为白色粉末，其芯壳比为 9 1，密度为 0.9 g/cm3，粒径分布范围为 515 m，熔化过程的相变峰值温度和相变潜热分别为 29.2 和 78.8 J/g，凝固过程的相变峰值温度和相变潜热分别为 21.8 和 76.1
10、J/g.水泥为 P O 42.5 普通硅酸盐水泥，28 d抗压强度和抗折强度分别为 54.3 MPa 和 7.8 MPa，表 1为水泥的化学组成.细骨料为来自厦门艾思欧标准砂有限公司的中国 ISO标准砂，其 SiO2含量（质量分数，文中涉及的含量、掺量等除特别指明外均为质量分数）大于98%.1.2试样制备根据 GB/T 176711999 水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）制备储能砂浆，其配合比见表 2，其中MPCM 的掺量分别为水泥质量的 5%，10%，15%和20%.编号 C-M 的试件为未掺 MPCM 的水泥砂浆，编号 MPCM5的试件为 MPCM 掺量为水泥质量 5%的储能砂浆，其他试
11、件编号含义以此类推.取规格为 40 mm40 mm20 mm、70.7 mm70.7 mm70.7 mm和300 mm300 mm20 mm的铸铁水泥模具，对模具内壁及表面进行清理并涂油，将搅拌均匀的材料分别装入铸铁水泥模具内，反复振实填平，静置 24 h后脱模，置于 20，湿度为 90%的养护室内养护 28 d.40 mm40 mm20 mm 的试件用于导热系数测试；70.7 mm70.7 mm70.7 mm的试件用于抗压强度测试；300 mm300 mm20 mm的试件用于储热/放热性能测试.1.3试验方法用 S-3400N 型 扫 描 电 子 显 微 镜（SEM）观 察MPCM和储能砂浆
12、的微观形貌；用3500 Sirius型差示扫描量热（DSC）仪在氮气气氛测试环境下以10 K/min的升/降温速率在-1060 温度范围内测试 MPCM和储能砂浆的相变温度和相变潜热；用 209 F3型热重（TG）分析仪以 10 K/min 的升/降温速率在 25500 温度范围内测试 MPCM 和储能砂浆的热稳定性；用 DRE-型导热系数测试仪测试储能砂浆的导热系数；用 DYH-300B 型水泥压力试验机测试储能砂浆的抗压强度，加载速率为（5010）N/s.图 1 为自制的储热/放热性能测试试验箱示意图15-17，箱体材料为保温板.由图1可见：试验箱内部尺寸 为 300 mm300 mm50
13、0 mm；热 源 采 用FGW-620 型加热器，加热器与试件外表面距离为500 mm，通过热辐射方式加热试件；试件内、外表面各布置2个T型热电偶进行温度测试.进行储热/放热性能测试时，开启加热器，使试件外表面温度在33 min内由 25.5 逐步升高到 43.8，然后关闭加热器，通过自然降温，使试件外表面温度由 43.8 逐步降低到25.5，测试升温/降温过程中试件内表面温度的变化情况.每隔5 min，用 FLIR T200型红外热像仪拍摄升温过程中试件内表面的温度分布情况.2结果与分析2.1微观形貌图 2为 MPCM 和储能砂浆的 SEM 图片.由图 2可见：MPCM外观呈光滑的球形，密胺
14、树脂壳材将相变 材 料 正 十 八 烷 封 装 在 球 体 内；储 能 砂 浆 中 的MPCM保持完整的球形，且在砂浆中均匀分布，没有出现明显的团簇现象，表明 MPCM 与水泥砂浆相容性较好，在储能砂浆制备过程中混合较为均匀.2.2相变特性图 3为储能砂浆的 DSC 曲线.由图 3可见：由于MPCM 的存在，储能砂浆的 DSC曲线出现明显的吸热峰和放热峰，为 MPCM 的相变过程；MPCM 含量为 5%、10%、15%和 20%的储能砂浆在熔化过程中表 1水泥的化学组成Table 1Chemical composition of cementw/%SiO219.91Al2O34.35Fe2O3
15、3.50CaO64.10MgO2.25Na2O0.15SO32.93表 2储能砂浆的配合比Table 2Mix proportions of energy storage mortarsgSampleC-MMPCM5MPCM10MPCM15MPCM20Cement450450450450450Standard sand1 3501 3501 3501 3501 350Water225225225225225MPCM022.545.067.590.0216第 2期于文艳，等：微胶囊相变材料对砂浆热性能和力学性能的影响的相变潜热分别为 2.8、8.8、9.1、11.2 J/g，在凝固过程中的相变潜
16、热分别为 2.1、9.3、9.7、13.9 J/g；随着MPCM 含量的增加，储能砂浆的相变潜热逐渐增大.因此，MPCM的掺入提高了水泥砂浆的储热能力.2.3热稳定性图 4 为 MPCM、水泥砂浆和储能砂浆的热重曲线.由图 4可见：MPCM 在 200 左右开始产生明显的失重现象，500 时其质量剩余约为初始质量的5%；水泥砂浆的热稳定性最好，热失重很小，500 时其质量剩余约为初始质量的95%；温度低于100 时，储能砂浆的热重曲线与水泥砂浆的热重曲线重合，热稳定性非常好，100 时仅有部分水分的散失，其质量剩余约为初始质量的 99%；在 100500 温度范围内，随着温度的升高，由于部分 MPCM 发生热分解，储能砂浆的热稳定性逐渐下降，500 时其质量剩余约为初始质量的94%.图 1储热/放热性能测试试验箱示意图Fig.1Schematic diagram of thermal energy storage/release property test chamber（size：mm）图 4MPCM、水泥砂浆和储能砂浆的热重曲线Fig.4TG curves of MPCM，ceme
