相变材料在道路工程材料中的应用研究

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摘要：本文在已有相变材料相变机理及其在建筑材料中应用研究的基础上，分析相变材料在水泥混凝土中的经济实用性及施工工艺。

关键词：相变材料；建筑材料；水泥混凝土路面；经济实用性；施工工艺

中图分类号：TU5文献标识码： A 文章编号：

1.相变材料的概念

相变材料(Phase Change Materials,简称PCM),又称为潜热储能材料,是利用相变过程中吸收或释放的热量来进行潜热储能的物质,具有在相变过程中将热量以潜热的形式储存于自身或释放给环境的性能,可以进行热能贮存和温度调节控制[1]。

相变材料以其贮热密度高、设备体积小、热效率高以及吸放热为恒温过程等优点,已应用于太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用、工业与民用建筑供暖和空调的节能以及航空航天、纺织工业等领域[3]。其中就建筑材料而言,相变材料已用于水泥混凝土、水泥砂浆、涂料,开发了相变温控混凝土、相变储能混凝土、相变蓄能围护结构、相变储能墙板、隔热涂料等,对控制大体积混凝土温度裂缝,调控建筑物室内温度,以及节能、降耗、环保等起到了积极作用。但相变材料在公路交通领域的应用，至今尚处于探索研究阶段。

2．相变材料分类及组成:

相变储能材料根据相变形式、相变过程主要分为固一固、固一液、液—气、固—气等4种相变储能材料；按照其成分又大致可分为无机物和有机物（包括高分子）储能材料。根据相变温度，材料可分为高温、常温、和低温材料，高温材料在200 ~ 1000摄氏度范围，主要是一些无机盐类，适用于一些特殊的高温环境。常低温材料在20 ~ 200摄氏度范围，主要是一些无机盐水合物、有机物、高分子。

通常，相变材料是出多组份构成的，包括主储热剂、相变点调整剂、防过冷剂、防相分离剂、相变促进剂等组份。

3.相变材料在水泥混凝土中的应用

3.1相变储能水泥混凝土路面融雪系统的设计及试件制备

3.1.1设计思想

相变储能路面融雪系统的设计思想与关键技术包括：采用热融化法，选择安全、理想、工程适用的发热体热源；引入相变材料，本文相变材料在水泥混凝土中的应用主要应用于城市中心广场等。

3.1.2试件制备

相变储能融雪系统以水泥混凝土为基础建立并制备。系统组成材料包括：水泥混凝土；热源；相变材料，相变点低的有机物质(石蜡)，固-液类材料，封装材料，以Ф30的钢质管状为宜；密封材料等。相变材料与热源结合构成相变储能发热体，发热体与水泥混凝土路面材料内结合构成路面融雪系统。

3.1.3实验原理

根据本文的研究设想将石蜡固体均匀放置于封装材料为Ф30的钢质管中，在钢质管中的进出口插入电极，通电后，电能转换为热能，被钢质管中的石蜡固体所吸收，随着时间的推移，石蜡逐渐由固态变成液态，从而实现储能效果。当遇到低温降雪天气时，储存在相变材料中的热量逐渐释放出来，石蜡由液态变成固态，实现放热过程。从而可以解决道路融雪问题。

3.1.4材料选取：

导热系数的大小表明金属导热能力大小，导热系数越大，导热热阻值相应降低，导热能力增强。在金属材料中，铜的导热系数较高，但是成本高，不好加工。铝的导热系数在铜和钢之间，但是强度不高。本文研究选择钢，主要在于其强度较高，生产加工容易，价格较便宜，故选择钢材。

表 1部分金属导热系数表

3.2相变储能路面融雪系统的水凝混凝土试验

3.2.1相变储能融雪体系水凝混凝土试件性能模拟试验

⑴为反映发热体对水泥混凝土抗压性能的影响，制作3 组水泥混凝土抗压强度标准尺寸试件（150×150×150mm）: a) 基准试件；b) 放置相变储能发热体的试件( 其中的相变材料封装管长度取 25 cm)；c) 放置热源（恒功率电伴热带）试件。

实验结果：发热体对水泥混凝土抗压性能b>a>c。

⑵为反映发热体对水泥混凝土抗折性能的影响，制作3组水泥混凝土抗折强度标准尺寸试件（150×150×600mm）: a) 基准试件; b) 放置相变储能发热体的试件( 其中的相变材料封装管长度取 25 cm) ; c) 放置热源（恒功率电伴热带）试件。为减小误差，每组试件为2块水泥混凝土抗折强度标准尺寸试件。

实验结果：发热体对水泥混凝土抗折性能b>a>c。

相变储能路面融雪系统将热融法路面除冰雪技术与相变材料的应用相结合，旨在改善路面材料体系的热稳定性, 提高融雪功效，减轻温度荷载对路面结构与材料的损害; 在满足融雪化冰供热的前提下，节能效果显著。

4.经济实用性及施工工艺

4.1根据国外相关工程的研究成果与经验，确定相变材料在混凝土路面中的施工工艺

下承层的准备----管线固定装置的安装----管线铺设----管线注水打压----道路材料的铺筑----主干线的连接-----开放交通[5]

在实体工程的运行实践总结得出，普遍存在以下几个方面的问题：

1．管材选取不合适，导致埋管系统产生过大的伸缩变形。

2．管道接头处连接处置不合理，导致管道接头处渗漏，从而引起不可弥补的现象。

3．热媒介质选择不合适，导致寒冷季节使用时由于液体粘度过大而导致系统产生工作的负荷。

因次，在此实体工程的设计中采取下述措施避免上述问题的发生：

1．选择热膨胀系数较小的材料------钢管。

2．埋设于路面内部的管线不设接头。在夏季气温较高时，进行接头的热熔处理，避免温度过高热熔接头不牢固。

3．采用低冰点的石蜡。

4.2效益分析

该技术初期投资提高120元每平方米，每次融雪费用消耗为每平方米每小时0.32元，融雪效果100%，该系统可以实现自动化控制管理，即可无人值守远程监控，根据天气预报和远程监控自动进行融雪。但综合考虑融雪剂的使用费用，减少路面冻融损坏维修费用，节约机械除雪和人工除雪对道路造成的损伤的维修费用，减少交通事故等造成的间接经济损失费用。最重要的是达到路面和现代化管理要求及节能环保的要求，该技术是一项长远有效的选择。

参考文献：

[1] 张寅平, 胡汉平, 孔祥冬, 苏跃红. 相变贮能理论和应用. 合肥: 中国科学技术大学出版社, 1996: 9- 22.

[2] 李雨红等.常低温相变储热材料的研究和应用[J].化学教育，2004，（10）:9-13.

[3] 张建军等. 太阳能学报，2000, 21( 4) : 399- 402.

[4] 中华人民共和国行业标准，公路水泥混凝土路面施工技术规范（JTG F30-2003）[S]，北京：人民交通出版社，2003.

作者简介:陈江锋，男，陕西宝鸡人，硕士研究生。