石蜡/PET宏胶囊的制备及其对砂浆热性能和力学性能的影响

Preparation of Paraffin/PET Macrocapsules and Its Influence on Thermal and Mechanical Properties of Mortar

摘要

为解决固-液相变材料封装问题，减小相变材料对混凝土强度性能的影响，以石蜡为芯材、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）为载体，制备石蜡/PET宏胶囊，并将其掺入砂浆中制成相变储能砂浆，分析石蜡/PET宏胶囊的密封性、界面特征以及差式扫描热量仪（DSC）曲线，研究相变储能砂浆的导热系数、控温能力和力学性能。结果表明：在60 ℃的工作环境中，石蜡/PET宏胶囊具有较强的密封性。胶囊的掺入能够提高其与砂浆界面的密实度。石蜡/PET宏胶囊也具有较好的热性能，且储能砂浆的导热系数随胶囊掺量的增加而降低。当胶囊的体积分数为16%时，储能砂浆的中心点温度较普通砂浆降低6.5 ℃，显著增强了砂浆的控温能力。在力学性能方面，当胶囊的体积分数为4%时，其28 d龄期的抗压强度为31.90 MPa，提高近10%；当胶囊的体积分数为16%时，储能砂浆抗压强度为16.60 MPa、抗折强度为4.32 MPa，表现出较好的力学强度和储热性能，为储能砂浆在建筑结构工程中的应用提供参考依据和实践指导。

Abstract

To address the encapsulation issues of solid-liquid phase change materials and to minimize their impact on the strength properties of concrete, macrocapsules composed of paraffin as the core material and polyethylene terephthalate (PET) as the carrier were prepared. These paraffin/PET macrocapsules were then incorporated into mortar to create phase change energy storage mortar. The study analyzed the sealing performance, interfacial characteristics, and differential scanning calorimetry (DSC) curves of the paraffin/PET macrocapsules, and investigated the thermal conductivity, temperature control capability, and mechanical properties of the phase change energy storage mortar. The results showed that the paraffin/PET macrocapsules exhibited strong sealing performance in a working environment at 60 ℃. The incorporation of the capsules enhanced the compactness at the interface between the capsules and the mortar. The paraffin/PET macrocapsules also demonstrated good thermal performance, and the thermal conductivity of the energy storage mortar decreased with increasing capsule content. When the volume fraction of the capsules was 16%, the central temperature of the energy storage mortar was reduced by 6.5 ℃ compared to that of ordinary mortar, significantly enhancing the mortar's temperature control capability. In terms of mechanical properties, when the volume fraction of the capsules was 4%, the compressive strength of the mortar at 28 days was 31.90 MPa, with an increase of nearly 10%. When the volume fraction of the capsules was 16%, the compressive strength of the energy storage mortar was 16.60 MPa, and the flexural strength was 4.32 MPa, demonstrating good mechanical strength and thermal energy storage performance. These findings provide a reference and practical guidance for the application of energy storage mortar in building structural engineering.

Graphical abstract

关键词

石蜡/PET宏胶囊 / 相变储能砂浆 / 热性能 / 力学性能

Key words

ParaffinPET macrocapsule / Phase change energy storage mortar / Thermal performance / Mechanical property

面对日益严峻的全球能源危机与环境问题，必须加快能源绿色低碳转型的步伐，推进各行业全力配合推动绿色发展建设^[1]。其中，建筑行业耗能占据中国能耗的45.8%^[2]。因此，建筑节能已然成为备受瞩目的关键研究领域^[3]。

近年来，由于在温度变化过程中可以吸收或释放大量潜热，相变材料被广泛作为储能控温材料，并在建筑节能研究领域中取得重要进展^[4-5]。研究表明，将相变材料用于建筑结构中不仅可以减少建筑内部温度的波动，还能保温隔热、降低能耗^[6-7]。同时，将相变材料掺入水泥砂浆中，利用其独特的调温性能，可以减少早期混凝土温度裂缝的形成。史巍等^[8]利用石蜡作为相变材料，将其直接掺入混凝土中，使二者混成一体。测试发现，相变材料的掺入从根本上降低了大体积混凝土出现温度裂缝的风险。SAAFI等^[9]将相变材料加入建筑围护结构中，发现在突尼斯地中海气候下，建筑结构也可以保持良好的节能效果，最高可节约13.4%的能源。但也有较多的研究结果表明，随着相变材料的掺入，砂浆的储热性能虽有所提高，但其稳定性能和力学性能有所下降。BERROUG等^[10]将固-液相变材料直接添加至混凝土中，然而在相变过程中，相变材料会发生渗漏，从而导致混凝土的热稳定性能、耐久性能等方面发生改变。HUNGER等^[11]采用微胶囊封装的方式以减少相变材料渗漏的风险。但微观结构分析表明，在搅拌过程中微胶囊会被破坏，随着相变胶囊掺量的增加，混凝土的强度会降低。朱洪洲等^[12]以十四烷/膨胀石墨为相变材料，研究其对水泥砂浆强度性能的影响，发现相变材料的掺入显著降低水泥砂浆试件强度且掺量不宜超过试件质量的3%。李进等^[13]以陶粒为载体，水泥为封装材料制备定形石蜡胶囊并掺入砂浆中，结果表明，掺入质量分数为6%的石蜡胶囊提高了砂浆的力学强度，但其封装后，由于石蜡含量较少，储能砂浆的温控性能并不明显。

为解决上述问题，需要探究一种既可以在一定程度上提高混凝土的力学性能或降低相变材料掺入对混凝土的力学性能的影响，又能充分提高混凝土的调温性能的相变材料。本文以石蜡为相变材料，同时采用具有较高的强度、良好的耐化学性和可加工性的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)来封装石蜡^[14]，制备石蜡/PET宏胶囊，研究石蜡/PET宏胶囊的制备方法及其对相变储能砂浆的热力学性能的影响。通过试验分析不同相变材料掺量对储能砂浆的控温效果、导热系数、抗压强度及抗折强度等热力学性能参数的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

海螺普通硅酸盐水泥，P.O42.5，诸城市九七建材有限公司；砂子，中国ISO标准砂，厦门艾思欧标准砂有限公司；聚羧酸高性能减水剂，HLX(标准型），山西飞科新材料科技有限公司；石蜡，熔点48~50 ℃，大连石化分公司；聚丙烯纤维，束状单丝，密度0.91 g/cm³，弹性模量大于4 800 MPa，抗拉强度大于486 MPa，熔点160 ℃，长度6 mm，山东永兴新材料有限公司；PET塑料胶囊，胶囊尺寸为半径5.5 mm，高度24.0 mm，密度1.38 g/cm³，拉伸强度80 MPa，弯曲模量2 040 MPa，热变形温度75 ℃，吸水率0.30%，沧州隆顺塑制品有限公司。

1.2 仪器与设备

差示扫描量热仪(DSC)，耐驰DSC214，上海和晟仪器科技有限公司；电热恒温干燥箱，101-00A，浙江天宇智能科技有限公司；实验电子万能炉，DL-1，拓延仪器有限公司；数显恒温水浴箱，HH600，茂祥仪器有限公司；高温快速电子测量仪，TM902C，九州电热有限公司；电子万能试验机，WDW-300，上海倾技仪器仪表科技有限公司；XTDIC系统高清相机，XTDIC-CONST HR，新拓三维有限公司。

1.3 样品制备

1.3.1 石蜡/PET宏胶囊的制备

为了降低石蜡相变液化后的渗漏，减小对砂浆强度的影响，本文采用PET废弃塑料作为包裹相变材料的壳材，通过“四步法”制得石蜡/PET宏胶囊。图1为石蜡/PET相变胶囊制备流程。

首先将石蜡块置于烧杯中并采用酒精灯进行加热使其液化；再通过注射器先将液体石蜡注入其中一半胶囊壳中，待其固化后再将另一半胶囊壳注满并迅速进行拼接，得到初加工的石蜡/PET宏胶囊。但为了防止拼接处不牢造成石蜡泄漏，采用电子万能炉加热PET塑料和UV胶黏剂制得PET黏液，将其涂抹于胶囊拼接处使其成为整体。

1.3.2 相变储能砂浆试块的制备

根据JGJ/T 70—2009、GB/T 29756—2013^[15-16]制备40 mm×40 mm×160 mm的棱柱形试块。表1为相变储能砂浆的配合比，其中水灰比为0.5，砂率为40%，PET相变胶囊的掺量分别为砂浆体积的0、4%、8%、12%和16%，置换掺入。同时，为了降低相变微胶囊掺入对砂浆强度性能的削弱影响，通过外掺质量分数2%(相对水泥质量)的硅灰^[17]、体积分数为0.2%的聚丙烯纤维^[18]以及体积分数为0.3%的减水剂来提高砂浆的强度。在制备过程中，为了避免相变胶囊的聚集和损坏，需要先将水泥和砂进行干料搅拌，再加入胶囊颗粒。此外，由于聚丙烯纤维为束状单丝易聚结，在掺入前尽可能将聚结的纤维分散，以便更好地发挥其材料性能。图2为相变储能砂浆的制备流程。

1.4 性能测试与表征

1.4.1 石蜡/PET胶囊的特性测量试验

密封性测试：以石蜡/PET胶囊的质量损失率来表征其密封性能。将石蜡/PET胶囊表面擦拭干净，确保胶囊内部石蜡为固态，称重后将其置于干燥箱中，并设置温度为60 ℃和70 ℃的两组试验，保温2 h，最后取出并再次擦拭胶囊表面，待其胶囊内部石蜡完全固化后再称重。

石蜡/PET胶囊与砂浆的界面表征：采用高清相机对试块的断面进行拍摄，然后利用图像处理软件增强对比度、锐化图像来突出界面特征。

1.4.2 相变储能砂浆材料的热学性能测试

相变材料的热分析：N₂气氛下，采用DSC对石蜡/PET宏胶囊和石蜡的热性质进行测试，设置其测试温度范围为室温~100 ℃，升/降温速率均为10 ℃/min。同时，为了满足DSC测试样品要求（直径不超过3 mm，高不超过2 mm），需要将石蜡/PET宏胶囊细化。通过控制石蜡含量保持不变以确保细化后的胶囊与原胶囊有相同的相变潜热属性^[13]。胶囊细化过程为：加热熔化石蜡和PET胶囊，保持其石蜡含量与相变胶囊中的石蜡的质量分数均为60.5%，并使其充分均匀混合形成石蜡/PET混合物，冷却后制成小颗粒。通过测量石蜡/PET混合物小颗粒的潜热属性来近似代表石蜡/PET宏胶囊的潜热属性。而用于DSC测试的石蜡块可直接进行切割磨碎即可满足测试尺寸要求。

控温性能测试：采用设计的相变储能砂浆试块控温测试平台进行测试。试件为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，在其中部和表面均布设K型热电偶，并采用功率为1 000 W的恒温水浴箱进行加热，通过电子测温仪对试块中部和表面的温度进行采集。试验时，采用恒温水浴箱对其试块加热并使水面淹没试块上表面5 cm以上，从室温24 ℃加热至70 ℃，并每隔2 min记录一次温度，直至各种掺量的试块中心点温度达70 ℃后，放置在室温环境中自然冷却，同样每隔2 min记录一次中心和表面温度变化，持续记录至其温度接近室温并保持稳定。

导热系数测定：基于准稳态法恒温水浴加热测定导热系数。当上述立方体试块内部的温度不再随时间显著变化，温度梯度恒定，热流已稳定时，则可判断为稳态条件。稳态下的传热可以使用傅里叶定律直接计算导热系数，计算公式为：

k=\frac{P\bullet ∆L}{A\bullet ∆T}(1)

式(1)中:k为导热系数，W/(m·K)；P为恒定加热功率，W；A为试件传热面积，m²；ΔL为试件传热距离，m；ΔT为稳态下的温差，K。

1.4.3 相变储能砂浆的力学性能研究

力学性能测试：将制备的40 mm×40 mm×160 mm棱柱形试块用于抗压强度测试和抗折强度测试。采用电子万能试验机，以1 mm/min的速度控制加载，分别对养护3、28 d的5种不同掺量试块进行强度测试。同时采用XTDIC系统高清相机对龄期28 d、尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体相变储能砂浆试块^[19]和普通砂浆试块进行全场抗压变形拍摄，定时定量对比分析其在加载过程中裂缝的扩展形成过程。

2 结果与讨论

2.1 石蜡/PET胶囊特性分析

2.1.1 石蜡/PET胶囊密封性

表2为石蜡/PET胶囊的密封性。从表2可以看出，当测试温度为60 ℃时，石蜡/PET胶囊2 h的质量损失率几乎为0；但当测试温度为70 ℃时，其质量损失率为9.53%。对比发现，在测温为70 ℃时，部分胶囊会发生膨胀破裂，这是因为PET塑胶具有热膨胀性质，当温度升至一定限度时会发生膨胀。因此石蜡/PET相变胶囊不适用于高温环境，但在60 ℃以下的环境中可以表现出较好的密封性。

2.1.2 石蜡/PET胶囊界面特征

图3为石蜡/PET胶囊界面特征。从图3可以看出，石蜡/PET胶囊与砂浆的界面较为光滑，其界面处的孔洞比纯砂浆面更少且更小。界面光滑可能会导致黏结性相对较弱，孔隙减少表明该界面在一定程度上具有较好的密实性，有助于减小水分的渗透，从而提高材料的耐久性和抗渗性。此外，观察到胶囊边界并没有产生明显的裂纹，这表明胶囊边界处的应力分布较为均匀，材料在受到外力时，界面处的应力得到了有效分散和缓解，这可能与PET材料的柔韧性有关。因此，可以进一步对石蜡/PET胶囊界面进行微观分析，以确定这些特性影响整体性能。同时，可以在保持界面的密实性的前提下，通过适度的表面粗糙化处理来增强黏结力。

2.2 热学性能分析

2.2.1 DSC曲线

图4为石蜡和石蜡/PET胶囊的DSC曲线。从图4a可以看出，石蜡熔化相变峰值温度为57.8 ℃，相变温度范围为48.8~60.2 ℃，相变焓为145.0 J/g；凝固时相变峰值温度为52.1 ℃，相变温度范围为42.7~58.4 ℃，相变焓为153.3 J/g。从图4b可以看出，石蜡/PET胶囊熔化相变峰值温度为55.4 ℃，相变温度范围为45.8~59.3 ℃，相变焓为87.7 J/g；凝固时相变峰值温度为53.3 ℃，相变温度范围为45.5~57.0 ℃，相变焓为92.5 J/g。

对比发现，在升温熔化过程中，石蜡/PET胶囊的相变峰值温度比石蜡低2.4 ℃；在降温凝固过程中石蜡/PET胶囊的相变峰值温度比石蜡高1.2 ℃。有研究表明，材料均匀化的处理有助于提高熔化温度的均匀性^[20]。原因可能是PET材料的包覆改变了热传导路径，使加热过程中的热分布更均匀，导致熔化温度降低；而在降温凝固阶段，PET包覆层对石蜡分子运动存在限制作用，使石蜡在较高温度下开始结晶凝固^[21]。同时，PET材料的热隔离作用使石蜡冷却速度变慢，更有利于在较高温度下结晶。总体而言，在DSC测试中，石蜡/PET胶囊的升温峰值低于纯石蜡，其主要原因是热传导性能的改变导致石蜡熔化温度降低；而其结晶温度高于纯石蜡，则是因为物理限制和热隔离效应使得石蜡在相对较高点的温度下结晶。

2.2.2 导热系数

图5为相变前后不同胶囊掺量的储能砂浆的导热系数。从图5可以看出，石蜡/PET胶囊的掺入明显地改变了普通砂浆导热性能，随着胶囊掺量的增加，储能砂浆试块的导热系数逐渐降低。这主要是由于石蜡与砂浆混凝土的导热系数相差过大，石蜡的导热系数通常为0.12~0.21 W/(m·K)，砂浆的导热系数为1~2 W/(m·K)，石蜡/PET胶囊的掺入使砂浆试块中低导热性材料的占比增加，从而削弱整体的导热系数。相变胶囊与水泥浆体之间的界面热阻会随着胶囊掺量的增加而增加，从而进一步降低了砂浆的导热系数，特别是在胶囊界面光滑的情况下，这种热阻效应会更加明显^[22]。

在相同石蜡/PET胶囊掺量情况下，对比相变前后砂浆试块导热系数的变化情况，可以发现：在相变前，砂浆试块的导热系数小于相变后的导热系数，并且随着相变胶囊掺量的增加，相变前后的导热系数差距先增大后减小。于文艳等^[23]研究发现，固态石蜡的导热系数通常会大于其液态的导热系数。对此，可以推断出PET外壳对整体的导热性能也存在较大影响。这可能是由于PET材料本身的导热系数较低，使得石蜡和PET界面之间存在较大的接触热阻，而石蜡在相变前为固态，其导热性能会受PET外壳影响，导致热传导效率降低，整体导热系数变小^[24]；当石蜡相变熔化为液态后，因其分子运动变得活跃，导致界面接触热阻减小，热量传递效率提高，导热系数增加。当石蜡/PET胶囊掺量持续增加时，储能砂浆试块内部的石蜡会同时相变，导热系数在相变前后的差距也会增大；但当掺量达到一定时，试块内部的石蜡会趋于均匀分布，相变前后的热传递路径差异变小，从而导热系数差距开始减小^[25]。

2.2.3 控温性能

图6为不同相变胶囊掺量的储能砂浆的控温效果。从图6可以看出，在升温阶段中，普通砂浆试块的温度均高于储能砂浆试块，且当温度达到48 ℃之后，这两种不同类型试块的温差表现越来越明显，其中相变胶囊的体积分数为16%的储能砂浆试块的升温速率显著降低，这表明相变胶囊对储能砂浆的控温能力有明显的影响，能够降低储能砂浆试块的升温速率；当温度达到61.8 ℃时，控温效果最佳，此时相变胶囊的体积分数为4%、8%、12%和16%的储能砂浆试块的中心温度较普通砂浆试块依次降低1.6、2.3、3.8、6.5 ℃。这主要是由于内部温度达到了石蜡的相变温度，石蜡相变会吸收热量，进而使其环境温度降低，且相变胶囊的含量越高，储能砂浆的吸热能力越强，表明其控温能力越强。此外，在试验过程中还发现，当普通砂浆试块中心温度达到70 ℃时，掺有体积分数为4%、8%、12%和16%的相变胶囊储能砂浆试块8、12、18、24 min后的内部中心点温度接近70 ℃，并保持相对稳定，难以完全达到70 ℃。这表明相变胶囊具有较大的热容量，吸热能力强，并且储能砂浆试块中相变胶囊的含量越高，吸收的热量越多，导致内部中心温度上升速度越慢；其次，由于热传导的限制，试块表面与恒温水浴接触，表面温度较容易达到水浴温度，然而试块内部的热传递效率较低，导致中心温度难以迅速升高至70 ℃。同时，在实际试验中，热损失不可避免，尽管水浴维持在70 ℃，但仍可能存在一定的热量损失，而又受到相变材料持续吸热的限制，相变材料需不断吸收热量以保持液态，这种持续的吸热效应让试块中心温度难以进一步升高，从而使试块的热量输入和输出达到了动态平衡。

2.3 力学性能分析

2.3.1 抗压强度

相变材料的掺入虽然可以显著提高砂浆的热性能，但也可能对砂浆的力学性能产生负面影响。因此，对相变储能砂浆的力学性能进行研究是确保其在建筑工程应用中达到可行性和适用性的前提。图7为不同相变胶囊掺量的储能砂浆抗压强度。从图7可以看出，当龄期为3 d时，相变储能砂浆的抗压强度随胶囊掺量的增加而逐渐减小。当掺量为0时，砂浆的抗压强度为19.2 MPa；当胶囊的体积分数为16%时，砂浆的抗压强度为11.7 MPa，强度衰减率为39%。这是由于水泥水化反应刚开始以及宏胶囊与水泥浆体的界面过渡区较弱，石蜡/PET塑料胶囊与水泥浆体的黏结性较差，且随着掺量的增加，水泥基体中的有效水泥砂浆颗粒减少，从而进一步影响整体的抗压强度。当龄期为28 d时，抗压强度逐渐上升，这表明随着时间的推移，后期水化反应较为充分，水泥中的水化产物逐渐填充孔隙，改善了砂浆的整体密实度。此外，当胶囊的体积分数为4%时，相变储能砂浆强度明显高于0掺量的普通砂浆强度。这表明一定掺量的PET/石蜡宏胶囊可以提高砂浆强度。而在早期胶囊的体积分数为4%的相变储能砂浆强度的降低可能是由于宏胶囊可能引入了一定的孔隙，但后期水化反应填补了这些孔隙，从而使28 d的强度反而有所增加。宏胶囊能够在水泥基体中改善基体的密实度和微结构并形成良好的应力传递路径，同时不占据过多水泥砂浆的有效体积，从而达到增强效应。当胶囊的体积分数为8%时，相变储能砂浆强度为28.5 MPa，几乎接近0掺量的普通砂浆强度28.7 MPa，但当胶囊的体积分数为12%和16%时，强度分别衰减19%和42%。这可能是因为胶囊的体积分数为8%可能处于一个平衡点，此时相变胶囊填充了砂浆中的部分孔隙，改善了砂浆的微观结构产生的增强效果且与胶囊材料本身强度的负面影响相互抵消。而当掺入的胶囊过多时，平衡效应消失，由于胶囊的本身强度较低，无法完全起到骨料支撑作用，因此强度降低。在本试验条件下，胶囊体积分数为4%可达到M30的砂浆强度，且有较好的热控性能，可以用于承重结构部位；胶囊体积分数为12%时，可达到M20的强度等级；胶囊体积分数为16%时，热控性能最好，并且可达到M15的强度等级，可用于保温隔热层使用，但仍需兼顾结构强度和热控性能，进行优化分析。

图8为不同相变胶囊掺量的储能砂浆的抗压裂缝发展。从图8可以看出，在所施加荷载分别达到不同掺量相变储能砂浆的三分之二极限荷载(P)强度时，几乎均会出现少量的裂纹，但当荷载达到P时，只有0、4%胶囊体积分数的试块出现明显且数量较多的裂纹，而胶囊体积分数为8%、12%和16%的试块并未出现明显的裂缝，仅在后期才会有较为明显的裂缝发展。因此，适当增加胶囊掺量能够有效延缓裂缝的产生，从而提高整体抗裂性能，但仍需要考虑长期承载和环境影响下的裂缝发展情况。

2.3.2 抗折强度

图9为不同相变胶囊掺量的储能砂浆抗折强度，图10为不同相变胶囊掺量的储能砂浆抗折试块断面。从图9和图10可以看出，随着胶囊体积分数的增加，储能砂浆的抗折强度整体几乎呈现下降的趋势，并且比抗压强度的下降趋势更明显。这是由于抗折强度更依赖材料的刚性和抵抗拉伸断裂的能力，而石蜡/PET胶囊通常具有较低的刚性和较高的柔性，当胶囊掺量增加时，柔性材料在砂浆中的占比上升，因此整体材料的刚性下降。同时，在断面上胶囊的分布对抗折强度也有一定的影响。3 d时4%的抗折试块断面有胶囊存在，胶囊的存在显著改变了裂缝的发展方向，而3 d时8%的抗折试块断面不存在胶囊，其裂缝发展方向和3 d时不添加相变胶囊的抗折试块裂缝发展方向一致，导致3 d时8%的试块抗折强度接近3 d时4%的抗折强度。由此可推断出胶囊的分布对储能砂浆的抗折强度有较大的影响。此外，3 d和28 d的抗折强度衰减有明显差异，3 d抗折试块的强度衰减率显著小于28 d抗折试块的强度衰减率。这说明胶囊材料在早期可能对砂浆的抗折强度影响不大，由于砂浆尚未完全固化，胶囊的存在对抗折强度的削弱作用有限，随着养护时间增加，混凝土的整体强度也增加，胶囊对抗折强度的削弱作用更为显著。

当龄期为28 d时，0掺量的普通砂浆试块的抗折强度为8.56 MPa，胶囊体积分数为4%的储能试块的抗折强度为5.46 MPa，其强度衰减率约为35%，出现断崖式的衰减。而胶囊体积分数为8%、12%和16%的储能试块，强度衰减较为平缓，这可能与断面位置处胶囊的存在有关。此外，还可能是由于胶囊与基体之间的黏结强度较弱，使试块在较低应力下就发生断裂，而当胶囊体积分数增加至8%、12%和16%时，胶囊的分布可能更为均匀，材料内部的应力分布也趋于均匀，从而使抗折强度下降较为平缓。随着胶囊掺量增多，胶囊出现在断面的可能性越大。这是由于胶囊材料与水泥基体的力学性能不同，导致胶囊区域的强度低于周围的水泥基体，在受力时首先发生变形和破坏，进而导致局部应力集中，在荷载作用下，这些应力集中区域就会成为裂纹的起始点，使裂纹快速扩展和破坏，从而降低整体抗折强度。本试验中，胶囊体积分数为16%的储能试块的抗折强度为4.32 MPa，表明其在弯曲荷载下具有一定抗裂能力，可结合实际建筑结构强度要求进行应用。

3 结论

本文通过采用石蜡和PET塑料胶囊壳制备石蜡/PET宏胶囊，研究石蜡/PET宏胶囊对相变储能砂浆热力学性能的影响，得出以下结论：(1)石蜡/PET宏胶囊具有良好的热稳定性和相变潜热，能够在相变温度区间内有效储存和释放热量；胶囊在60 ℃的工作环境中密封性强，几乎不会发生泄漏，并且胶囊与砂浆的界面具有较高的密实性，但其界面较为光滑可能导致黏结性较弱，对此可以通过等离子处理、酸蚀刻或界面增黏剂等方法来增加表面粗糙度并提高界面黏结性。(2)石蜡/PET宏胶囊的掺入显著改善了砂浆的热调控能力。在恒温水浴70 ℃的条件下，胶囊体积分数为16%的相变储能砂浆试块的中心温度达到峰值的时间比普通砂浆试块延迟24 min，其最大温差达到6.5 ℃；相变储能砂浆的导热系数随着相变材料掺量的增加而降低，相变储能砂浆在相变前的导热系数小于相变后的导热系数，随着胶囊掺量的增加，导热系数差距先增大后减小，体现了储能砂浆高效储能与热管理效应，对调节室内温度有积极作用。(3)胶囊体积分数为4%的储能砂浆28 d抗压强度为31.9 MPa，比掺量为0的普通砂浆抗压强度还高。这表明掺入一定量的石蜡/PET宏胶囊能够提高砂浆的抗压强度。当胶囊体积分数为16%时储能砂浆的抗压为16.6 MPa，抗折强度为4.32 MPa，也表现出较好的强度性能，可以根据实际需求调整掺量应用于建筑围护结构中。综上所述，石蜡/PET宏胶囊的掺入对砂浆的热力学性能具有显著影响。在适当的掺量下，能够提高砂浆的力学强度并改善其热调控能力。因此，可以根据实际工程应用需求，优化胶囊的掺量，以实现力学性能和热性能的平衡，拓宽相变储能混凝土在建筑结构工程中的应用范围。

参考文献

[1] 第十四届全国人民代表大会第二次会议关于政府工作报告的决议[N]. 人民报, 2024(2).

[2] 马晓敏. 《世界能源统计年鉴2023》中文编译版发布[N]. 中国矿业报,2023(2).

[3] 朱翰泽, 高松, 李吉人, 等. BIM技术在绿色建筑碳排放量计算中的应用研究[J]. 节能, 2024, 43(6): 6-9.

[4] 杨立杰. 相变储能材料在建筑工程建设中的应用[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(5): 1471-1473.

[5] 赵合瑾, 万贤, 路佳慧, 等. 相变储能材料在建筑领域的发展和应用[J]. 中国塑料, 2023, 37(11): 46-61.

[6] HENIEGAL A M, OMAR IBRAHIM O M, FRAHAT N B, et al. New techniques for the energy saving of sustainable buildings by using phase change materials[J]. Journal of Building Engineering, 2021, 41: 102418.

[7] 龙国文, 曾开华, 谢帮华, 等. 相变混凝土复合材料的性能研究综述及展望[J]. 功能材料, 2024, 55(10): 10038-10046.

[8] 史巍, 张雄, DREYER J. 相变储能大体积混凝土的控温性能[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2010, 38(4): 564-568.

[9] SAAFI K, DAOUAS N. Energy and cost efficiency of phase change materials integrated in building envelopes under Tunisia Mediterranean climate[J]. Energy, 2019, 187: 115987.

[10] BERROUG F, LAKHAL E K, OMARI MEL, et al. Thermal performance of a greenhouse with a phase change material north wall[J]. Energy and Buildings, 2011, 43(11): 3027-3035.

[11] HUNGER M, ENTROP A G, MANDILARAS I, et al. The behavior of self-compacting concrete containing micro-encapsulated phase change materials[J]. Cement and Concrete Composites, 2009, 31(10): 731-743.

[12] 朱洪洲, 陈瑞璞, 苟珊, 等. 相变水泥混凝土的力学性能与低温调温性能[J]. 硅酸盐通报, 2020, 39(11): 3510-3514.

[13] 李进, 陈佩圆, 马海彬, 等. 石蜡胶囊的制备及其对砂浆热导和力学性能的影响[J]. 硅酸盐通报, 2017, 36(3): 1051-1055.

[14] 鲍聪, 赵晓钦, 樊伟, 等. 再生PET塑料骨料砂浆的弯曲韧性及阻尼特性[J]. 复合材料学报, 2023, 40(4): 2343-2354.

[15] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑砂浆基本性能试验方法标准: JGJ/T 70—2009 [S]. 北京:中国建筑工业出版社, 2009.

[16] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. 干混砂浆物理性能试验方法: GB/T 29756—2013 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2013.

[17] 王振军. 矿物掺合料对大流动性轻混凝土拌合物性能的影响[J]. 郑州大学学报: 工学版 2010, 31(2): 39-41.

[18] 赵远庆, 石鑫, 何雄君, 等. 聚丙烯纤维混凝土梁受弯抗裂试验研究[J]. 公路, 2024, 69(3): 364-371.

[19] 苏捷, 方志. 水泥砂浆立方体抗压强度尺寸效应的试验研究[J]. 中国工程科学, 2014, 16(2): 88-92.

[20] 丁雨田, 李海峰, 王伟, 等. 铸锭GH3625合金微观偏析及均匀化热处理[J]. 材料科学与工艺, 2016, 24(6): 14-19.

[21] 段芳莉, 王源. 单个纳米粒子对聚合物结晶行为的影响[J]. 物理学报, 2014, 63(13): 282-289.

[22] 张家玮, 马建虎, 黄玮, 等. 基于生物涂层/相变微胶囊的储能砂浆力学及温控性能[J]. 复合材料学报, 2024, 41(12): 6649-6660.

[23] 于文艳, 孟琦, 童浩然. 微胶囊相变材料对砂浆热性能和力学性能的影响[J]. 建筑材料学报, 2023, 26(2): 215-220.

[24] 王世民, 温变英. 模压氮化硼/聚对苯二甲酸乙二醇酯复合材料的导热机制与散热效果[J].复合材料学报, 2023, 40(1): 160-170.

[25] RICKLEFS A, THIELE A M, FALZONE G, et al. Thermal conductivity of cementitious composites containing microencapsulated phase change materials[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 104: 71-82.

基金资助

国家自然科学基金项目(51769016)

江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ211907)