添加石蜡的复合充填材料热学性能实验研究★

张小艳 王 杰 韩子怡 冯云豪 李世芳

(西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054)

1 概述

目前我国面临深部开采的矿山约占全国矿山总数的90%，高地应力造成的安全问题、高地温带来的热害问题日益成为制约深部矿床有效开采的重要因素。充填采矿法是控制地压、控制围岩崩落和地表移动的有效措施，如果在充填材料中添加部分蓄热材料，则可以利用其蓄热性能吸收围岩及采场风流热量进行蓄热，为地热的有效开采提供便利条件，在吸收地热同时实现采场降温，所以，添加蓄热材料的充填体热学性能研究成为充填采矿—地热开采—采场降温的关键所在。

建筑行业通过在建筑围护结构中添加相变蓄热材料，来改善围护结构的蓄热特性[1]，于瑞文等[2]对复合相变蓄热墙体的传热特性、传热机理、热物性参数进行研究。Hawes等[3]以添加多种复合相变材料的不同类型的混凝土为研究对象，就其储热特性进行了研究。吴晓东[4]把无机复合相变储能材料封装在膨胀珍珠岩中，制成相变建筑墙体并测量其节能效果。Silva等[5]和Alawadhi[6]研究了在多孔砖孔洞内充注相变材料后的热性能。王宏丽[7]选用石蜡与硬脂酸正丁酯制备复合相变材料，并与建筑材料混合得到砌块，对比普通砌块温室与相变材料砌块温室的温度分布。战伟[8]对掺加了微胶囊相变材料的混凝土试件的力学和热学性能进行实验测试，并对不同相变材料掺量试件的抗压强度和热工性能进行分析比较。

本研究以某铁矿尾砂添加水泥作为基本充填材料，灰砂比1∶6，然后以相变温度30 ℃的石蜡微胶囊作为蓄热材料部分替代尾砂制备蓄热充填料浆，固化形成蓄热充填体，对不同料浆浓度、不同石蜡添加比例的蓄热充填体的热学性能进行实验测试与分析，为充填料浆的配比优化、充填体蓄热释热特性研究等提供理论参考。

2 实验与测试

本研究在充填材料中分别加入0%,5%,10%的石蜡微胶囊部分替换尾砂，并在充填料浆68%,70%,72%的浓度下，制备蓄热充填体试件，实验配比方案如表1所示，试件制备流程如图1所示。物料先按预先设计的灰砂比(1∶6)以及石蜡添加量进行配比并混合搅拌均匀，再按比例加水搅拌制备浓度分别为68%,70%,72%的充填料浆，然后将充填料浆注入模具，待试件初步自立后，脱模并将试件放入温度为20 ℃±2 ℃，相对湿度为95%以上的HWS-80型号标准养护箱中进行养护。

为了测试蓄热充填体的热学性能参数，取养护28 d的试件为研究对象，进行实验参数测定：采用型号Q2000的DSC测试仪，在石蜡的相变温度前后取点，分别测试试件在对应温度下的定压比热容和焓变。

表1 实验配比方案

3 蓄热充填体的热学性能分析

3.1 比热容测试与分析

图2所示为石蜡添加比例一定时，不同料浆浓度下充填体试件的定压比热容随温度的变化情况，图示表明：石蜡添加比例一定时，一定温度下充填体试件的定压比热容随料浆浓度的增大而增大。相变温度30 ℃，石蜡添加量为5%，料浆浓度从68%增加到72%时，定压比热容Cp增加了3.6%。原因分析：相同石蜡添加量时，料浆浓度越大，充填材料结构更致密，其孔隙率减小，孔隙内存在的空气也相应减小，因此比热容越大。

图3所示为充填料浆浓度一定时，不同石蜡添加量下充填材料定压比热容随温度的变化情况。图示表明：料浆浓度为定值时，定压比热容随石蜡添加量的增加而增大。相变温度30 ℃，当石蜡添加比例从0%增大到10%时，对于70%的料浆浓度，定压比热容从1.126 J/(kg·℃)增大到1.234 J/(kg·℃)，增加了约9.6%，在相变温度前后其他温度点处，石蜡添加量对比热容的影响存在类似的变化规律，可见石蜡的添加能较大幅度的增强充填体的显热蓄热能力。

3.2 比焓测试与分析

图4所示为料浆浓度72%，石蜡添加比例依次为0%,5%,10%时，蓄热充填体试件的熔解热，图示表明：熔解热随石蜡添加量的增加而明显增大。料浆浓度为72%，石蜡添加比例依次为0%,5%,10%时，熔解热分别为61.1 J/g,66.5 J/g,75.77 J/g，石蜡添加比例为5%,10%的充填体试件较不添加石蜡时熔解热分别增大了约8.8%,24%。蓄热充填材料在温度30 ℃附近，热流密度开始出现下降的趋势，该点是相变转变的温度。

图5所示为石蜡添加比例10%，料浆浓度依次为68%,70%,72%时，蓄热充填体试件的熔解热，图示表明：熔解热随料浆浓度的增大而明显增大，石蜡添加比例10%，料浆浓度依次为68%,70%,72%，熔解热分别为46.36 J/g,62.5 J/g,75.77 J/g，料浆浓度为70%,72%的充填体试件较68%时熔解热分别增大了约34.8%,63.4%。同样在相变温度30 ℃左右，热流密度开始出现下降的趋势。

比焓测试与分析表明：石蜡添加比例和料浆浓度的增加均能增大充填材料的熔解热，使充填体具有良好的潜热蓄热能力。

4 结语

本文通过对添加石蜡微胶囊的相变蓄热充填材料进行热学性能的实验测试与分析，得出的主要结论如下：

1)一定温度下充填体试件的定压比热容随料浆浓度的增大而增大，相变温度30 ℃，石蜡添加量为5%，料浆浓度从68%增加到72%时，定压比热容Cp增加了约3.6%。定压比热容随蓄热材料添加量的增加而增大。相变温度30 ℃，当石蜡添加比例从0%增大到10%时，对于70%的料浆浓度，定压比热容从1.126 J/(kg·℃)增大到1.234 J/(kg·℃)，增加了约9.6%，可见石蜡的添加能较大幅度的增强充填体的显热蓄热能力。

2)熔解热随石蜡添加量的增加而明显增大，料浆浓度为72%，石蜡添加比例为5%,10%的充填体试件较不添加石蜡时熔解热分别增大了约8.8%,24%。熔解热随料浆浓度的增大而明显增大，石蜡添加比例10%，料浆浓度为70%，72%的充填体试件较68%时熔解热分别增大了约34.8%,63.4%。可见石蜡添加比例和料浆浓度的增加均能增大充填材料的熔解热，使充填体具有良好的潜热蓄热能力。