一种可蓄热的黑体水泥及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种可蓄热的黑体水泥及其制备方法，其特征是：按75.0～85.0％硅酸盐水泥熟料、2.4～4.0％二水石膏、2.0～10.0％黑色着色剂、以及5.0～15.0％堇青石粉末的组分及质量百分配比取各原材料；采用干法球磨工艺，将原材料投入到球磨机内，球磨机磨筒转速为43～47r/min、原材料在球磨机内停留时间29～31min，原材料经球磨混合后，即制得可蓄热的黑体水泥。制得的黑体水泥颜色黑度高、黑体辐射系数高、蓄热系数大，浇筑成大体积块状固体后，可作为大型蓄热工程用材料；本发明制得的黑体水泥是一种蓄热性能、热辐射、热扩散性能良好的水泥材料。
【专利说明】一种可蓄热的黑体水泥及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于一种水泥及其制备方法，涉及一种可蓄热的黑体水泥及其制备方法。 该黑体水泥由硅酸盐水泥熟料、二水石膏、着色剂和红外辐射材料按一定比例进行配比，通 过球磨机粉磨而得，该水泥颜色黑度高、热辐射和热扩散性能好、蓄热系数大，浇筑成大体 积块状固体后，可作为大型蓄热工程用材料，例如太阳能热发电系统的储热材料等。
【背景技术】
[0002] 能源问题是当今世界人类社会面临的重大课题，在我国，随着国民经济的发展，能 源保障问题成为我国经济发展的一大制约因素，国家因此出台了大量的鼓励政策，鼓励加 强可再生能源的利用。在很多工业和民用建筑及太阳能发电系统中，由于白昼和夜晚的轮 转，往往存在着能量供应和需求之间的差异，造成了能量利用的大量浪费。解决这一问题的 有效途径之一就是采用蓄热材料。
[0003] 蓄热材料：就是一种能够存储热能和释放热能的新型化学材料，它在热量存储阶 段，将高峰时期多余的热能储存起来，在使用阶段，通过蓄热材料将存储的热能释放出来， 以供采暖、供热等。如此存储和释放过程循环，实现热能在时间和空间上的不协调性，达到 能源的高效利用和节能的目的。显热蓄热不仅运用原理简单，材料成本低廉，而且具有很 好的可行性。现有技术中，最常见的显热蓄热介质主要有固体混凝土、可铸陶瓷，液体有 矿物油，以及熔盐等。油类蓄热介质蓄热、释热方便快捷，但长期性能不稳定，且易燃，使 用成本较高；熔岩类蓄热介质比热较高，化学性质稳定，但大部分熔盐熔点较高，在夜间系 统长时间休眠或停机期间需要额外加热以保持其液相状态，有时液相熔盐局部结晶，出现 层析现象，影响热交换效率。混凝土和可铸陶瓷是一种较好的显热蓄热介质，其比热容较 高，单位热量储存成本低，建造维护容易。对显热蓄热介质，选用比热容大的物质是提高 蓄热能力的一种可行的方法。若以混凝土作为显热蓄热介质，胶凝材料不宜选用铝酸盐 水泥，因为铝酸盐水泥的蓄热性热不佳，如容重为1950kg/m 3铝酸盐水泥净浆试样，比热容 0. llkj(kg · ΚΓ1，导热系数 1. 42W(m · ΚΓ1，蓄热系数仅为 4. 63W(m2 · ΚΓ1。
[0004] 硅酸盐水泥密度范围在3000?3500kg/m3,作为胶凝材料，养护一定龄期后， 容重为2079kg/m 3,比热容为3. 12kJ(kg*Kr，导热系数为Ο.ΘΤΙΟι^ΚΓ1，蓄热系数 17. 76W(m2 ·Κ)'作为显性蓄热材料中的一种，由于导热性能不够，在储热和放热过程中，块 体的内部和表面的温差比较大。通常是储热时表面温度很高，内部温度却很低；当放热时， 表面热量很快被释放掉，所储热能很难供应实际需要。
[0005] 黑体水泥是依据斯忒藩一波耳兹曼定律提出的，即随着材料的黑度系数提高，其 辐射和吸收能力都随之增强。黑体水泥与通用硅酸盐水泥相比，白天吸收热能特性更强， 夜晚散发热量更大，具有优良的蓄热性能。特别是昼夜温差较大的地区，将黑体水泥用于 工程，采取良好的热存储技术和系统设计，能够有效地降低建筑能耗，提高建筑节能保温效 率，节约大量能源资源和保温材料的投入。
[0006] 中国专利申请CN201210398760. 3公开了"高密实蓄热混凝土及其制备方法"，提 供了一种以硫铝酸盐水泥、钢渣、玄武岩、石墨、矿渣粉、减水剂制备了高密实蓄热混凝土， 通过加入减水剂，使硫铝酸盐水泥制备的混凝土更加密实，提高了蓄热系数，解决了水泥基 材料的蓄热系数不高的缺点，并解决了大体积制备蓄热体成本高昂的难题，但是该蓄热体 由于化学组成原因，很难应用于高温蓄热。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的旨在克服现有技术中的不足，克服现有利用自然阳光蓄热过程中， 显热储热介质中陶瓷蓄热体体积难以做大，储存热量不足的问题，解决太阳能利用过程中 白天日晒储热，夜晚长时间放热的材料选择和制备的难题。提供一种通过硅酸盐水泥熟料、 二水石膏、黑色着色剂和堇青石粉末按一定比例进行配比，通过球磨机粉磨而得的可蓄热 的黑体水泥及其制备方法，本发明黑体水泥颜色黑度高，导热性好，蓄热系数大，浇筑成大 体积块状固体后，可作为大型蓄热工程用材料。
[0008] 本发明的内容是：一种可蓄热的黑体水泥，其特征是：由质量百分比及组分为 75. 0?85. 0 %硅酸盐水泥熟料、2. 4?4. 0 %二水石膏、2. 0?10. 0 %黑色着色剂、以及 5. 0?15. 0%堇青石粉末的原材料经球磨混合组成。
[0009] 本发明的内容中：所述硅酸盐水泥熟料的主要化学组成及质量百分比为：氧化钙 62?67%、氧化硅20?25%、氧化铝4?7%、氧化铁2. 5?6. 0%、其他组分2?5%;例 如：氧化钙62. 25%、氧化硅24. 82%、氧化铝4. 38%、氧化铁5. 22%、氧化镁1. 39及其他 1. 94%。
[0010] 本发明的内容中：所述黑色着色剂可以是一种或两种以上无机颜料的混合物； [0011] 所述黑色着色剂较好的是铁氧体粉体、石墨、铜铬黑、以及铁锰黑等粉体中的任一 种或两种以上的混合物。该无机黑色颜料的热稳定好、化学稳定性好。
[0012] 本发明的内容中：所述堇青石是一种天然矿物材料，是一种娃酸盐矿物， 具有玻璃光泽，能够在加热时放出更多的远红外线；所述堇青石的主要化学式为 2Mg0 · 2A1203 · 5Si02，该氧化物组成及质量百分比例为：Mg013. 78 %、Α120334· 86 %、 Si0251. 36% ;所述堇青石的主要化学组成及质量百分比为：氧化镁13. 6?16. 6%、氧化铝 32. 2 ?34. 9%、氧化硅 49. 4 ?51. 6%。
[0013] 本发明的另一内容是：一种可蓄热的黑体水泥的制备方法，其特征是步骤为：
[0014] a、配料：按75. 0?85. 0%硅酸盐水泥熟料、2. 4?4. 0%二水石膏、2. 0?10. 0% 黑色着色剂、以及5. 0?15. 0%堇青石粉末的组分及质量百分配比取各原材料；
[0015] b、球磨：采用干法球磨工艺，将原材料投入到球磨机内，球磨机磨筒转速为43? 47r/min、原材料在球磨机内停留时间29?31min，原材料经球磨混合后，即制得可蓄热的 黑体水泥。
[0016] 所述球磨机的型号可以为SM-500(磨筒内径及长度：(p5(K)x500mm，研磨体装载 量：100kg，入磨物料装载量：< 5kg)。
[0017] 本发明的另一内容中：步骤a中所述各原材料（即入磨物料）的粒度较好的为 <7mm〇
[0018] 本发明的另一内容中：步骤a中所述硅酸盐水泥熟料的主要化学组成及质量百分 比为：氧化钙62?67%、氧化硅20?25%、氧化铝4?7%、氧化铁2. 5?6. 0%、其他组 分2?5%;例如：氧化钙62. 25%、氧化硅24. 82%、氧化铝4. 38%、氧化铁5. 22%、氧化镁 1.39 及其他 1.94%。
[0019] 本发明的另一内容中：步骤a中所述黑色着色剂较好的是铁氧体粉体、石墨、铜铬 黑、以及铁锰黑等粉体中的任一种或两种以上的混合物。该无机黑色颜料的热稳定好、化学 稳定性好。
[0020] 本发明的另一内容中：步骤a中所述堇青石是一种天然矿物材料，是一种娃酸 盐矿物，具有玻璃光泽，能够在加热时放出更多的远红外线；所述堇青石的主要化学式 为2Mg0 · 2A1203 · 5Si02，该氧化物组成及质量百分比例为：Mg013. 78 %、Α120334· 86 %、 Si0251. 36% ;所述堇青石的主要化学组成及质量百分比为：氧化镁13. 6?16. 6%、氧化铝 32. 2 ?34. 9%、氧化硅 49. 4 ?51. 6%。
[0021] 所述的黑体水泥组成原料中胶凝组分的凝结时间调节剂，即二水石膏，其化学式 中含有两个结晶水，其中S0 3质量百分比含量大于42. 6%。
[0022] 本发明制得的黑体水泥，加入适量的水，搅拌均匀，通过模具浇筑成型并经过自 然养护，则可做成蓄热性能和导热性能良好的水泥材料。由此制得的净浆的导热系数 0. 82±0. 1W · (m ·ΚΓ，蓄热系数18. 15±0. 5W(m2 ·ΚΓ。净浆固化后，按真空辐射系数测量 法，其黑体辐射系数〇. 60?0. 72。
[0023] 所述黑体水泥的真空黑体辐射系数测定方法，真空度为0. 96?0. 98,测定温度 70±2°C。
[0024] 本发明所制备黑体水泥的蓄热系数，计算公式为：
[0025] S = 0· 51 · λ · α · p
[0026] 式中：s-蓄热系数[W(m2 · ΚΓ1]
[0027] λ --导热系数[W (m · ΚΓ1]
[0028] α-导温系数[m2/h]
[0029] p--三块试件的平均表观密度[kg/m3]
[0030] 与现有技术相比，本发明具有下列特点和有益效果：
[0031] (1)采用本发明，黑体水泥的原材料组成中，硅酸盐水泥熟料作为水泥制品强度的 来源，二水石膏为硅酸盐水泥熟料粉磨后的调凝剂，黑色着色剂主要作用为增强本水泥固 化后的材料对阳光的吸收率，堇青石粉末作为一种受热可放出远红外线材料的辅料，主要 作用为增强本水泥凝固后的块体的对热量的传递；
[0032] (2)本发明采用无机黑色染料（即黑色着色剂），由于染料的黑度系数0. 95以 上，通过与使高红外辐射材料相结合，实现了热的快速传导和储存；同时由于加入了低热 膨胀系数的堇青石（1. δοχκτττ1)，使胶凝体系的热膨胀系数从17. lxio+CT1降到 ejxio+cr1，从而与石灰石等低膨胀系数asxio+cr1)的骨料具有更好的热应变匹 配，从而能够在高温下保持稳定的蓄热能力和辐射能力，同时使水泥浇筑后的块状物在比 较高的温度下不会因为局部膨胀量太大而发生崩裂分解；
[0033] (3)采用本发明，制得的黑体水泥，加入适量的水，搅拌均匀，通过模具浇筑成型并 经过自然养护，则可做成蓄热性能和导热性能良好的水泥材料；由此制得的净浆的导热系 数0. 82±0. 1W · (m ·ΚΓ，蓄热系数18. 15±0. 5W(m2 ·ΚΓ ;净浆固化后，按真空辐射系数测 量法，其黑体辐射系数0. 60?0. 72 ;
[0034] (4)采用本发明，制得的黑体水泥的比表面积在350 ± 50m2/kg左右，标准稠度用水 量28% ±1%，初凝时间236±15min，终凝时间298±15min，3天抗压强度28. 7±5MPa，28 天抗压强度44. 6±5MPa，安定性合格；制得的黑体水泥颜色黑度高，黑体辐射系数高，蓄热 系数大，浇筑成大体积块状固体后，可作为大型蓄热工程用材料；是具有一定强度、导热性 能好、蓄热系数大的蓄热体；是蓄热性能、热辐射、热扩散性能良好的水泥材料；
[0035] (5)本发明采用硅酸盐水泥熟料，普通的调凝材料和自然矿物材料，成本低、原材 料易得，便于规模扩大化；制备工艺简单，工序简便，容易操作；所制备的黑体水泥，细度等 物理性能与普通水泥相近，与使用习惯相同，因此易于施工，实用性强。
【具体实施方式】
[0036] 下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围 的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调 整，仍属于本发明的保护范围。
[0037] 实施例1 :
[0038] -种可蓄热的黑体水泥及其制备方法：
[0039] A、黑体水泥配料：将原材料硅酸盐水泥熟料、二水石膏、铁氧体粉、堇青石粉按照 质量百分比硅酸盐水泥熟料75%、二水石膏2. 4%、铁氧体粉10%、堇青石粉12. 6%计量。
[0040] B、将各原材料按照计量比加入球磨机中以45r/min的速度进行粉磨。制得水泥的 比表面积为3560m2/kg。
[0041] C、通过上述的配料方案和粉磨工艺，制得的黑体水泥的凝结时间正常，其中初凝 时间24311^11，终凝时间2941^11，标准稠度用水量28%左右，3天抗压强度27.310^，28天强 度43. 2MPa，安定性合格。
[0042] D、上述工艺制备的黑体水泥的净浆。按照真空黑体辐射系数测定方法要求制样 后，测得固化后块体的黑体辐射系数0.64;按照蓄热系数测定方法制样后，测得样品的蓄 热系数为 17.96W(m2 · ΚΓ1。
[0043] 实施例2 :
[0044] A、黑体水泥配料：将原材料硅酸盐水泥熟料、二水石膏、铁氧体粉、堇青石粉按照 质量百分比硅酸盐水泥熟料80 %、二水石膏3 %、铁氧体粉8 %、堇青石粉9 %计量。
[0045] B、将各原材料按照计量比加入球磨机以45r/min的速度进行粉磨。制得水泥的比 表面积为3650m2/kg。
[0046] C、通过上述的配料方案和粉磨工艺，制得的黑体水泥的凝结时间正常，标准稠 度用水量28 %左右，初凝时间238min，终凝时间274min，3天强度28. 2MPa，28天强度 44. 3MPa，安定性合格。
[0047] D、上述工艺制备的黑体水泥的净浆。按照真空黑体辐射系数测定方法要求制样 后，测得固化后块体的黑体辐射系数0.69;按照蓄热系数测定方法制样后，测得样品的蓄 热系数为 18. 24W(m2 ·ΚΓ。
[0048] 实施例3 :
[0049] Α、黑体水泥配料：将原材料硅酸盐水泥熟料、二水石膏、石墨粉、堇青石粉按照质 量百分比硅酸盐水泥熟料80%、二水石膏3%、铁氧体粉3%、堇青石粉14%计量。
[0050] B、将各原材料按照计量比加入球磨机以45r/min的速度进行粉磨。制得水泥的比 表面积为3680m2/kg。
[0051] C、通过上述的配料方案和粉磨工艺，制得的黑体水泥的凝结时间正常，标准稠 度用水量29 %左右，初凝时间247min，终凝时间286min，3天强度29. 2MPa，28天强度 45.4MPa，安定性合格。
[0052] D、上述工艺制备的黑体水泥的净浆。按照真空黑体辐射系数测定方法要求制样 后，测得固化后块体的黑体辐射系数〇. 72 ;按照蓄热系数测定方法制样后，测得样品的蓄 热系数为 18. 45W(m2 · ΚΓ1。
[0053] 实施例4 :
[0054] A、黑体水泥配料：将原材料硅酸盐水泥熟料、二水石膏、铬铁黑、堇青石粉按照质 量百分比硅酸盐水泥熟料75%、二水石膏2. 5%、铁氧体粉5%、堇青石粉17. 5%计量。
[0055] B、将各原材料按照计量比加入球磨机以45r/min的速度进行粉磨。制得水泥的比 表面积为3720m2/kg。
[0056] C、通过上述的配料方案和粉磨工艺，制得的黑体水泥的凝结时间正常，标准稠 度用水量28 %左右，初凝时间236min，终凝时间278min，3天强度28. IMPa，28天强度 44.6MPa，安定性合格。
[0057] D、上述工艺制备的黑体水泥的净浆。按照真空黑体辐射系数测定方法要求制样 后，测得固化后块体的黑体辐射系数0.68;按照蓄热系数测定方法制样后，测得样品的蓄 热系数为 18. 14W(m2 · ΚΓ1。
[0058] 实施例5 :
[0059] -种可蓄热的黑体水泥，由质量百分比及组分为80%硅酸盐水泥熟料、3. 2%二水 石膏、6. 8%黑色着色剂、以及10%堇青石粉末的原材料经球磨混合组成。
[0060] 实施例6 :
[0061] 一种可蓄热的黑体水泥，由质量百分比及组分为85. 0%硅酸盐水泥熟料、4. 0%二 水石膏、5. 0 %黑色着色剂、6. 0 %堇青石粉末的原材料经球磨混合组成。
[0062] 实施例7?13 :
[0063] 一种可蓄热的黑体水泥，由质量百分比及组分为75. 0?85. 0%硅酸盐水泥熟料、 2. 4?4. 0 %二水石膏、2. 0?10. 0 %黑色着色剂、以及5. 0?15. 0 %堇青石粉末的原材料 经球磨混合组成；各实施例中各原料组分的具体质量百分比用量见下表：
[0064]
【权利要求】
1. 一种可蓄热的黑体水泥，其特征是：由质量百分比及组分为75. 0?85.0%硅酸盐水 泥熟料、2. 4?4. 0 %二水石膏、2. 0?10. 0 %黑色着色剂、以及5. 0?15. 0 %堇青石粉末的 原材料经球磨混合组成。
2. 按权利要求1所述可蓄热的黑体水泥，其特征是：所述硅酸盐水泥熟料的主要化学 组成及质量百分比为：氧化钙62?67%、氧化硅20?25%、氧化铝4?7%、氧化铁2. 5? 6. 0%、其他组分2?5%。
3. 按权利要求1所述可蓄热的黑体水泥，其特征是：所述黑色着色剂是一种或两种以 上无机颜料的混合物。
4. 按权利要求3所述可蓄热的黑体水泥，其特征是：所述黑色着色剂是铁氧体粉体、石 墨、铜铬黑、以及铁锰黑等粉体中的任一种或两种以上的混合物。
5. 按权利要求1所述可蓄热的黑体水泥，其特征是：所述堇青石的主要化学组成及质 量百分比为：氧化镁13. 6?16. 6%、氧化铝32. 2?34. 9%、氧化硅49. 4?51. 6%。
6. -种可蓄热的黑体水泥的制备方法，其特征是步骤为： a、 配料：按75. 0?85. 0%硅酸盐水泥熟料、2. 4?4. 0%二水石膏、2. 0?10. 0%黑色 着色剂、以及5. 0?15. 0%堇青石粉末的组分及质量百分配比取各原材料； b、 球磨：将原材料投入到球磨机内，球磨机磨筒转速为43?47r/min、原材料在球磨机 内停留时间29?31min，原材料经球磨混合后，即制得可蓄热的黑体水泥。
7. 按权利要求6所述可蓄热的黑体水泥的制备方法，其特征是：步骤a中所述各原材 料的粒度<7mm。
8. 按权利要求6或7所述可蓄热的黑体水泥的制备方法，其特征是：步骤a中所述硅 酸盐水泥熟料的主要化学组成及质量百分比为：氧化钙62?67%、氧化硅20?25%、氧化 铝4?7%、氧化铁2. 5?6. 0%、其他组分2?5%。
9. 按权利要求6或7所述可蓄热的黑体水泥的制备方法，其特征是：步骤a中所述黑色 着色剂是铁氧体粉体、石墨、铜铬黑、以及铁锰黑等粉体中的任一种或两种以上的混合物。
10. 按权利要求6或7所述可蓄热的黑体水泥的制备方法，其特征是：所述堇青石的主 要化学组成及质量百分比为：氧化镁13. 6?16. 6 %、氧化铝32. 2?34. 9 %、氧化硅49. 4? 51. 6%。
【文档编号】C04B28/14GK104230290SQ201410443519
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】朱晓燕, 王鲁岩, 包文忠, 张黎, 靳冬民, 赵文新 申请人:新疆天山水泥股份有限公司