文摘

添加microencapsulated相变材料(MPCM)混凝土将不可避免地导致混凝土的机械和热性能的变化,这是至关重要的安全和节能混凝土建筑组件。在这个研究中,页岩陶粒和页岩陶砂为主要原料生产轻质集料混凝土(LWAC)与MPCM混合。为了研究MPCM内容和相变的影响周期数字MPCM-LWAC的机械和热性能,两组MPCM-LWAC标本准备。一组由标本含有2.5%,5.0%,7.5%,和10%的MPCM,分别和他们是用来揭示抗拉强度的变化规律,抗压强度,焓,比热容LWAC融入MPCM。另一组包括标本MPCM相同的内容,但标本受到不同相变循环50,100年、150年和200年的环境温度−60°C研究MPCM-LWAC的热性能。从实验结果包括以下结果:(1)MPCM-LWAC混凝土的抗拉和抗压强度与MPCM负相关内容,而焓和比热容与MPCM呈正相关内容。MPCM含量达到10%时,抗压和抗拉强度MPCM-LWAC下降,分别比无MPCM LWAC 45.49%和52.63%。(2)加热和养护条件下,对应的最大LWAC 10% MPCM比热容比LWAC没有MPCM高出328.35%和249.50%,分别和平均比热容增加71.21%和44.94%,分别。(3)熔化焓MPCM-LWAC略大于固化焓,比较明显的区别和MPCM内容的增加。此外,当相变循环的数量低于200的抗压强度和抗拉强度分裂MPCM-LWAC减少不到5%,而比热容减少不到1.33%。 Hence, it concludes that shale ceramsite concrete with MPCM has promising application prospects.

1。介绍

减少能源消耗具有重要意义的缓解全球变暖。三个行业的运输、工业和建筑占全球能源消费的97.88%。尤其是建筑业仅占大约30%的能源消费总量。能源用于制冷和加热保持室内舒适温度是建筑能耗的主要部分之一(1,2]。

化石燃料的使用,保持室内舒适温度增加了有害气体的排放。因此,可再生能源是一个主要的选择来提高建筑物的能源效率,如太阳能、风能和地热能。然而,这些可再生能源的间歇性特点限制他们的应用程序,除了相变材料(PCM)。PCM是目前的热点领域的建筑节能材料由于其独特的优势,尤其是大型蓄热单位体积,吸收和释放热量在恒定的温度下(3- - - - - -5]。更重要的是,PCM时保持良好的热稳定性被添加到建筑材料。

PCM经历相变根据环境温度的变化,这是伴随着热量的吸收和释放。当环境温度大于PCM的最小相变温度,它将从固体到液体和从环境中吸收热量,导致环境温度降低。当环境温度小于最大相变温度,它将从液体到固体和向环境释放热量,提高环境温度的增加。这种在不同环境温度下吸热和放热过程有助于调整环境温度波动的振幅。因此,将PCM嵌入建筑材料可以显著提高建筑材料的热惯性,防止过度的室内温度的突然变化。

世界各地的学者进行了广泛的研究,在应用领域的PCM的建筑材料,如添加PCM在混凝土、砂浆、石膏、木材。(6- - - - - -9]。其中,PCM混凝土不仅可以用作结构材料在不同的建筑结构也被用作功能材料保持室内舒适温度,这显示了一个好的建筑节能领域的应用前景[10,11]。

目前,学者们进行了实质性的研究在许多方面,如PCM的发展,PCM的添加方法,和储能混凝土机械和热性能12- - - - - -14]。根据这些研究成果,PCM建设领域常用的有机和无机固液PCM与相变温度10至30°C,如石蜡和水合盐。然而,对于无机PCM,在建筑领域的应用是有限的由于过冷和相分离的两个严重的缺点。

固液PCM,重复的过程中遇到了一些严重的问题固-液转换,如泄漏、PCM和混凝土之间的相互作用矩阵,降低传热效率。为了解决这些问题,形状相变聚合(15],macro-PCM [7],micro-PCM [13]。MPCM是一种新型的复合材料,由固液PCM粒子被稳定的聚合物薄膜包装。MPCM不仅提供了一个非常高的传热面积,还可以避免漏PCM (16,17]。此外,在混凝土中添加MPCM可以提高混凝土材料的储能能力,但存在负面影响力学性能。Pilehvar et al。18]研究了固化时间的影响,相州和PCM内容硅酸盐混凝土和地质聚合物混凝土的抗压强度实验。他们发现PCM地质聚合物混凝土的抗压强度比PCM在相同条件下硅酸盐混凝土。饥饿等。19)测量的导热系数和比热容PCMconcrete利用瞬态热丝法和自制的简易装置研究MPCM含量对热性能的影响。他们的发现是MPCM内容的增加将降低热导率,增加混凝土的比热容,从而有利于提高混凝土的热性能。然而,扫描电子显微镜(SEM)图像暴露的问题MPCM可能摧毁了在混合过程中,这将导致石蜡渗透混凝土矩阵。苧et al。20.)添加不同数量的MPCM波特兰水泥混凝土和发现添加MPCM混凝土提高了混凝土蓄热能力。

良好的机械和热稳定性的最基本前提是PCM-concrete的开发和利用。上面的文献表明,储能混凝土原材料的选择和生产工艺是不同的。现在具体的能量储存能力包含PCM缺乏合理的比较。然而,不同类型的机械和热性能PCM-concrete有很大的不同。因此,有必要进一步研究储能混凝土的机械和热性能与应用前景。

在这个研究中,MPCM-LWAC隔断墙被认为是研究背景。页岩陶粒页岩陶砂、MPCM和硅酸盐水泥为主要原材料是用来准备MPCM-LWAC标本。一系列的实验MPCM-LWAC的机械和热性能进行了研究MPCM内容和相变的影响周期数字抗拉强度、抗压强度、焓,MPCM-LWAC的比热容。在加热和养护条件下,进行比较研究,揭示了机械和热性能的变化规律与MPCM MPCM-LWAC内容和相变循环数。上面的研究奠定了基础MPCM-LWAC隔墙的开发和应用。

2。材料和方法

2.1。原材料的基本属性
2.1.1。轻骨料

在这个研究中,页岩陶粒直径8-20毫米和5 - 8毫米的选择和作为轻量级的粗骨料的质量比(LWCA) 4: 6和页岩陶砂直径3 - 5毫米,1 - 3毫米被选为混合的质量比4:6作为轻量级的细骨料(LWFA)。轻骨料的基本性质如表所示1。

表1
轻骨料的性质。
2.1.2。Microencapsulated相变材料(MPCM)

MPCM以聚甲基丙烯酸甲酯为壳材料和n-octadecane为核心材料是由河北Ruo-sen科技有限公司有限公司进行了实验调查的微观形态学MPCM利用扫描电子显微镜(SEM)。SEM图像的MPCM(图1),它可以发现MPCM直径1 - 3是球形。此外,MPCM的热性能研究进行差示扫描量热计(DSC)测试。MPCM的DSC曲线如图2显然,这礼物热流密度随温度的变化曲线在融化和固化过程。MPCM的相变温度范围从24.9°C到28.9°C的融化过程。相反,其相变温度范围从20°C到25.1°C在固化过程中。


图1
形态学MPCM的照片。

图2
热通量与温度曲线在其融化和固化过程。
2.1.3。水泥

水泥的等级P。42.5是一个商业普通硅酸盐水泥。根据通用硅酸盐水泥(gb175 - 2007)、水泥的物理性能和质量检测,如表所示2和3。水泥的抗压强度为3 d和28 d为27.2 MPa和54.9 MPa,及其挠曲强度为5.7 MPa和8.8 MPa,分别。

表2
水泥物理性能。
表3
P·O42.5水泥的质量检测。
2.1.4。水

自来水是用作测试水。它需要强调化学掺合料,如粉煤灰、空气夹带剂,减水剂不用于制备MPCM-LWAC避免外加剂和MPCM等之间的化学反应。

2.2。配合比设计

MPCM-LWAC标本的力量准备在这项研究中小于10 MPa由于轻质隔墙为研究背景。根据技术规范对轻骨料混凝土(jgj51 - 2002)、砂率和水灰比的确定为0.65和0.6,分别。与此同时,MPCM内容满足强度要求不应该超过10% (21]。MPCM-LWAC的混合比例是选为给定的表4满足这些条件。mpcm - lwac - 0.0%作为对照实验设计。MPCM-LWAC标本由取代LWFA MPCM相同数量。立方混凝土试件的大小为100×100×100毫米3。

表4
混合的比例MPCM-LWAC标本通过使用替换相同质量的方法。

3所示。实验程序

3.1。机械试验

为了确保MPCM-LWAC可以满足强度要求的轻质隔墙,有必要确定MPCM-LWAC的抗拉和抗压强度,研究其影响因素。的抗拉和抗压强度MPCM-LWAC MPCM内容的0%,2.5%,5.0%,7.5%,和10.0%,相变循环数字(0),50岁,100年,150年和200年由使用微机控制电液伺服压力试验机。

3.2。热测试
3.2.1之上。测试程序

差示扫描量热计(DSC)基于功率补偿被用来测试焓和比热容的MPCM-LWAC MPCM含量为0%,2.5%,5.0%,7.5%,和10.0%,同一物品MPCM-LWAC相变循环数字0,50岁,100年,150年和200年,分别。图3给制作标本的过程和测试仪器。


图3
标本制作和实验设备。
3.2.2。焓的计算原理

DSC测试是基于功率补偿,它能反映样本的焓的变化监测电源样品和参考之间的区别(蓝宝石)22]。DSC曲线的横坐标是时间或温度和热流的纵坐标可以通过DSC测试。功率补偿DSC测试的主要特征是,样本和参考有独立的加热器和热传感器。样本之间的温差和参考= 0°C通过调整加热功率的样本,这样的热流率可以直接计算补偿电源使用 在哪里 是补偿能力; 是单位时间内的热量提供给样品; 供热单位时间的参考对象,然后呢 焓变的速度。

释放的热量吸收或每单位质量的PCM在相变的过程中被称为相变焓,等于系统的焓变的过程中相变的数量。因此,测试样本的焓可以根据公式(2)计算。 在哪里 是PCM的焓, 和 DSC的开始时间和结束时间是峰值分别和 焓变的速度。

3.2.3。比热容的计算原则

比热容的测试样本由使用比较方法(图4)。空坩埚的DSC曲线、蓝宝石和样品测试从T1到T2在同样的实验条件。空坩埚的DSC曲线作为基线。根据样本的DSC曲线位置和蓝宝石,比热容的计算公式推导了样本: 在哪里 和 是蓝宝石的比热容和示例,分别J / g•°C。 和 蓝宝石和样品的质量是决定,分别 。 和 是确定的范围内样本之间的差异和蓝宝石的纵坐标。


图4
比热容的计算原理图基于DSC曲线。

4所示。实验结果分析

4.1。MPCM-LWAC的力学性能分析
以下4.4.1。的影响在抗拉和抗压强度MPCM-LWAC MPCM内容

的抗拉和抗压强度MPCM-LWAC MPCM不同内容所示数据5和6。从数据5和6,它可以发现的抗拉和抗压强度MPCM-LWAC MPCM内容的增加减少。与mpcm - lwac - 0.0%的标本相比,抗拉强度mpcm - lwac 2.5%, mpcm - lwac 5.0%, mpcm - lwac 7.5%,和mpcm lwac标本下降了10.66% - 10.0%,21.31%,34.84%,和45.49%,抗压强度下降了8.27%,22.3%,49.62%,和52.63%,分别。功能关系的影响显示MPCM内容在抗拉和抗压强度符合 在哪里 和 是MPCM-LWAC的抗压强度和抗拉强度,分别MPa; 是MPCM内容的质量分数,%。


图5
将抗拉强度之间的关系曲线和MPCM内容。

图6
抗压强度之间的关系曲线和MPCM内容。
4.1.2。相变的影响周期数字MPCM-LWAC的抗拉和抗压强度

数据7(一)和8(一个)显示抗压和抗拉强度的变化规律MPCM-LWAC相变循环的数量。数据7 (b)和8 (b)显示改变MPCM-LWAC试样的抗压和抗拉强度不同的相变循环数。

(一)
(一)
(b)
(b)
图7
相变循环的数量之间的关系曲线和抗压强度与相变循环的数量。(一)抗压强度的变化规律。(b)抗压强度变化的变化规律。
(一)
(一)
(b)
(b)
图8
相变循环的数量之间的关系曲线和分裂的抗拉强度与相变循环的数量。(一)分裂抗拉强度的变化规律。(b)分裂抗拉强度的变化规律与相变循环的数量变化。

数据显示7(一)和7 (b)mpcm - lwac - 0.0%的抗压强度试样发生相变循环50,100年,150年和200年不同减少−0.38%,0.77%,0.38%,和1.14%,分别。mpcm的抗压强度——lwac降低了−0.47% - 5.0%的标本,−0.09%,0.46%,和1.93%,分别。mpcm - lwac - 10.0%标本的抗压强度下降了0.58%,1.75%,2.92%,和3.51%,分别。MPCM内容时2.5%和相变循环的数字是200,抗压强度变化的最大值降低3.72%。

从数据8(一个)和8 (b)标本进行相变循环数后,0,50岁,100年,150年和200年,分裂抗拉强度的变化mpcm标本lwac - 0.0%下降了0.81%,0.41%,0.81%,和1.22%,分别。mpcm的抗拉强度的变化——lwac标本下降了0.51% - 5.0%,1.02%,2.03%,和3.04%,分别。的抗压强度变化mpcm标本lwac - 10.0%下降了1.44%,2.16%,2.88%,和4.32%,分别。当MPCM内容和相变循环的数字是200年是7.5%,分裂抗拉强度变化最大值下降4.90%。

根据上述结果,可以得出结论,抗压强度和抗拉强度分裂MPCM-LWAC展览减少与相变循环数的增加趋势。然而,减少数量的优势不超过5%,这并不足以影响材料的正常使用。

4.2。MPCM-LWAC的热特性分析
4.2.1。准备MPCM内容对MPCM-LWAC焓的影响

数据9(一个)和9 (b)MPCM-LWAC标本的DSC曲线不同MPCM内容。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
DSC曲线MPCM-LWAC MPCM不同内容。(一)吸热融化。(b)由凝固放热。

从数据可以看出9(一个)和9 (b)相变温度范围和量热信号形状的DSC曲线上显示MPCM-LWAC取决于MPCM的DSC曲线(图2)。此外,有两个明显的DSC曲线之间的差异在融化和固化过程。一是在DSC曲线有两座山峰在固化过程中,这是由于固液MPCM相变。其他的峰值温度MPCM-LWAC在固化过程中落后于融化过程中的峰值温度。

熔化焓和养护的焓MPCM-LWAC MPCM不同内容计算根据(2)。从图可以看出10熔化焓和养护MPCM-LWAC焓与MPCM呈正相关内容。混合物的LWAC MPCM并不影响MPCM的焓。熔化焓MPCM-LWAC略大于其固化焓,和不同的是更明显MPCM的越来越多。


图10
MPCM内容对融化和养护焓的影响。
4.2.2。相变循环数字MPCM-LWAC焓的影响

DSC测试进行了测量比热容的MPCM-LWAC不同相变循环数字0,50岁,100年,150年和200年。MPCM-LWAC比热容的计算根据(3)(在这里,比热容是指平均比热容在每个温度点)。计算结果如图所示11。从图11的最大和最小焓MPCM-LWAC MPCM不同内容。

(一)
(一)
(b)
(b)
图11
影响相变循环的数字MPCM-LWAC的焓。(一)吸热融化。(b)由固化放热。

接受0、50、100、150和200年相变循环数,MPCM-LWAC的焓的变化与不同MPCM内容的2.5%,5.0%,7.5%,和10%在融化过程中是7.16%,9.49%,6.57%,和3.94%,分别。在固化过程中焓的变化6.22%,3.11%,5.30%,和1.16%,分别。这表明,相变循环数小于200时,相变循环对潜热的影响不大。

在不同的相变循环数,通过DSC测试获得的焓没有明显的和常规的趋势。即MPCM-LWAC可能增加焓与相变循环数的增加或减少。这一现象的原因是,DSC测试需要统一的示例。然而,它不能保证MPCM每组样本中包含的内容是固定的,也不是其他组件的内容是一致的。

4.2.3。影响MPCM MPCM-LWAC比热容的内容

MPCM-LWAC比热容的计算根据(3),结果在12所示。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
MPCM-LWAC比热容与温度的曲线。(一)吸热融化。(b)由凝固放热。

比较数据12(一个)和12 (b)的比热容mpcm - lwac 0.0%范围内总是1.210±0.05 J / g°C在加热和治疗的整个过程,这表明温度影响不大的比热容mpcm lwac——0.0%。

在相变温度范围内(20 - 30°C), MPCM的比热容,lwac - 2.5%, 5.0%, 7.5%,和10%的迅速增加,以及比热容的增加成正比MPCM内容,这是由MPCM的相变特性决定的。的比热容MPCM-LWAC不变在相变温度范围之外。

比热容的变化趋势MPCM-LWAC MPCM温度是一致的,和峰值点的水平坐标MPCM也是一样的,这表明MPCM-LWAC MPCM的相变特性确定。

4.2.4。相变的影响周期数字MPCM-LWAC的比热容

数据(13日)和13 (b)相变的影响周期数字MPCM-LWAC的比热容。

(一)
(一)
(b)
(b)
图13
影响相变循环的数字MPCM-LWAC的比热容。(一)吸热融化。(b)由固化放热。

从数据(13日)和13 (b),可以发现,当相变循环数量少于200,相变循环对比热容的影响不大。比热容的最大变化是1.33%(的比热容是指平均比热容的−10∼60°C)。

基于相变的影响周期数字MPCM-LWAC的比热容,结果表明,MPCM-LWAC展品良好的热稳定性,这是具有重要意义的能量储存轻骨料混凝土的应用。

5。讨论

为了揭示PCM内容的影响,制备方法和测试方法PCM-concrete机械和热性能,实验结果从不同学者进行了总结和提出了数字14和15分别,而这项研究的结果。


图14
抗压强度之间的关系曲线和PCM内容通过不同的研究人员。

图15
比热容和MPCM内容之间的关系曲线,不同的研究人员。

从图14PCM-concrete抗压强度的测试,不同的学者有着广泛(不同从17到75 MPa),这主要是由于不同的原料选择、混合比例的决心,和准备过程。实验结果的趋势在这个研究和其他研究人员在图相似14,即添加PCM将不可避免地导致混凝土抗压强度的降低。值得注意的是,不同学者的研究成果的主要区别在图14的抗压强度不同PCM-concrete千差万别。摘要MPCM-LWAC选择有较低的强度,主要取决于原材料的性质和内容。

有三个主要原因造成的减少混凝土强度MPCM。MPCM的第一个原因是,机械性能较弱的取代砂,第二个原因是,MPCM-LWAC的孔隙度增加而MPCM内容的增加,第三个原因是MPCM内容越大,MPCM的聚合效应越强,导致混凝土成分的不均匀分布。

从图15,PCM的增加必然会导致混凝土的比热容的增加,以及增加与PCM的数量呈正相关。这一现象表明,PCM内容大大影响PCM混凝土的比热容。此外,PCM显示良好的混凝土混合料的水化反应的化学稳定性。在功能方面,PCM混凝土比热容越大,越有利于调整室内温度。与其他学者的实验结果图15,MPCM-LWAC选择这个研究有较大的比热容。

根据文献[30.],MPCM-LWAC的力量在这个研究可以进一步提高通过调整水泥等级,增加水泥和砂率的内容,同时保持比热容不变,这有助于扩大了这种材料的应用的范围。

6。结论

页岩陶粒混凝土的机械和热性能MPCM不同内容和不同的相变循环数量进行了调查。确定最佳的混合比例,和MPCM-LWAC标本不同MPCM内容准备。随后,MPCM-LWAC标本的机械和热性能进行了研究。实验结果如下:(1)MPCM-LWAC的力学性能与MPCM负相关内容。的抗拉和抗压强度MPCM-LWAC减少线性的增加MPCM内容。与mpcm - lwac - 0.0%的标本相比,抗拉强度mpcm - lwac 2.5%, mpcm - lwac 5.0%, mpcm - lwac 7.5%,和mpcm lwac标本下降了10.66% - 10.0%,21.31%,34.84%,和45.49%,分别。抗压强度下降了8.27%,22.93%,49.62%,和52.63%,分别。(2)的焓MPCM-LWAC MPCM含量呈正相关。在相变温度范围之外,MPCM-LWAC的比热容与温度的变化并没有改变,但在相变温度范围内,MPCM-LWAC变更的比热容与温度的变化极大。(3)相变循环数的增加,抗压强度、抗拉强度、和比热容MPCM-LWAC逐渐减少,但强度降低百分比小于5%,和最大的比热容减少比例是1.33%,这还不足以影响MPCM-LWAC的正常使用。(4)MPCM-LWAC的机械和热性能全面揭示在这篇文章中,它提供了一个基础的使用这种材料作为隔墙。

在进一步的研究中,预计MPCM-LWAC的机械和热性能改善通过调整水泥等级,水泥和MPCM内容、砂率等。这些研究有助于优化机械和热性能,然后扩大MPCM-LWAC材料的应用范围。

数据可用性

所需的原始/处理数据复制这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(号。50649028,50979092,52208289)。