聚乙二醇相变储能混凝土的制备及其升温速率研究.pdf

全 国中文核心期刊 新 鲤 建蟓 中 国 科 技 核 心 期 刊 聚乙二醇相变储能混凝士的 制备及其升温速率研究 赵乘寿 ， 倪旭萍 ， 韩国斌 ， 李娜 ( 1 西南交通大学 地球科学与环境工程 学院消防工程系 ， 四川 成都6 1 0 0 3 1 2 浙江安防职业技术学院， 浙江 温州3 2 5 0 1 6 ) 摘要： 混凝土的升温速率对其抗火性能具有重要影响， 以S i O 封装聚乙二醇的固一 固相变储能材料部分代替混凝土的细骨料 制备 了聚Z, z醇相变储 能混凝土 ， 采用 D S C法研究 了相变储能材料的添加量对混凝土储 能密度 的影 响， 进而采 用有限元法研究 了 混凝土储能密度对 其升温速率 的影响 。 结果表 明： 混凝土的储能密度 随着相变材料添加量的增加而增大； 随着混凝土储 能密度 的增 大 ， 其 内部的升温速率呈 明显递减趋势。 关键词： 混凝土； 相变储能； 升温速率； 有限元分析法 中图分类号： T U 1 l 1 4 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 1 7 0 4 Pre par a t i on of pha s e c han gi ng e ne r g y s t or ag e c o nc r e t e wi t h pol ye t hyl e ne gl yc o l a nd s t udy o f i t s he at i ng r at e Z H A 0 C h e n g s h o u ， N I X u p i n f ， H A N G u o b i n ， L I N a ( 1 De p a r t me n t o f F i r e Pr o t e c t i o n En g i n e e r i n g ， F a c u l t y o f Ge o s c i e n c e s a n d En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g ， S o u t h we s t J i a o T o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， S i c h u a n ， C h i n a ； 2 Z h e j i a n g I n s t it u t e o f S e c u ri t y T e c h n o l o g y ， We n z h o u 3 2 5 0 1 6 ， Z h i a n g ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e h e a t i n g r a t e o f c o n c r e t e h a s a n i mp o r t a n t i n fl u e n c e o n i t s fi r e r e s i s t a n c e P h a s e c h a n gin g e n e r gy s t o r a g e c o n c r e t e wi t h p o l y e t h y l e n e g l y c o l ( P EG) wa s p r e p a r e d b y me a n s o f t h e fin e a g g r e g a t e o f c o n c r e t e s u b s t i t u t e d b y PEG e n c a p s u l a t e d b y S i 0 2 ( P E G S i 0 2 p h a s e c h a n g e ma t e r i a 1 ) T h e e ff e c t o f P E G S i O 2 p h a s e c h a n g e m a t e r i a l o n t h e e n e r gy s t o r a g e d e n s i t y o f p h a s e c h a ng i n g e n e r g y s t o r a g e c o n c r e t e wa s s t u d i e d b y d i f f e r e n t i a l s c a n n i ng c a l o rime t r y ( DS C) F u rth e r mo r e t h e e f f e c t o f e n e r g y s t o r a g e d e n s i t y o f p h a s e c h a n gi n g e n e r gy s t o r a g e c o n c r e t e o n i t s h e a t i n g r a t e w a s m e a s u r e d b y t h e f i n i t e e l e me n t a n aly s i s m e t h o d T h e r e s u i t s s h o we d t h a t e n e r g y s t o r a g e d e ns i t y o f p h a s e c h a n g ing e n e r g y - s t o r a g e c o n c r e t e i n c r e a s e d wi t h t h e a d d i n g a mo u n t o f PEG S i 02 ph a s e c h a n g e ma t e r i al， wh i l e i t s h e a t i n g -r a t e s ho we d a n o b v i o u s d e c r e a s i n g t r e n d wi t h a d di n g a mo u n t o f p h a s e c h a n g e ma t e r i als Ke y wo r d s ： c o n c r e t e ， p h a s e c h a n g i n g e n e r gy s t o r a g e ， h e a t i n g r a t e ， fi n i t e e l e me n t ana l y s i s m e t h o d 0 引言 混凝土结构是我国目前乃至今后相当长时期建筑结构的 主要形式【 1 - 2 ， 但抗火性能一直是混凝土结构的薄弱环节， 在 发生火灾时往往会因结构损坏甚至坍塌而造成大量人员伤亡 基金项目： 国家 自 然科学基金青年基金项目( 5 1 0 0 8 2 5 9 ) ： 中央高校基本科研业务费专项资金资助 ( s wJ T u 0 9 C X0 5 7 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 0 3 作 者简介 ： 赵乘寿 ， 男 ， 1 9 8 0年生， 江西赣州人 ， 副教授 。通讯作者 ： 倪 旭萍， 地 址： 成都市高新区西部园区西南交通大学犀浦校区 ， E ma i l ： nix u p i n g 8 9 1 2 6 e o m。 以及财产损失，因此研究如何提高混凝土结构的抗火性能就 显得尤为重要。 虽然混凝土是一种热惰性建筑材料， 具有不燃 性， 但其抗火性能差， 在火灾的高温作用下， 材料性能严重劣 化， 从而使构件和结构性能大大削弱3 - 4 1 ， 同时还会因构件或 结构内部温度分布不均匀而导致裂缝甚至发生爆裂5 - 6 1 。目 前 已有不少学者对混凝土结构的抗火性能进行了研究， 研究内 容涉及高温下混凝土结构性能的试验研究， 火灾下混凝土结 构构件的火灾行为，通过有限元法分析研究火灾下混凝土结 构的温度场分布和应力一 应变分布等，以及通过制备新型高 性能混凝土来提高混凝土结构的抗火性能。阎慧群等7 1 通过 研究高温下以及高温后钢筋混凝土结构的性能， 总结出了混 凝土在高温下及高温后力学性能的退化规律。张振刚等8 1 对 J 仁 I D l II n T D J I C 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵乘寿， 等： 聚乙二醇相变储能混凝土的制备及其升温速率研究 钢筋混凝土双向简支板的火灾行为进行了试验研究，得出了 双向板在受火过程中板的温度场分布规律、板平面外的变形 和板边转角改变情况。郑永乾等嘲 用A N S Y S 分析钢一 混凝土 柱的温度场， 获得了构件截面温度的分布规律。肖 建庄等 q 对 高性能混凝土抗火性能研究的最新成果进行了分析，提出了 改进高性能混凝土结构抗火性能的建议。混凝土的升温速率 对其抗火性能具有重要影响，而相变储能材料的添加又可以 改变混凝土的升温速率。 本文以S i O 封装聚乙二醇的固一 固相变储能材料部分代 替混凝土的细骨料制备了聚乙二醇相变储能混凝土，采用 D S C法研究了相变储能材料添加量对混凝土储能密度的影 响，进而采用有限元法研究了混凝土储能密度对其升温速率 的影响。 1 相变储能混凝土的制备及其储能性能测试 1 1 原材料 聚L-醇( P E G 一 6 0 0 0 ) ， 平均相对分子质量为6 0 0 0 ， 分析 纯， 成都市科龙化工试剂厂； 四氯化硅( S i C D， 工业品， 四川永 祥股份有限公司； 氢氧化钠， 分析纯， 成都市科龙化工试剂厂； 水泥， P 0 3 2 5 ， 拉法基瑞安水泥有限公司。 1 2 聚乙二醇相变储能混凝土的制备 采用溶胶一 凝胶法制备S i O 封装聚L-醇的固一 固相变 储能材料【 l l 】 I 解决固一 液相变储能物质 P E G相变后的流动性。 研究发现， S i O 包覆储能物质聚L- - 醇的含量最高可达 8 5 ， 但是当聚乙二醇的含量达到8 5 时相变材料性能的稳定性 较差l 】 ” 。 本着储能密度尽可能大和材料性能稳定的原则， 本文 选择制备聚L-醇含量为8 0 fl 定形性相变储能材料。 称取1 6 g 的储能物质P E G 一 6 0 0 0 倒入三口 瓶中， 加入3 2 m l 的蒸馏水， 在室温下利用磁力搅拌器搅拌使之完全溶解形 成均匀溶液并持续搅拌。接着利用恒压滴液漏斗逐滴将7 7 I I l l 的四氯化硅缓缓滴入溶液中， 四氯化硅水解， 发生溶胶一 凝 胶化， 静置0 5 h 后， 溶胶转变为果冻状的凝胶， 取出产品， 置 于鼓风干燥箱中在8 0 下干燥 7 2 h ， 脱水和脱除残余氯化氢 成为干凝胶， 置于研钵中研细得到定形性相变储能材料。 由于制备的定形性相变储能材料为干凝胶形式，实验发 现干凝胶遇水经搅拌容易吸水凝胶一 溶胶化，为了解决该问 题， 本文用水泥对定形性相变储能材料进行了疏水改性， 制备 出改性定形性相变储能材料。 称取6 0 g 制各好的定形性相变 储能材料置于研钵中， 再加入2 0 g 水泥混合均匀， 最后分次 少量加入9 2 m l 水， 且每次加水后搅拌均匀， 静置1 2 h 得到 强度较低的块状固体，最后将其粉碎至混凝土中细骨料砂的 细度。 1 8 新型建筑材料 2 0 1 5 1 2 参照C 2 5 普通混凝土的配合比旧 ， 采用改性 P E G S i O 相 变储能材料通过等体积代替砂的方法来制备聚乙二醇相变储 能混凝土。配合比见表 1 。成型后在2 0 、 相对湿度不小于 9 5 的环境下养护2 8 d 后得到相变储能混凝土样品 l l1 。 表 1 不同储能密度的相变储能混凝土的配合比 注 ： 改性 P E G S i O 相变储能材料通过等体积 代替砂 的方法 来制 备聚 乙二醇相变储能混凝土 时， 相变储 能材料全部代替砂 时， 配合比 中材料为 2 6 8 k g ms 最佳， 因此 ： 储 能 材 料 的 配 合 比 = 罐 ；l 质 量 z 6 s ， 砂 的 配 合 比 = 瓣 要 5 硒 i 质 菖 6 0 5 。 1 3 储能性能的测试 采用德国N e t z s c h 公司D S C 一 4 0 4 C型差示扫描量热仪， 在 流量为2 0 m l m i n的氮气气氛下对不同储能密度的相变混凝 土的性能进行测试， 测试温度范围2 0 1 0 0 0 C ， 温升速率为 1 0 C m i n 。 2 建模与计算 2 1 计算原理 温度场一般有稳态和瞬态 2 种， 在稳态温度场下， 物体内 部的温度恒定， 不随时间变化， 而在瞬态温度场中， 物体内各 点温度随时间推移而不断变化。高温下混凝土板的温度场一 般看作是三维非线性瞬态温度场，且在做结构抗火分析时通 常忽略混凝土材料本身的热效应， 因此应满足式( 1 ) 的热传导 微分方程【 3 1 ： ： ( + + ) ( 1 ) t c p 厂 式中： 卜混凝土内部的温度， ； c 混凝土的比热容， J ( k g K ) ； p 混凝土的密度， k g m ： A 混凝土的热传导系数， W ( m ) ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m