聚乙二醇相變儲能混凝土的制備及其升溫速率研究

全國中文核心期刊新型建筑村料中國科技核心期刊聚乙二醇相變儲能混凝土的制備及其升溫速率研究.趙乘壽,倪旭萍2,韓國斌),李娜1(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院消防工程系,四川成都610031;2.浙江安防職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州325016)摘要:混凝土的升溫速率對其抗火性能具有重要影響，以SiO2封裝聚乙二醇的固-固相變儲能材料部分代替混凝土的細骨料制備了聚乙二醇相變儲能混凝土,采用DSC法研究了相變儲能材料的添加量對混凝土儲能密度的影響,進(jìn)而采用有限元法研究了混凝:土儲能密度對其升溫速率的影響。結果表明:混凝土的儲能密度隨著(zhù)相變材料添加量的增加而增大:隨著(zhù)混凝土儲能密度的增大,其內部的升溫速率呈明顯遞減趨勢。關(guān)鍵詞:混凝t;相變儲能;升溫速率;有限元分析法中圖分類(lèi)號:TU111.4文獻標識碼:A文章編號: 1001-702X (2015)12- 0017-04Preparation of phase -changing energy- storage concrete with polyethylene glycol and study of its heating rateZHAO Chengshou',NI Xuping, HAN Guobin',LI Na'(1.Deartment of Fire Proection Engineering, Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiao TongUniverityChengdu 610031,Sichuan, China; 2hejiang Insiute of Security Technology, w enzhou 325016, Zhejiang, China)Abstract:' The heaing rate of concete has an imporant influence on its fire rsisance. Phase changing energy -torge con-crete with plyethylene gyol(PEC) was prepared by means of the fine agregate of concrete substituted by PEG encapsulated bySiO, (PEG/SiO2 phase change material). The efeet of PEG/SiO2 phase change material on the energy- -trage density of phase-changing enery storage concrete was studied by diferential scanning calorimetry (DSC). Futhermore the efet of energy- storagedensity of phase -changing energy storage concrete on its heating rate was measured by the finite element analysis method. The re-sults showed that energy- storage density of phase -changing enery storge concrete increased with the adding amount of PEG/SiO2phase change material, while its heaing -eate showed an obvious dereaing trend with adding amount of phase change malerials.Key words: concrete, phase changing energy storage,heating rtefinite element analysis method以及財產(chǎn)損失，因此研究如何提高混凝土結構的抗火性能就0引言顯得尤為重要。雖然混凝士是一種熱惰性建筑材料,具有不燃混凝土結構是我國目前乃至今后相當長(cháng)時(shí)期建筑結構的性,但其抗火性能差，在火災的高溫作用下,材料性能?chē)乐亓又饕问?但抗火性能-直是混凝土結構的薄弱環(huán)節,在化,從而使構件和結構性能大大削弱4,同時(shí)還會(huì )因構件或發(fā)生火災時(shí)往往會(huì )因結構損壞甚至坍塌而造成大量人員傷亡結構內 部溫度分布不均勻而導致裂縫甚至發(fā)生爆裂5日。目前已有不少學(xué)者對混凝土結構的抗火性能進(jìn)行了研究,研究?jì)然痦椖?國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51008259);容涉及高溫下混凝土結構性能的試驗研究,火災下混凝土結中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金資助(SWJTU09CX057)構構件的火災行為，通過(guò)有限元法分析研究火災下混凝土結構的溫度場(chǎng)分布和應力-應變分布等，以及通過(guò)制備新型高收稿日期:2015-08-03作者簡(jiǎn)介:趙乘壽,男, 1980年生,江西贛州人，副教授。通訊作者:倪性能混凝土來(lái)中國煤化工閻慧群等通過(guò);旭萍,地址:成都市高新區西部園區西南交通大學(xué)犀浦校區,E mail:研究高溫下以0.HCNM H a能，總結出了混nixuping89@126.com.凝土在高溫下及高溫后力學(xué)性能的退化規律。張振剛等哪對NEW BUILDING MATERIALS●17..趙乘壽,等:聚乙二醇相變儲能混凝土的制備及其升溫速率研究一災燃燒時(shí)間,h。的升溫速率進(jìn)行了計算分析，節點(diǎn)坐標為(.00,0.025,0。溫度場(chǎng)計算中，邊界條可按已知物體邊界上的熱流密度72 普通混凝土和聚乙二醇相變儲能混凝土的熱工性能參數確定,見(jiàn)式(2):PEG- 6000 儲能密度熱傳導系數比熱容密度T|=Ts; TIef(xry,z,t)2)項目含量/% 1(/g) /W/(m*K)] /J/(kg*K)]/kg/m)式中:G一物體邊界;普通混凝土01.79955.62313To- - -已知溫度， 取20C;相變混凝土6.8.221.151556.1 2143f(x,y,z,t)--已知溫 度函數。3結果分析與討論2.2 建模與計算為了研究PEG/SiO2相變儲能材料的添加對混凝土在火3.1相變儲 能混凝土的儲能性能分析與討論災高溫下溫度場(chǎng)分布和升溫速率的影響，本文采用ANSYS軟圖3是PEG -6000不同含量的相變儲能混凝土的儲能密件分別建立了尺寸為500 mmx500 mmx50 mm的普通混凝度曲線(xiàn)。土板實(shí)體模型和聚乙二醇相變儲能混凝土板模型,見(jiàn)圖1(a)和圖2(a)。模型上表面為受火面,底面固定，由于溫度和壓力- .實(shí)際焓值▲理論焓值荷載均沿縱軸Y方向施加,為了能清楚顯示混凝土板在Y方向的溫度梯度和應力應變場(chǎng),根據軸對稱(chēng)性,選取混凝土板縱截面上寬度為10 mm、高度為50 mm的矩形面建立二維的幾何模型，用不對稱(chēng)網(wǎng)格將模型劃分為10 個(gè)單元,如圖1(b)和圖2(b)所示，單元大小沿Y軸正方向遞減，并選擇PLANE558軸對稱(chēng)單元進(jìn)行分析求解問(wèn)。PEG含量/%圖3 PEG -6000不同含量的相變儲能混凝土的儲能密度曲線(xiàn)從圖3可以看出，相變混凝土的儲能密度隨著(zhù)儲能材料PEC 6000含量的增大呈現近似線(xiàn)性增長(cháng)，這是由于混凝土的儲能能力主要依靠聚乙二醇的相變反應來(lái)實(shí)現，因此儲能材料含量越多,相變混凝土的儲能密度就越大，且實(shí)驗測出的(a)實(shí)體模型.(6)有限元模型焓值與理論計算的焓值相近，從而也證實(shí)了實(shí)驗數據的準確圖1普通混凝土板模型生。3.2 聚乙二醇相變儲能混凝土內部中心節點(diǎn)升溫速率分析與討論圖4、圖5分別是普通混凝土板與聚乙二醇相變混凝土板(PEC 600含量為6.7%)的有限元分析模型在升溫10 min|后溫度場(chǎng)分布的模擬結果。(a)實(shí)體模型(b)有限元模型7AN圖2聚乙二醇相變儲能混凝土板模型初始溫度取20 C,假設系統邊界上的溫度函數已知,溫度和壓力荷載均沿縱軸Y方向施加，相關(guān)熱工性能參數"見(jiàn)表2。設定模型計算時(shí)長(cháng)為600 s,打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(cháng)，步長(cháng)上下限分別為30s和100so在圖1和圖2所示的有限元模型上分別輸入普通混凝土和聚乙二醇相變混凝土的熱工參數進(jìn)中國煤化工行模擬計算.為了研究混凝土儲能密度對其升溫速率的影響，圖4升YH. CNMH C場(chǎng)分布云圖分別對普通混凝土板和聚乙二醇相變混凝土板內部中心節點(diǎn)NEW BUILDING MATERIALS●19.