聚乙二醇相变储能混凝土的制备及其升温速率研究

全国中文核心期刊新型建筑村料中国科技核心期刊聚乙二醇相变储能混凝土的制备及其升温速率研究.赵乘寿,倪旭萍2,韩国斌),李娜1(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610031;2.浙江安防职业技术学院，浙江温州325016)摘要:混凝土的升温速率对其抗火性能具有重要影响，以SiO2封装聚乙二醇的固-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DSC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t;相变储能;升温速率;有限元分析法中图分类号:TU111.4文献标识码:A文章编号: 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以及财产损失，因此研究如何提高混凝土结构的抗火性能就0引言显得尤为重要。虽然混凝士是一种热惰性建筑材料,具有不燃混凝土结构是我国目前乃至今后相当长时期建筑结构的性,但其抗火性能差，在火灾的高温作用下,材料性能严重劣主要形式,但抗火性能-直是混凝土结构的薄弱环节,在化,从而使构件和结构性能大大削弱4,同时还会因构件或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结构内 部温度分布不均匀而导致裂缝甚至发生爆裂5日。目前已有不少学者对混凝土结构的抗火性能进行了研究,研究内基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(51008259);容涉及高温下混凝土结构性能的试验研究,火灾下混凝土结中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU09CX057)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-应变分布等，以及通过制备新型高收稿日期:2015-08-03作者简介:赵乘寿,男, 1980年生,江西赣州人，副教授。通讯作者:倪性能混凝土来中国煤化工阎慧群等通过;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 mail:研究高温下以0.HCNM H a能，总结出了混nixuping89@126.com.凝土在高温下及高温后力学性能的退化规律。张振刚等哪对NEW BUILDING MATERIALS●17..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一灾燃烧时间,h。的升温速率进行了计算分析，节点坐标为(.00,0.025,0。温度场计算中，边界条可按已知物体边界上的热流密度72 普通混凝土和聚乙二醇相变储能混凝土的热工性能参数确定,见式(2):PEG- 6000 储能密度热传导系数比热容密度T|=Ts; TIef(xry,z,t)2)项目含量/% 1(/g) /W/(m*K)] /J/(kg*K)]/kg/m)式中:G一物体边界;普通混凝土01.79955.62313To- - -已知温度， 取20C;相变混凝土6.8.221.151556.1 2143f(x,y,z,t)--已知温 度函数。3结果分析与讨论2.2 建模与计算为了研究PEG/SiO2相变储能材料的添加对混凝土在火3.1相变储 能混凝土的储能性能分析与讨论灾高温下温度场分布和升温速率的影响，本文采用ANSYS软图3是PEG -6000不同含量的相变储能混凝土的储能密件分别建立了尺寸为500 mmx500 mmx50 mm的普通混凝度曲线。土板实体模型和聚乙二醇相变储能混凝土板模型,见图1(a)和图2(a)。模型上表面为受火面,底面固定，由于温度和压力- .实际焓值▲理论焓值荷载均沿纵轴Y方向施加,为了能清楚显示混凝土板在Y方向的温度梯度和应力应变场,根据轴对称性,选取混凝土板纵截面上宽度为10 mm、高度为50 mm的矩形面建立二维的几何模型，用不对称网格将模型划分为10 个单元,如图1(b)和图2(b)所示，单元大小沿Y轴正方向递减，并选择PLANE558轴对称单元进行分析求解问。PEG含量/%图3 PEG -6000不同含量的相变储能混凝土的储能密度曲线从图3可以看出，相变混凝土的储能密度随着储能材料PEC 6000含量的增大呈现近似线性增长，这是由于混凝土的储能能力主要依靠聚乙二醇的相变反应来实现，因此储能材料含量越多,相变混凝土的储能密度就越大，且实验测出的(a)实体模型.(6)有限元模型焓值与理论计算的焓值相近，从而也证实了实验数据的准确图1普通混凝土板模型生。3.2 聚乙二醇相变储能混凝土内部中心节点升温速率分析与讨论图4、图5分别是普通混凝土板与聚乙二醇相变混凝土板(PEC 600含量为6.7%)的有限元分析模型在升温10 min|后温度场分布的模拟结果。(a)实体模型(b)有限元模型7AN图2聚乙二醇相变储能混凝土板模型初始温度取20 C,假设系统边界上的温度函数已知,温度和压力荷载均沿纵轴Y方向施加，相关热工性能参数"见表2。设定模型计算时长为600 s,打开自动时间步长，步长上下限分别为30s和100so在图1和图2所示的有限元模型上分别输入普通混凝土和聚乙二醇相变混凝土的热工参数进中国煤化工行模拟计算.为了研究混凝土储能密度对其升温速率的影响，图4升YH. CNMH C场分布云图分别对普通混凝土板和聚乙二醇相变混凝土板内部中心节点NEW BUILDING MATERIALS●19.