相變儲能材料在混凝土結(jié)構(gòu)抗火中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、為了提高混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能，本論文從混凝土材料組成的角度出發(fā)，以四氯化硅為原料，采用溶膠-凝膠法制備出定形性相變儲能材料，再將定形性相變儲能材料添加到混凝土中制成相變儲能混凝土，預(yù)期通過利用相變材料的儲能能力增大混凝土比熱容的方法來達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的目的。本論文開展了定形性相變儲能材料的制備與表征、相變儲能混凝土的制備與性能測試以及儲能混凝土構(gòu)件在火災(zāi)下溫度場和應(yīng)力場的有限元分析等工作。
　　主要研究結(jié)果如下：
　

2、　1.以四氯化硅為起始原料，采用溶膠-凝膠法制備定形性相變儲能材料，并用水泥加以包覆制成改性定形性相變儲能材料。對定型相變儲能材料的性能進(jìn)行表征。
　　1)通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察定形性相變儲能材料的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)儲能物質(zhì)聚乙二醇6000完好的嵌入二氧化硅的多孔結(jié)構(gòu)中，且定形性相變儲能材料中聚乙二醇的最高含量達(dá)85％。二氧化硅的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提供的毛細(xì)孔作用和表面張力使得儲能材料即使在相變過程仍能保持固態(tài)，解決了固-液相變儲

3、能材料在相變過程中存在的流動性和腐蝕性問題。。
　　2)用紅外光譜分析儀(FTIR)分別對純聚乙二醇6000、二氧化硅和定形性相變儲能材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在定形性相變儲能材料中沒有新峰出現(xiàn)，說明了復(fù)合材料中聚乙二醇與二氧化硅之間沒有化學(xué)反應(yīng)，二氧化硅只起到定形的作用。
　　3)利用差示掃描量熱儀(DSC)對不同聚乙二醇含量的定形性相變儲能材料進(jìn)行熱分析，結(jié)果顯示含有80％聚乙二醇的定形性相變儲能材料的儲能密度高達(dá)

4、133 J/g，與理論值相近，且材料的儲能密度隨著聚乙二醇含量的增加而增大。
　　4)利用熱重分析儀(TG)考察含有80％聚乙二醇的定形性相變儲能材料的熱穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)定形性相變儲能材料在150℃以內(nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性。
　　2.用定形性相變儲能材料替砂制備了兩類相變儲能混凝土，并對拌合物的和易性、混凝土的力學(xué)性能和高溫?zé)峁ば阅苓M(jìn)行分析。
　　1)分別用定形性相變儲能材料和改性定形性相變儲能材料替砂制備相變儲能混凝土

5、。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相變儲能混凝土拌合物的和易性優(yōu)于普通混凝土，但是直接用定形性相變儲能材料制備的混凝土養(yǎng)護(hù)周期需要過長，而用水泥改性后的定形性相變儲能材料制備的混凝土與普通混凝土養(yǎng)護(hù)條件相當(dāng)。
　　2)對不同儲能密度的相變儲能混凝土進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果顯示，用改性定形性相變儲能材料完全替砂制備出的混凝土強(qiáng)度均比較低，而部分替砂制備出的混凝土強(qiáng)度得到大幅度提升。且隨著儲能物質(zhì)聚乙二醇含量的降低，混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷升高，目前相變儲能混

6、凝土的強(qiáng)度提高至10MPa，滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中對素混凝土的最低要求，此時聚乙二醇6000在混凝土中的含量為1.5％。
　　3)對不同儲能密度的混凝土的熱工性能進(jìn)行測試，結(jié)果顯示，隨著儲能物質(zhì)聚乙二醇在混凝土中含量的不斷增大，相變儲能混凝土的儲能密度和比熱容都不斷增大，而導(dǎo)熱系數(shù)卻不斷降低。
　　3、用ANSYS軟件對相變儲能混凝土構(gòu)件的受火行為進(jìn)行有限元分析。
　　1)對相變儲能混凝土板和普通混凝土板的溫度場

7、分別進(jìn)行有限元模擬，對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)外部熱荷載相同時，同一時間下相變儲能混凝土板的內(nèi)部溫度低于普通混凝土板內(nèi)的溫度，受火10min后相變儲能混凝土板背火面的溫度僅為普通混凝土背火面溫度的30％。對不同儲能密度的混凝土板中同一點(diǎn)在火災(zāi)中溫度變化曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示該點(diǎn)的溫度隨著時間的推移而不斷升高，但是對于不同儲能密度的混凝土板，溫升速率明顯不同?；炷恋膬δ苊芏仍礁撸擖c(diǎn)的溫升速率越低。
　　2)對高溫下相變儲能混凝土板和普通混凝土板

8、的應(yīng)力場進(jìn)行有限元對比分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在相同的溫度荷載與應(yīng)力荷載耦合作用30min后，普通混凝土板的等效應(yīng)變接近儲能混凝土的2倍，即相變儲能混凝土表現(xiàn)出更好的本構(gòu)關(guān)系，且構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力場分布相對均勻。
　　3)從溫度場和應(yīng)力場的有限元分析結(jié)果看出，相變儲能材料的加入提高了混凝土材料高溫下的熱惰性，減緩了混凝土構(gòu)件的升溫速率，使得混凝土構(gòu)件在火災(zāi)下能夠更長時間的保證絕熱性、穩(wěn)定性和完整性，即提高了混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限，從而達(dá)到了提