相變儲能材料在混凝土結構抗火中的應用基礎研究.pdf

1、為了提高混凝土結構抗火性能，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到提高混凝土結構抗火性能的目的。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件在火災下溫度場和應力場的有限元分析等工作。
　　主要研究結果如下：
　

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構中，且定形性相變儲能材料中聚乙二醇的最高含量達85％。二氧化硅的三維網(wǎng)狀結構提供的毛細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構進行對比分析，結果發(fā)現(xiàn)在定形性相變儲能材料中沒有新峰出現(xiàn)，說明了復合材料中聚乙二醇與二氧化硅之間沒有化學反應，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行熱分析，結果顯示含有80％聚乙二醇的定形性相變儲能材料的儲能密度高達

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、混凝土的力學性能和高溫熱工性能進行分析。
　　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)護條件相當。
　　2)對不同儲能密度的相變儲能混凝土進行軸心抗壓強度測試，結果顯示，用改性定形性相變儲能材料完全替砂制備出的混凝土強度均比較低，而部分替砂制備出的混凝土強度得到大幅度提升。且隨著儲能物質(zhì)聚乙二醇含量的降低，混凝土的抗壓強度不斷升高，目前相變儲能混

6、凝土的強度提高至10MPa，滿足《混凝土結構設計規(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行測試，結果顯示，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，而導熱系數(shù)卻不斷降低。
　　3、用ANSYS軟件對相變儲能混凝土構件的受火行為進行有限元分析。
　　1)對相變儲能混凝土板和普通混凝土板的溫度場

7、分別進行有限元模擬，對比發(fā)現(xiàn)當外部熱荷載相同時，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在火災中溫度變化曲線進行擬合，結果顯示該點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、的應力場進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力荷載耦合作用30min后，普通混凝土板的等效應變接近儲能混凝土的2倍，即相變儲能混凝土表現(xiàn)出更好的本構關系，且構件內(nèi)部的應力場分布相對均勻。
　　3)從溫度場和應力場的有限元分析結果看出，相變儲能材料的加入提高了混凝土材料高溫下的熱惰性，減緩了混凝土構件的升溫速率，使得混凝土構件在火災下能夠更長時間的保證絕熱性、穩(wěn)定性和完整性，即提高了混凝土結構構件的耐火極限，從而達到了提