相變儲(chǔ)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(chǔ)能材料，再將定形性相變儲(chǔ)能材料添加到混凝土中制成相變儲(chǔ)能混凝土，預(yù)期通過(guò)利用相變材料的儲(chǔ)能能力增大混凝土比熱容的方法來(lái)達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能的目的。本論文開(kāi)展了定形性相變儲(chǔ)能材料的制備與表征、相變儲(chǔ)能混凝土的制備與性能測(cè)試以及儲(chǔ)能混凝土構(gòu)件在火災(zāi)下溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(chǔ)能材料，并用水泥加以包覆制成改性定形性相變儲(chǔ)能材料。對(duì)定型相變儲(chǔ)能材料的性能進(jìn)行表征。
　　1)通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀察定形性相變儲(chǔ)能材料的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能材料即使在相變過(guò)程仍能保持固態(tài)，解決了固-液相變儲(chǔ)

3、能材料在相變過(guò)程中存在的流動(dòng)性和腐蝕性問(wèn)題。。
　　2)用紅外光譜分析儀(FTIR)分別對(duì)純聚乙二醇6000、二氧化硅和定形性相變儲(chǔ)能材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在定形性相變儲(chǔ)能材料中沒(méi)有新峰出現(xiàn)，說(shuō)明了復(fù)合材料中聚乙二醇與二氧化硅之間沒(méi)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(duì)不同聚乙二醇含量的定形性相變儲(chǔ)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(chǔ)能材料的儲(chǔ)能密度高達(dá)

4、133 J/g，與理論值相近，且材料的儲(chǔ)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(chǔ)能材料的熱穩(wěn)定性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)定形性相變儲(chǔ)能材料在150℃以?xún)?nèi)具有良好的熱穩(wěn)定性。
　　2.用定形性相變儲(chǔ)能材料替砂制備了兩類(lèi)相變儲(chǔ)能混凝土，并對(duì)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(chǔ)能材料和改性定形性相變儲(chǔ)能材料替砂制備相變儲(chǔ)能混凝土

5、。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相變儲(chǔ)能混凝土拌合物的和易性?xún)?yōu)于普通混凝土，但是直接用定形性相變儲(chǔ)能材料制備的混凝土養(yǎng)護(hù)周期需要過(guò)長(zhǎng)，而用水泥改性后的定形性相變儲(chǔ)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(duì)不同儲(chǔ)能密度的相變儲(chǔ)能混凝土進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果顯示，用改性定形性相變儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(jì)規(guī)范》中對(duì)素混凝土的最低要求，此時(shí)聚乙二醇6000在混凝土中的含量為1.5％。
　　3)對(duì)不同儲(chǔ)能密度的混凝土的熱工性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，隨著儲(chǔ)能物質(zhì)聚乙二醇在混凝土中含量的不斷增大，相變儲(chǔ)能混凝土的儲(chǔ)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(duì)相變儲(chǔ)能混凝土構(gòu)件的受火行為進(jìn)行有限元分析。
　　1)對(duì)相變儲(chǔ)能混凝土板和普通混凝土板的溫度場(chǎng)

7、分別進(jìn)行有限元模擬，對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)外部熱荷載相同時(shí)，同一時(shí)間下相變儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)不同儲(chǔ)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(shí)間的推移而不斷升高，但是對(duì)于不同儲(chǔ)能密度的混凝土板，溫升速率明顯不同?；炷恋膬?chǔ)能密度越高，該點(diǎn)的溫升速率越低。
　　2)對(duì)高溫下相變儲(chǔ)能混凝土板和普通混凝土板

8、的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元對(duì)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(chǔ)能混凝土的2倍，即相變儲(chǔ)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(chǎng)分布相對(duì)均勻。
　　3)從溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析結(jié)果看出，相變儲(chǔ)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(zhǎng)時(shí)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