活性炭储能骨料论文

活性炭储能骨料论文

活性炭储能骨料论文 篇1

施韬[5]等利用硬脂酸丁酯作为相变材料,研究显示硬脂酸丁酯的相变发生在22.9~30.2℃之间,焓变值达到107.9 J/g,相变过程可逆,是一种理想的相变储能材料。直接将相变材料掺入混凝土中,会产生泄漏等不良影响,因此相变材料在应用过程中多采用各种方法进行封装[1]。杨玉山[6]等利用柱状活性炭作封装材料,吸附硬脂酸丁酯,制备出活性炭储能骨料,并作为粗骨料代替部分石子掺入混凝土中,研究显示活性炭储能骨料的理化性质稳定,不与混凝土其他组分发生反应。文献[7]研究表明,陶粒轻骨料混凝土保温性能好,密度小,价格便宜,是被广泛应用的外墙保温隔热材料。但其作为传统建筑材料,依然具有热容低,不能充分储存利用能量等缺点[1]。

试验用直径4 mm的柱状活性炭吸附硬脂酸丁酯,得到活性炭储能骨料。将其作为部分粗骨料掺入陶粒轻骨料混凝土中制备出相变混凝土,并对不同活性炭储能骨料掺量的相变混凝土进行抗压强度、劈裂抗拉强度和导热系数试验,研究符合JG51—2002《轻骨料混凝土技术规程》[8]中对结构保温轻骨料混凝土力学性能和导热性能要求的新型混凝土材料,为工程实践提供参考。

1 相变材料的制取及掺量选择

制备活性炭储能骨料采用浸泡吸附法。试验时,室温保持在25℃以上,以保证硬脂酸丁酯为液体状态。每次将2 kg的柱状活性炭颗粒倒入硬脂酸丁酯中,浸泡3 h以上,每隔半小时用搅拌棒充分搅拌,待其吸附饱和后,将柱状活性炭颗粒取出沥干,测定其平均吸附率为38%。

相变材料的掺量是影响相变混凝土性能的主要因素之一,掺量过多会导致混凝土的强度、导热性能等发生改变,掺量过少又会导致相变混凝土达不到储能效果[6]。试验中活性炭储能骨料采用内掺方式等量取代陶粒0%、10%、15%、20%和25%制备出相变混凝土。对每组掺量的相变混凝土分别进行抗压强度、劈裂抗拉强度和导热系数试验,以研究活性炭储能骨料掺量对相变混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和导热性能的影响。

2 试验材料与混凝土配合比

2.1 试验材料

水泥选用淮南市八公山水泥厂生产的P·O42.5级普通硅酸盐水泥;砂子为淮河中砂;陶粒选用页岩陶粒,粒径5~10 mm,堆积密度338 kg/m3;柱状活性炭选用煤质柱状活性炭,粒径4 mm,含水量低于5%;硬脂酸丁酯选用工业级硬脂酸丁酯,纯度99%以上,熔点18~20℃;试验用水选用自来水。

2.2 混凝土配合比

混凝土设计强度等级为LC10,配合比为水泥∶砂子∶陶粒=1∶1.76∶0.58,水胶比0.56,砂率35%。

3 相变混凝土压拉强度试验与分析

3.1 试验方法

试验共设计5组,每组成型6个100 mm×100mm×100 mm的试块,标准养护28 d。试验依照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》的要求进行,采用TYE—2000型压力试验机,抗压试验加载速率设为2 k N/s,劈裂抗拉强度试验加载速率设为0.2 k N/s,试验室温约为10℃,加载过程中施加连续、均匀的荷载。

3.2 试验结果与分析

相变混凝土的压拉强度试验破坏形态如图1所示,试验数据如表1所示。

根据表1内容分别绘制出相变混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度与活性炭储能骨料掺量的关系曲线如图2、图3所示。

由图2、图3可知,相变混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度随着活性炭储能骨料掺量的增加均呈下降趋势。根据文献[6]可知,由于活性炭储能骨料强度较低,代替部分陶粒后影响了整体的强度。同时活性炭储能骨料表面附着一层硬脂酸丁酯,影响了其与混凝土的粘结性,造成了相变混凝土压拉强度的下降[9]。

为了更好分析活性炭储能骨料掺量对相变混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度的影响,引入抗压强度损失率ηci和劈裂抗拉损失率ηti。并定义抗压强度损失率为相变混凝土中活性炭储能骨料掺量为i和0%时抗压强度的差值与掺量为0%时抗压强度的百分比,计算公式见式(1);劈裂抗拉强度损失率为相变混凝土中活性炭储能骨料掺量为i和0%时劈裂抗拉强度的差值与掺量为0%时劈裂抗拉强度的百分比,计算公式见式(2),i分别为10%、15%、20%和25%。

式中:fci为活性炭储能骨料掺量为i时相变混凝土的抗压强度;fc0为活性炭储能骨料掺量为0%时相变混凝土的抗压强度;fti为活性炭储能骨料掺量为i时相变混凝土的劈裂抗拉强度;ft0为活性炭储能骨料掺量为0%时相变混凝土的劈裂抗拉强度。

根据公式(1)和公式(2),可以得出相变混凝土的抗压强度损失率和劈裂抗拉强度损失率如表2所示。根据表2内容,绘制相变混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度损失率与活性炭储能骨料掺量的关系曲线如图4所示。

由图4可知,掺入活性炭储能骨料会增加相变混凝土的强度损失率,活性炭储能骨料掺量为10%、15%、20%、25%时,相变混凝土抗压强度损失率分别为2.0%、4.0%、6.4%、13.2%,劈裂抗拉强度损失率分别为5.9%、9.4%、14.9%、20.3%。若以强度损失率作为标准,判断相变混凝土是否满足工程使用的要求,则相变混凝土的强度损失率应小于10%,此时活性炭储能骨料的掺量为15%。

4 相变混凝土导热系数试验与分析

4.1 试验方法

导热系数试验采用沈阳鑫合经纬机械电子设备有限公司生产的XH-PDR 300导热系数测定仪,如图5所示。试件尺寸为300 mm×300 mm×30 mm,标准养护28 d后,使用101—3A型电热鼓风恒温干燥箱干燥。

相变材料有固态和液态两种状态,因此在不同温度范围内,相变混凝土的导热系数也不同[10,11]。硬脂酸丁酯的熔点为18~20℃,因此设计冷热板温度不同的两组试验。冷板温度设定为5℃,热板温度为15℃,此时相变材料为固态;冷板温度设定为25℃,热板温度为35℃,此时相变材料为液态。

4.2 试验结果与分析

相变混凝土的导热系数试验结果如表3所示。

由表3可知,对于掺量为10%、15%、20%、25%的相变混凝土,液态组的导热系数比固态组分别大3.4%、3.8%、4.2%、4.6%,可见冷热板设定温度较高的液态组的导热系数大于固态组。李悦[11]等研究表明当温度增大时,相变材料内部的分子运动加剧,传热效率加快,使得相变混凝土的导热系数变大。

根据表3中的试验数据,绘制导热系数与活性炭储能骨料掺量关系曲线如图6所示。

由图6可知,相变混凝土的导热系数随活性炭储能骨料掺量的增加而增大。在固态组中,掺量为10%、15%、20%和25%的相变混凝土导热系数比掺量为0%的相变混凝土导热系数分别增加了19.9%、22.4%、28.5%和38.6%,液态组则分别增加了22.1%、25.2%、31.9%和41.2%,增加明显。

文献[8]规定了用于建筑围护结构的结构保温轻骨料混凝土的密度等级为800~1 400 kg/m3,对应的导热系数范围为0.23~0.49 W/(m·K)。对于活性炭储能骨料掺量为20%的相变混凝土,内部相变材料在液态时的导热系数为0.489 8 W/(m·K),导热系数过大,影响了混凝土的保温能力,因此活性炭储能骨料的掺量不应大于15%。

5 结论

(1)随着活性炭储能骨料的掺入,相变混凝土的抗压、劈裂抗拉强度均呈下降趋势,活性炭储能骨料的掺量为15%,相变混凝土的强度损失率不超过10%。

(2)相变材料处于液体状态时,相变混凝土的导热系数比固体状态时大,增加幅度在5%以内。

(3)随着活性炭储能骨料掺量的增加,相变混凝土的导热系数明显增大,满足保温要求,活性炭储能骨料的掺量应在15%以内。

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