PROBLEMS OF USING PARAFFIN AS THERMOACCUMULATING MATERIAL IN CEMENT COMPOSITES
PROBLEMS OF USING PARAFFIN AS THERMOACCUMULATING MATERIAL IN CEMENT COMPOSITES
Abstract
One of the ways to reduce the energy consumption of heating and cooling systems in buildings is the use of thermoaccumulating materials with phase transition function (MPTF). The relevance of MPTF concrete is emphasised by the global tendency to strive for resource conservation. The most important task for the technology of concrete with passive thermal insulation is to study the influence of MPTFs on the properties of the cement frame-forming component. This work presents the results of the study of the influence of organic material with phase transition function (paraffin) on the properties of cement compositions. It was found that the use of paraffin as MPTF in cement systems does not have a statistically significant effect on the fluidity of cement pastes, but leads to a decrease in the average density of cement stone. Introduction of MPTF in molten form causes difficulties with distribution in volume, which is expressed by worse physical and mechanical characteristics in comparison with introduction in solid form. The prospect of using MPTF heat as a means for internal care of structure formation in the initial period is of scientific interest and requires further research.
1. Введение
Системам отопления и охлаждения помещений, которые потребляют большое количество ресурсов и энергии, всегда уделялось особое внимание. Снизить расход энергии этих систем позволяет использование материалов с функцией фазового перехода (далее – МФФП) , . МФФП представляют собой теплоаккумулирующие материалы, способные запасать тепловую энергию во время фазового перехода вещества.
В строительстве могут применяться как органические, так и неорганические , МФФП. Среди неорганических материалов с функцией фазового перехода самыми распространенными являются гидратированные соли. Эти вещества обладают высокой теплоаккумулирующей способностью, негорючестью, доступностью в готовом виде, а также относительно невысокой стоимостью. Несмотря на свои преимущества, гидратированные соли достаточно редко применяются в цементных композитах из-за больших деформаций, интенсификации коррозии металлических элементов (арматуры в бетонах), переохлаждения при переходе из твердого состояния в жидкое и нестабильности фазовых переходов при циклическом воздействии.
Органические МФФП подразделяют на парафиновые и непарафиновые . Преимуществами органических МФФП являются относительно низкая стоимость, подходящая температура плавления, аккумулирование скрытого тепла и незначительное изменение объема при фазовом переходе.
Многие материалы с функцией фазового перехода, представляющие собой органические соединения, являются кислотами. Спектр применяемых веществ широк и постоянно расширяется. В числе наиболее распространенных непарафиновых МФФП можно назвать бутилстеарат (Tф.п. = 18 °C), додеканол (Tф.п. = 24…27 °C), полиэтиленгликоль (Tф.п. = 18 °C), тетрадеканол (Tф.п. = 35…39 °C) и диметилсульфоксид (Tф.п. = 18,5 °C) . Парафины занимают особое место среди применяемых органических МФФП в бетоне. Их популярность объясняется неактивностью в щелочной среде, химической стабильностью, относительно невысокой стоимостью (парафин примерно в 3 раза дешевле непарафиновых МФФП) и широким диапазоном температуры плавления. Температура фазового перехода парафина зависит от количества углерода (Tф.п. = 20…70 °C). Успешное применение парафина в качестве МФФП с температурой фазового перехода от 26 до 70 °C в бетоне было подтверждено экспериментальными исследованиями , , . Для точного регулирования термоаккумулирующих свойств бетонных конструкций используют комплексные материалы с функцией фазового перехода. Они представляют собой смеси различных веществ с разной температурой и энтальпией плавления и кристаллизации .
Введение материалов с функцией фазового перехода в бетоны осуществляется различными методами . Основные способы включают в себя смешивание МФФП с компонентами бетона, насыщение бетона с помощью погружения в раствор МФФП и введение МФФП в составе материала носителя – капсул. Вещество при введении может быть как в виде водной суспензии, так и в твердом виде. Теплофизические и механические свойства бетона напрямую зависят от метода введения МФФП. Среди основных проблем, которые могут проявиться при введении МФФП, отличают неравномерное распределение материала по объему, снижение прочности, а также ухудшение удобоукладываемости и подвижности бетонных смесей , , .
Использование МФФП в бетонных конструкциях позволяет экономить энергию, затраченную на отопление помещения или кондиционирование воздуха, а также смещать пиковую температуру во времени , , , . Данные свойства конструкций с использованием МФФП дают возможность рассматривать их в качестве пассивной теплоизоляции помещения . Применение бетона с МФФП также может решить существующие проблемы с устройством теплоизоляции в зданиях, построенных с помощью 3D-печати , . Актуальность использования бетона с МФФП подчеркивается мировой тенденцией к стремлению экономии ресурсов, оптимизации энергопотребления и снижению уровня загрязненности окружающей среды , при этом системы отопления и кондиционирования воздуха потребляют до 40% добываемого топлива .
Таким образом, важнейшей задачей для развития получения бетонов с пассивной теплоизоляцией является исследование влияния МФФП на свойства цементной каркасообразующей составляющей, так как от этого зависят качества композита. В настоящей работе выполнено исследование влияние парафинового МФФП различной концентрации на свойства цементного теста и цементного камня. Полученные результаты позволят оценить преимущества и недостатки органического термоаккумулирующего материала при прямом способе введения в цементные композиты и определить направление совершенствования технологии.
2. Материалы и методы исследования
В данной работе проведено исследование влияния материала с функцией фазового перехода на свойства цементного теста и цементного камня, приготовленного на портландцементе ЦЕМ I 42,5 Н при В/Ц = НГ = 0,3. В качестве МФФП использовался твердый Парафин П2, соответствующий ГОСТ 23683. Парафин вводили на этапе приготовления цементного теста зернами (размером до 1 мм) в твердом виде (Серия 1 – T. = 25,3±0,1 °C) и в жидком (Серия 2 – T = 90±2 °C) состоянии. Содержание варьировалось в диапазоне 0...1 % от массы портландцемента.
Приготовление цементного теста осуществлялось с помощью автоматического растворосмесителя Automix Controls в соответствии с EN 196-3. Изготавливались стандартные образцы-призмы 40×40×160 мм.
Оценка влияния МФФП на цементные композиции выполнялась по диаметру расплыва теста из конуса Хагермана после встряхивания (Др, мм), средней плотности камня, его прочности на изгиб и на сжатие, определяемых согласно ГОСТ 30744.
Стандартное отклонение при испытании показано в таблице 1.
Таблица 1 - Стандартное отклонение при испытании
Серия | Диаметр расплыва, % | Средняя плотность, % | Прочность, % | |
на изгиб | на сжатие | |||
Серия 1 | < 1,3 | < 3,8 | < 13,6 | < 4,4 |
Серия 2 | < 0,9 | < 11,5 | < 4,0 | |
3. Результаты и обсуждение
Введение в минеральную систему органического соединения (парафина), отличающегося по природе, влияет на свойства как в жидко-текучем состоянии, так и в затвердевшем. Результаты оценки этого влияния на цементные пасты представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Зависимость диаметра расплыва цементного теста от содержания парафина
Рисунок 2 - Зависимость средней плотности цементного камня от содержания парафина
Влияние парафина на механические свойства цементного камня представлено на рисунке 3 и 6. На графике зависимости предела прочности на изгиб цементного камня от содержания парафина (см. рисунок 3) видно, что влияние введенного МФФП различно для разных способов его введения.
Рисунок 3 - Зависимость предела прочности на изгиб цементного камня от содержания парафина
Рисунок 4 - Микрофотографии структуры цементного камня с МФФП (×50) Серии 1
Рисунок 5 - Микрофотографии структуры цементного камня с МФФП (×50) Серии 2
Рисунок 6 - Зависимость предела прочности на сжатие цементного камня от содержания парафина
4. Заключение
Таким образом, проведенные исследования показывают, что использование парафина в качестве термоаккумулирующего материала в цементных системах не оказывает статистически значимого влияния на текучесть цементных паст, что может быть связано с его гидрофобностью. Введение парафина приводит к уменьшению средней плотности цементного камня. При этом, введение МФФП в расплавленном виде, усиливает негативный эффект за счет повышения неоднородности структуры.
Введение органического термоаккумулирующего материала в расплавленном виде вызывает большие трудности с распределением в объеме, что выражается худшими физико-механическими характеристиками по сравнению с введением МФФП в твердом виде. Однако температура введения парафина может оказывать положительное влияние на структурообразование цементного камня при условии обеспечения однородности. Перспектива использования тепла МФФП как средства для внутреннего ухода за формированием структуры в начальный период вызывает научный интерес и требует дальнейших исследований, направленных, в том числе, на уменьшение негативного воздействия на физико-механические свойства цементного камня.