Стабилизация термоаккумулирующего материала углеродным носителем в составе высокопрочного легкого бетона

Введение. Цель исследования — разработка инновационного строительного материала с пассивной терморегуляцией на основе высокопрочного легкого бетона на полых микросферах с применением термоаккумулирующих материалов (ТАМ), стабилизированных в углеродном носителе (активированных углях). Исследователями решена задача обеспечения функционирования ТАМ в среде с низкой теплопроводностью (в высокопрочном легком бетоне D1400) при сохранении прочностных свойств.

Материалы и методы. Применялся высокопрочный легкий бетон плотностью 1400 кг/м3 на полых алюмосиликатных микросферах. В качестве ТАМ использовались кокосовое масло и полиэтиленгликоль (ПЭГ) 600. Стабилизация ТАМ проводилась в углеродных носителях — активированных углях трех марок УГ1, УГ2 и УГ3.

Результаты. Сорбционная способность исследуемых активированных углей составила 80 % для ПЭГ и 50 % для кокосового масла. Плотность образцов снизилась до 1320–1390 кг/м3 при концентрациях до 2,5 %, при этом теплопроводность образцов с УГ2 и УГ3 увеличилась до 0,58–0,60 Вт/(м·K). Также использование УГ2 + ПЭГ, УГ2 + масло и УГ3 + ПЭГ позволяет сохранить физико-механические характеристики бетона — прочность при изгибе и сжатии — более 4,3 и 41,8 МПа соответственно.

Выводы. Применение УГ2 для стабилизации кокосового масла и ПЭГ, а также УГ3 для стабилизации ПЭГ в концентрациях до 2,5 % обеспечивает эффективную работу ТАМ в среде с низкой теплопроводностью (легком бетоне), позволяет сорбировать до 80 % ПЭГ и до 50 % кокосового масла, что значительно превышает сорбирующие способности широко распространенных носителей для ТАМ. Также одним из основных преимуществ выбранных носителей является сохранение высоких значений прочности легкого бетона при изгибе и сжатии.

1. Jahangir M.H., Ziyaei M., Kargarzadeh A. Evaluation of thermal behavior and life cycle cost analysis of greenhouses with bio-phase change materials in multiple locations // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 54. P. 105176. DOI: 10.1016/j.est.2022.105176. EDN MNSPFB.

2. Sukontasukkul P., Uthaichotirat P., Sangpet T., Sisomphon K., Newlands M., Siripanichgorn A. et al. Thermal properties of lightweight concrete incorporating high contents of phase change materials // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 207. Pp. 431–439. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.02.152

3. Papadaki D., Foteinis S., Binas V., Assimakopoulos M.N., Tsoutsos T., Kiriakidis G. A life cycle assessment of PCM and VIP in warm Mediterranean climates and their introduction as a strategy to promote energy savings and mitigate carbon emissions // AIMS Materials Science. 2019. Vol. 6. Issue 6. Pp. 944–959. DOI: 10.3934/matersci.2019.6.944

4. Al-Yasiri Q., Szabó M. Thermal performance of concrete bricks based phase change material encapsulated by various aluminium containers: An experimental study under Iraqi hot climate conditions // Journal of Energy Storage. 2021. Vol. 40. P. 102710. DOI: 10.1016/j.est.2021.102710. EDN UOYINL.

5. Memon S.A., Cui H.Z., Zhang H., Xing F. Utilization of macro encapsulated phase change materials for the development of thermal energy storage and structural lightweight aggregate concrete // Applied Energy. 2015. Vol. 139. Pp. 43–55. DOI: 10.1016/J.APENERGY.2014.11.022

6. Soares N., Costa J.J., Gaspar A.R., Santos P. Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings’ energy efficiency // Energy and Buildings. 2013. Vol. 59. Pp. 82–103. DOI: 10.1016/j.enbuild.2012.12.042

7. Yang Y., Wu W., Fu S., Zhang H. Study of a novel ceramsite-based shape-stabilized composite phase change material (PCM) for energy conservation in buildings // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 246. P. 118479. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.118479. EDN MPCSYE.

8. Chen Y., Ding H., Wang B., Shi Q., Gao J., Cui Z. et al. Dopamine functionalization for improving crystallization behaviour of polyethylene glycol in shape-stable phase change material with silica fume as the matrix // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 208. Pp. 951–959. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.10.207

9. Illampas R., Rigopoulos I., Ioannou I. Influence of microencapsulated Phase Change Materials (PCMs) on the properties of polymer modified cementitious repair mortar // Journal of Building Engineering. 2021. Vol. 40. P. 102328. DOI: 10.1016/j.jobe.2021.102328. EDN VIMPNC.

10. Иноземцев А.С., Королев Е.В. Высокопрочные легкие бетоны : монография. СПб. : Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2022. 192 с. EDN UCJRAZ.

11. Rathore P.K.S., Shukla Sh.K. Potential of macro-encapsulated PCM for thermal energy storage in buildings : а comprehensive review // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 225. Pp. 723–744. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.07.221. EDN UMHSUT.

12. Peng W., Sadaghiani O.K. Thermal function improvement of phase-change material (PCM) using alumina nanoparticles in a circular-rectangular cavity using Lattice Boltzmann method // Journal of Energy Storage. 2021. Vol. 37. P. 102493. DOI: 10.1016/j.est.2021.102493. EDN NVPLRG.

13. Sarı A. Thermal energy storage characteristics of bentonite-based composite PCMs with enhanced thermal conductivity as novel thermal storage building materials // Energy Conversion and Management. 2016. Vol. 117. Pp. 132–141. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.02.078

14. Sarı A., Hekimoglu G., Tyagi V.V., Sharma R.K. Evaluation of pumice for development of low-cost and energy-efficient composite phase change materials and lab-scale thermoregulation performances of its cementitious plasters // Energy. 2020. Vol. 207. P. 118242. DOI: 10.1016/j.energy.2020.118242. EDN INADMA.

15. Karaman S., Karaipekli A., Sarı A., Biçer A. Polyethylene glycol (PEG)/diatomite composite as a novel form-stable phase change material for thermal energy storage // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2011. Vol. 95. Issue 7. Pp. 1647–1653. DOI: 10.1016/J.SOLMAT.2011.01.022

16. Mokhtari S., Madhkhan M. The performance effect of PEG-silica fume as shape-stabilized phase change materials on mechanical and thermal properties of lightweight concrete panels // Case Studies in Construction Materials. 2022. Vol. 17. P. e01298. DOI: 10.1016/j.cscm.2022.e01298

17. Сокольникова С.Р., Иноземцев А.С. Влияние полиэтиленгликоля, стабилизированного в микрокремнеземе, на прочность конструкционных легких бетонов // Теория и практика повышения эффективности строительных материалов : мат. XIX Междунар. науч.-техн. конф. молодых ученых, посвящ. памяти профессора В.И. Калашникова. 2024. С. 146–153. EDN RUHYMN.

18. Chin C.O., Yang X., Paul S.C., Susilawati, Wong L.S., Kong S.Y. Development of thermal energy storage lightweight concrete using paraffin-oil palm kernel shell-activated carbon composite // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 261. P. 121227. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121227. EDN BARLQM.

19. Zhang Y., Aslani F. Development of fibre reinforced engineered cementitious composite using polyvinyl alcohol fibre and activated carbon powder for 3D concrete printing // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 303. P. 124453. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.124453. EDN QDSNSN.

20. Khadiran T., Zobir Hussein M., Zainal Z., Rusli R. Activated carbon derived from peat soil as a framework for the preparation of shape-stabilized phase change material // Energy. 2015. Vol. 82. Pp. 468–478. DOI: 10.1016/j.energy.2015.01.057

21. Chen Z., Shan F., Cao L., Fang G. Synthesis and thermal properties of shape-stabilized lauric acid/activated carbon composites as phase change materials for thermal energy storage // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2012. Vol. 102. Pp. 131–136. DOI: 10.1016/j.solmat.2012.03.013

22. Hekimoğlu G., Sarı A., Gencel O., Önal Y., Ustaoğlu A., Erdogmus E. et al. Thermal energy storage performance evaluation of bio-based phase change material/apricot kernel shell derived activated carbon in lightweight mortar // Journal of Energy Storage. 2023. Vol. 73. P. 109122. DOI: 10.1016/j.est.2023.109122. EDN EJVXBF.

23. Zheng Ch., Huang Z., Wang D., Ju Z., Zhang Z., Zhang H. et al. Synthesis and properties of biomass derived carbon/PEG composite as photothermal conversion effective phase change material for functional concrete // Cement and Concrete Composites. 2024. Vol. 149. P. 105495. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2024.105495. EDN UKVHDQ.

24. Qu Yu., Chen J., Liu L., Xu T., Wu H., Zhou X. Study on properties of phase change foam concrete block mixed with paraffin / fumed silica composite phase change material // Renewable Energy. 2020. Vol. 150. Pp. 1127–1135. DOI: 10.1016/j.renene.2019.10.073. EDN YOCNUZ.

25. Kiran V.K., Sathyan D. Unveiling the combined influence of higher molecular weight polyethylene glycol and superplasticizer chemistry on fresh, mechanical, and microstructural performance of internally cured mortar // Materials Research Express. 2024. Vol. 11. Issue 7. P. 075502. DOI: 10.1088/2053-1591/ad5c30. EDN EMBEYY.

26. Tan Sh., Zhang X. Progress of research on phase change energy storage materials in their thermal conductivity // Journal of Energy Storage. 2023. Vol. 61. P. 106772. DOI: 10.1016/j.est.2023.106772. EDNKHHCFO.

27. Makendran C. Study on self-curing concrete using Polyethylene Glycol 600 for highway infrastructure project // Materials Today: Proceedings. 2023. Vol. 80. Pp. 1677–1682. DOI: 10.1016/j.matpr.2023.02.316. EDN JKCVPE.

28. Etman H.M., Elshikh M.M.Y., Kaloop M.R., Hu J.W., Abd ELMohsen I. Examination of the physical–mechanical properties of sustainable self-curing concrete using crushed ceramic, volcanic powder, and polyethylene glycol // Sustainability. 2024. Vol. 16. Issue 11. P. 4659. DOI: 10.3390/su16114659. EDN YQOEAO.

29. Gowdra Virupakshappa S., Shrishail Basappa A., Thimmarayappa M., Narayana Ch.K.N., Buradi A., Emma A.F. Modelling and analysis of strength and durability properties of internal curing concrete using PEG 400 and artificial neural network // Discover Sustainability. 2024. Vol. 5. Issue 1. P. 80. DOI: 10.1007/s43621-024-00240-3. EDN GCNJUW.