Cykle badawcze z użyciem materiałów zmiennofazowych, ich zakres badań

w budownictwie nie jest powszechne, a ich dodatek jako regulatora temperatury wewnętrznej betonu formowanego w klimacie suchym i gorącym jest pionierskie, trudno było z góry ustalić jednoznaczne procedury badawcze. Z tego powodu początkowe próby określane cyklami badawczymi (1 do 3) mają charakter wstępny – rozpoznawczy,

a dopiero kolejne (4 do 8) związane są z badaniami zasadniczymi. W takim właśnie układzie zaprezentowano wyniki badań w rozdziale 5 ( Wyniki badań).

Materiały zmiennofazowe , mikrokapsułki z materiałem PCM - Phase Change Materials, użyte w badaniu dodawane są bezpośrednio do mieszanki betonowej.

W materiałach PCM znajdują się mikroskopijne sfery z polimerów, które zawierają woskowy czynnik magazynujący ciepło. W momencie, kiedy otoczenie się nagrzewa, wosk zawarty w zbiorniczkach topi się, a podczas spadku temperatury krzepnie (taki przebieg ma miejsce w przemianie fazowej danego PCM).

Rys.4.4 Mikrokapsułki PCM o średnicach od 50 do 500 µm

Zaplanowane badania mają na celu określenie wpływu zastosowania materiałów PCM na dynamiczny proces wydzielania ciepła podczas hydratacji cementu i tężenia betonu, aby mieć wgląd w to , co się dzieje w budowanej strukturze tężejącego betonu w pierwszym okresie dojrzewania w klimacie zwrotnikowym i suchym.

Oczekuje się , że nadmiar ciepła powstałego w mieszance betonowej w wyniku hydratacji oraz ciepło z otoczenia, podczas początkowego okresu dojrzewania młodego betonu będzie pochłonięte w trakcie procesu topnienia materiału zmiennofazowego.

Natomiast nadmiernie pochłonięte ciepło będzie uwalniane, kiedy temperatura otoczenia schodzi poniżej temperatury przemiany fazowej PCM, czyli podczas krzepnięcia PCM. W ten sposób mikrokapsułki mają regulować temperaturę mieszanki betonowej, ujednolicając temperaturę dojrzewającego betonu oraz powodując redukcję piku termicznego i jego przesunięcie w czasie (rys. 4.5), jak również umożliwienie przekroczenia bariery technologicznej związaną z szybką hydratacją cementu podczas betonowania w suchym i gorącym klimacie.

Oczekiwana jest redukcja i przesuniecie piku termicznego rejestrowanego w betonie w stosunku do temperatury otoczenia panującej w komorze klimatycznej zgodnie ze schematem pokazanym na rys. 4.5.

Rys. 4.5 Spodziewane rezultaty przy zastosowaniu PCM dodanego do dojrzewającego betonu

Na podstawie zaplanowanych badań dąży się do:

a) określenia wpływu PCM na redukcję gradientu termicznego powstającego w dojrzewającej mieszance betonowej w warunkach klimatu zwrotnikowego i suchego,

b) próby przekroczenia bariery technologicznej w tym klimacie (redukcja przerw roboczych w trakcie betonowania wymuszonych wysokimi temperaturami powietrza),

c) doboru odpowiedniej metody pielęgnacji betonu,

d) określenia wpływu PCM na dojrzały beton w szczególności na : wytrzymałość na ściskanie, ścieralność, nasiąkliwość i wodoprzepuszczalność,

e) określenia wpływu zastosowania PCM na elastyczność w podejmowaniu decyzji podczas realizacji procesu budowlanego.

Czynniki wpływające na planowany eksperyment:

a) ilość dodanego PCM do mieszanki – (udział PCM w %)

b) właściwości zastosowanego PCM – (zakres przemiany fazowej, pojemność cieplna, zdolność do uwalniania ciepła),

c) właściwości składników betonu –(cementu, kruszywa, piasku, wody, domieszek),

d) warunki atmosferyczne – (temperatura otoczenia, szybkość wiatru, wilgotność względna),

e) temperatura wyjściowa mieszanki betonowej – (temperatura początkowa), f) grubość (wysokość) betonowanego elementu.

Zaplanowany przebieg badań i jego fazy przedstawiają się następująco.

W pierwszym cyklu badań ustalono doświadczalnie rodzaj PCM i jego ilość procentową, którą należy dodać do składników mieszanki betonowej, aby osiągnąć zamierzone cele.

W badaniach doświadczalnych brano pod uwagę przede wszystkim wpływ dodanego PCM do mieszanki na przebieg temperatury i redukcję piku termicznego, w dojrzewającym betonie z dodatkiem materiałów zmiennofazowych, w najistotniejszym (początkowym) okresie hydratacji cementu. Stąd mniej skupiono się na zjawiskach skurczowych, gdyż w literaturze istnieją liczne prace poświęcone tym zagadnieniom.

Zagadnienia te zostały pominięte w badaniach (z perspektywy czasu wydaje się to nie do końca słuszne i te skutki muszą zostać uwzględnione w badaniach w przyszłości).

W drugim cyklu wykonano dwie płyty o wymiarach 0,50x0,50x0,15 m. Do pierwszej z nich dodano 3% PCM, a drugą wykonano bez dodatku PCM (jako świadek).

Miało to na celu ujednolicenie temperatury wewnątrz mieszanki betonowej, redukcję piku termicznego, ustalenie wpływu PCM na wytrzymałość na ściskanie i ścieranie oraz wodoprzepuszczalność w zależności od grubości „wysokości” płyty.

W trzecim cyklu wykonano trzy płyty z jednakową ilością PCM (3,5%) o następujących wymiarach 0,20 m, 0,15 m i 0,10 m. Celem było śledzenie przebiegu temperatury wewnątrz mieszanki w początkowym okresie dojrzewania, w zależności od grubości wykonanych płyt oraz tego, czy spadek wytrzymałości na ściskanie jest na tyle poważny, że wyeliminuje zasadność zastosowania PCM w konstrukcjach typu rowy melioracyjne, drogi, place logistyczne, tamy, lotniska itp.

Na podstawie analizy przeprowadzonych badań dostrzeżono dwa problemy, które wymagały rozwiązania.

Okazało się, że firmowa komora klimatyczna ( rys.4.2 ) wykazała się bezwładnością , przez co nie była w stanie wygenerować podobnych warunków do tych panujących w klimacie zwrotnikowym suchym.

Drugi problem był również związany z komorą, a mianowicie miała ograniczony zakres regulacji zmiany temperatury – (można było dokonać 10 zmian temperatury w ciągu doby).

Z tego powodu przystąpiono do zbudowania nowej komory klimatycznej, która spełniałaby postawione wymagania w celu kontynuacji badań ( rys.4.3).

Dzięki wsparciu Dyrektora Instytutu Konstrukcji Budowlanych Politechniki Poznańskiej zbudowano nowe stanowisko badawcze spełniające postawione wymagania. Wykonanie nowego stanowiska badawczego i budowa nowej komory opóźniło realizację programu badawczego.

W trakcie czwartego cyklu wykonano trzy płyty o wymiarach 0,50x0,50x0,20 m. Do pierwszej z nich dodano 3,5% PCM. Druga zaś zawierała 3,5% PCM oraz domieszkę opóźniającą. Trzecia płyta była bez dodatków. Ideą wykonanego wsadu było potwierdzenie zasadności stosowania PCM-ów, które cechują się tym, że gdy temperatura mieszanki dochodzi do temperatury przemiany fazowej dodanego PCMu, absorbują one nadmiar ciepła, zamieniając się w ciecz. Natomiast, gdy temperatura spadnie poniżej temperatury przemiany fazowej, krzepną, oddając do otoczenia zewnętrznego zaabsorbowane ciepło.

W piątym cyklu badań podjęto decyzję zastosowania hybrydowego rozwiązania,

a mianowicie dodania dwóch różnych materiałów zmiennofazowych do mieszanki, aby wzmocnić efekt działania. Pierwszy PCM o temperaturze przemiany fazowej 23 ÷ 26°C w ilości 2,4% w stosunku do cementu. Drugi PCM cechuje się tym, że jego temperatura przemiany fazowej wynosi od 29 ÷ 36°C w ilości 2,4% w stosunku do cementu.

Celem było wyeliminowanie ryzyka spękania struktury betonu w wykonanych elementach betonowych z użyciem dwóch dodatków PCM, uwzględniając przy tym wpływ PCM na wytrzymałość na ściskanie, ścieralność i wodoprzepuszczalność.

Wykonano trzy płyty o tych samych wymiarach 0,50x0,50x0,20 m. Do pierwszej z nich dodano dwa PCM-y oraz opóźniacz. Druga płyta jest bez żadnych dodatków (świadek).

Do trzeciej płyty dodano dwa materiały PCM.

Szósty cykl badań polegał na schłodzeniu składników mieszanki betonowej, aby temperatura wyjściowa mieszanki była niższa niż temperatura przemiany fazowej dodanych PCM-ów. Oczywiście w dalszym ciągu stosowano hybrydowe rozwiązanie - przy użyciu dwóch materiałów zmiennofazowych , które były użyte w poprzednim cyklu badań. Należało ustalić efekt schłodzenia składników mieszanki betonowej poniżej temperatury przemiany fazowej użytych PCMów na przebieg temperatury wewnątrz mieszanki betonowej w początkowym okresie dojrzewania.

Siódmy cykl polegał na wykonaniu czterech płyt - trzy z dodatkiem dwóch materiałów zmiennofazowych, a czwarta jako świadek. Cykl ten został wykonany według nowej receptury z myślą potwierdzenia dotychczasowych rezultatów.

Jako podsumowanie, w cyklu 8, przedstawiono ocenę wpływu PCM na niektóre cechy betonu takie jak: wytrzymałość na ściskanie, nasiąkliwość, wodoprzepuszczalność

i odporność na ścieranie.