Zastosowanie PCM w celu redukcji negatywnych skutków w początkowej fazie

dojrzewania mieszanki betonowej

Spotyka się różne techniki dodawania PCM do mieszanki betonowej w celu kontroli zmian temperatury w czasie jej dojrzewania . Główne metody to:

 Umieszczenie rur wypełnionych PCM w betonie.

 Używanie lekkich kruszyw impregnowanych PCM.

 Dodawanie mikrokapsułek z PCM lub PCM w płynie.

 Impregnowanie betonu PCM z porów znajdujących się na jego powierzchni [3.55].

Rys. 3.20. Metody dozowania PCM do betonu : (a) umieszczenie rur wypełnionych PCM w betonie; (b) używanie lekkich kruszyw impregnowanych PCM ; (c) dodawanie mikrokapsułek z PCM lub PCM w płynie ; (d) impregnowanie betonu PCM z porów

znajdujących się na jego powierzchni [3.55]

Materiały te starano się stosować w budownictwie jeszcze w latach 70-tych i 80-tych XX wieku. PCM podlegają przemianie fazowej w określonym zakresie temperatury. Kiedy temperatura mieszanki dochodzi do temperatury przemiany fazowej, materiały PCM absorbują nadmiar ciepła, zamieniają się w ciecz i nie dopuszczają do przekroczenia niekorzystnego poziomu temperatury wewnątrz elementu betonowanego. Natomiast podczas spadku temperatury poniżej temperatury przemiany fazowej krzepną i oddają nadmiar zmagazynowanego ciepła, dzięki czemu stabilizują temperaturę wewnątrz elementu betonowanego. Opisanemu mechanizmowi działania materiałów zmiennofazowych w dojrzewającym betonie sprzyjają typowe warunki

beton

klimatyczne Bliskiego Wschodu, charakteryzujące się znaczą amplitudą dobową temperatury[3.7].

PCMy, które mogą być używane do przechowywania ciepła w środowisku budowlanym, a więc ich punkt topnienia mieści się w zakresie temperatury pracy budynku. Materiały te można podzielić na trzy grupy, które przedstawiono na rysunku 3.21. Te trzy grupy są podzielone na kilka podgrup.

Rys. 3.21. Rodzaje PCMs - Phase Change Materials [3.56]

Gdy wprowadza się PCM do betonu istnieje kilka wymagań, które muszą być wzięte pod uwagę.

Po pierwsze wprowadzony PCM nie powinien wchodzić w interakcje ze składnikami mieszanki podczas procesu hydratacji cementu. Może to negatywnie wpłynąć na właściwości dojrzałego betonu.

Po drugie, okres przemiany fazowej PCM-u powinien się zmieścić w korzystnym zakresie dla procesu hydratacji. Ten zakres temperatury wynosi od 19 do 34^oC. Ostatnim wymogiem jest to, aby PCM cechował się dużą pojemnością cieplną.

Najczęściej używanym PCM-em do kontroli temperatury młodego betonu jest mikrokapsułkowany Micronal w proszku [3.57], [3.58], [3.59], [3.60], [3.61], [3.62], [3.63].

Tabela 3.1 zawiera zestawienie cech fizycznych materiałów zmiennofazowych, które mogą być zastosowane w budownictwie w zależności od rodzaju grupy – organicznej i nieorganicznej [3.29].

Tabela 3.1. Zestawienie cech fizycznych materiałów zmiennofazowych zastosowanych w budownictwie

Grupa Zakres temperatury topnienia [^oC]

Przewodność cieplna [W/m. K]

Gęstość [kg/m³]

Zakres pojemności cieplnej [kJ/kg]

PCM

Organiczne 19 ÷ 34 0,3 700 ÷ 900 120 ÷ 180

PCM

Nieorganiczne 25 ÷ 35 0,6 1300 ÷ 800 120 ÷ 180

Obecnie na świecie wytwarzaniem materiałów zmiennofazowych jak również produkcją gotowych wyrobów zajmuje się kilkadziesiąt dużych firm. Do najbardziej znanych należy zaliczyć: Rubitherm, Doerken, BASF (Niemcy), EPS Ltd. (Wielka Brytania), PCM Thermal Solutions (USA), Climator (Szwecja), Cristopia (Francja), Mitsubishi Chemical (Japonia), TEAP Energy (Australia), PCMS (Chiny), PlusPolimer (Indie) [3.29], [3.64].

Literatura

3.1 Zygmunt Jamroży, beton i jego technologie, wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006.

3.2 A.M. Neville, Właściwości betonu, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2012.

3.3 Jackiewicz-Rek W., Woyciechowski P., Pielęgnacja – klucz do zapewnienia trwałości betonu w konstrukcji. budownictwo • technologie • architektura - lipiec – wrzesień 2012.

3.4 Hsino M., Pasławski J., Flexible procedure for concreting in hot and dry climate based on Phase Change Material. MATEC Web of Conferences 222, 01005 (2018).

3.5 Technologia wykonania masywnej konstrukcji żelbetowej na przykładzie budowy fundamentu pod młyn cementu w Cementowni Górażdże” , Konferencja Dni Betonu, Wisła – 2012, s. 279÷289.

3.6 BRUCE A. LUFF AND DAVE P. BHASIN. Cooling concret with liquid nitrogen, Materials, 1/1983).

3.7 Hsino M., Pasławski J., Materiały zmiennofazowe jako modyfikator betonu dojrzewającego w klimacie gorącym i suchym. Izolacje 2014 nr 2, 46-49.

3.8 Hsino M., Pasławski J., Phase Change Materials as a Modifier of Ageing

https://www.gorazdze.pl/pl/node/9722 dostęp w dniu 12.05.2020r.

3.11 E.Holt, M.Leivo, Cracking risk associated with early age shrinkage, Cem.

Concr.Comp. 26 (2004), p. 521-530.

3.12 Bissonnette P, Pierre P, Pigeon M (1999) Influence of key parameters on drying shrinkage of cementitious materials. Cem Concr Res 29:1655–1662.

3.13 Bentz DP, Jensen OM (2004) Mitigation strategies for autogenous shrinkage cracking. Cem Concr Compos 26:677–685.

3.14 Zhang J, Hou DW, Han YD (2012) Micromechanical modeling on

autogenous and drying shrinkages of concrete. Constr Build Mater 29:230–240.

3.15 Jasiczak J., Wadowska A., Rudnicki T., „Betony ultra wysokowartościowe, właściwości technologie, zastosowania”, Stowarzyszenie Producentów Cementu, Kraków 2008.

3.16 Ya Wei; Yaping Xiang; and Qianqian Zhang; Internal Curing Efficiency of Prewetted LWFAs on Concrete Humidity and Autogenous Shrinkage

Development; J. Mater. Civ. Eng. 2014.26:947-954. DOI:

10.1061/(ASCE)MT.1943- 5533.0000883.

3.17 Mateusz Wyrzykowski . Shin-Ichi Igarashi . Pietro Lura . Viktor Mechtcherine, Recommendation of RILEM 260 – RSC : using superabsorbent polymers (SAP) to mitigate autogenous shrinkage, Materials and Structures (2018) 51:135, htts://doi.org/10.1617/s1 1527-018-1241-9.

3.18

https://www.superabsorber.com/product/superabsorber/en/media-center/file:///C:/Users/M%20H/Downloads/Experimenting%20with%20FAVOR

%C2%AE%20superabsorbents%20(1).pdf. Dostęp w dniu 17.07.2019r.

3.19 H. Famili, M. Khodadad Saryazdi, T. Parhizkar “Internal curing of high strength self consolidating concrete by saturated lightweight aggregate - effects on material properties”. International Journal of Civil Engineering, 2012, vol.

10(3), s. 210-221.

3.20 J. Zhang, Y.D. Han, Y. Gao, Y. Luosun, “Integrative study on the effect of internal curing on autogenous and drying shrinkage of high-strength concrete”.

Drying Technology, 2013, 31(5), s. 565-575.

3.21 Jensen OM, Hansen PF (2001) Water-entrained cementbased materials-I.

Principle and theoretical background Cem Concr Res 31(4):647–654.

3.22 W. Kiernożycki,: „Betonowe konstrukcje masywne – Teoria, Wymiarowanie, Realizacja”. Polski Cement, Kraków 2003.

3.23 Poradnik „Cement, Kruszywa, Beton”, Górażdże Cement S.A., Chorula 2015.

3.24 D.P. Bentz, R. Turpin- Potential applications of phase change materials in concrete technology. Cement & Concrete Composites 29 (2007) 527–532.

3.25 Arora A., Sant G., Neithalath N. (2017) Numerical simulations to quantify the influence of phase change materials (PCMs) on the early- and later-age thermal response of concrete pavements Cement & Concrete Composites, 81, 11- 24 (2017).

3.26 B. Savija (2018) Materials 2018, 11 (5), 654 – Smart Crak Control in Concrete through Use of Pgase Change Materials (PCMs).

3.27 European Union, "Directive 2012/27/EU of the European parliament and of the council of 25 October 2012 on the energy efficiency", Official Journal of the European Union, L 315 Vol. 55, 1-57, 2012.

3.28 [www.clearpathsus] http://www.clearpathsus.com/articles/buildgreen.html - dostęp z dnia 17.07.2019r.

3.29 M. Jaworski „Materiały zmiennofazowe (PCM) w budownictwie – właściwości i rodzaje" - Izolacje – 18.10.2010.

3.30 M. Jaworski „Zastosowanie materiałów zmiennofazowych PCM w budownictwie, Materiały budowlane nr 2 – 2012.

3.31 Mayhoub, M.S. and Carter, D.J. (2011) 'The costs and benefits of using daylight guidance to light office buildings', Building and Environment , vol. 46, pp. 698-710.

3.32 Cosella-Dörken, " Delta-Cool 28 used in a glass facade application on a zero energy office building in Kempen, CH", <http://www.cosella-dorken.com/bvf-caen/ projects/pcm/kempen.php - dostęp z dnia 15.08.2019.

3.33 H.J. Alqallaf and E.M. Alawadhi, "Concrete roof with cylindrical holes containing PCM to reduce the heat gain", Energy and Buildings, 61, 73-80, 2013.

3.34 F. Agyenim, N. Hewitt, P. Eames and M. Smyth, "A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy

storage systems (LHTESS)", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14, 615-628, 2010.

3.35 S.N. Al-Saadi and Z. Zhai, "Modeling phase change materials embedded in building enclosure: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 21, 659-673, 2013.

3.36 Baetens, B.P. Jelle and A. Gustavsen, "Phase change materials for building applications: A state-of-the-art review", Energy and Buildings, 42, 1361-1368, 2010b.

3.37 L.F. Cabeza, A. Castell, C. Barreneche, A. de Gracia and A.I. Fernández,

"Materials used as PCM in thermal energy storage in buildings: A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, 1675-1695, 2011.

3.38 A.M. Khudhair and M.M. Farid, "A review on energy conservation in building applications with thermal storage by latent heat using phase change materials", Energy Conversion and Management, 45, 263-275, 2004.

3.39 F. Kuznik, D. David, K. Johannes and J.J. Roux, "A review on phase change materials integrated in building walls", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15, 379-391, 2011a.

3.40 S.A. Memon, "Phase change materials integrated in building walls: A state of the art review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 31, 870-906, 2014.

3.41 E. Osterman, V.V. Tyagi, V. Butala, N.A. Rahim and U. Stritih, "Review of PCM based cooling technologies for buildings", Energy and Buildings, 49, 37-49, 2012.

3.42 M. Pomianowski, P. Heiselberg and Y. Zhang, "Review of thermal energy storage technologies based on PCM application in buildings", Energy and Buildings, 67, 56-69, 2013.

3.43 N. Soares, J.J. Costa, A.R. Gaspar and P. Santos, "Review of passive PCM latent heat thermal energy storage systems towards buildings' energy efficiency", Energy and Buildings, 59, 82-103, 2013.

3.44 P. Tatsidjodoung, N. L. Pierrès and L. Luo, "A review of potential materials for thermal energy storage in building applications", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 18, 327-349, 2013.

3.45 A. Waqas and Z.U. Din, "Phase change material (PCM) storage for free cooling of buildings - A review", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 18, 607-625, 2013.

3.46 D. Zhou, C.Y. Zhao and Y. Tian, "Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in building applications", Applied Energy, 92, 593-605, 2012.

3.47 N. Zhu, Z. Ma and S. Wang, "Dynamic characteristics and energy performance of buildings using phase change materials: A review", Energy Conversion and Management, 50, 3169-3181, 2009.

3.48 T.C. Ling and C.S. Poon, "Use of phase change materials for thermal energy storage in concrete: An overview", Construction and Building Materials, 46, 55-62, 2013.

3.49 F. Kuznik, J. Virgone and J.J. Roux, "Energetic efficiency of room wall containing PCM wallboard: A full-scale experimental investigation", Energy and Buildings, 40, 148-156, 2008.

3.50 A Arora, G Sant, N Neithalath, Numerical simulations to quantify the influence of phase change materials (PCMs) on the early- and later-age thermal response of concrete pavements, Cement and Concrete Composites 81 (2017) 11e24.

3.51 Cabeza, L.F.; Castellón, C.; Nogués, M.; Medrano, M.; Leppers, R.; Zubillaga, O. Use of microencapsulated PCM in concrete walls for energy savings. Energy Build. 2007, 39, 113–119.

3.52 Hunger, M.; Entrop, A.G.; Mandilaras, I.; Brouwers, H.J.H.; Founti, M. The behavior of self-compacting concrete containing micro-encapsulated phase change materials. Cem. Concr. Compos. 2009, 31, 731–743.

3.53 Meshgin, P.; Xi, Y.; Li, Y. Utilization of phase change materials and rubber particles to improve thermal and mechanical properties of mortar. Constr. Build.

Mater. 2012, 28, 713–721.

3.54 María Fenollera ,, José Luis Míguez , Itziar Goicoechea , Jaime Lorenzo and Miguel Ángel Álvarez, The Influence of Phase Change Materials on the Properties of Self-Compacting Concrete - Materials 2013, 6, 3530-3546;

doi:10.3390/ma6083530.

3.55 Claudia Fabiani , Anna Laura Pisello , Antonella D’Alessandro , Filippo Ubertini , Luisa F. Cabeza and Franco Cotana, “Effect of PCM on the Hydration Process of Cement-Based Mixtures: A Novel Thermo-Mechanical Investigation”, Materials 2018, 11, 871; doi:10.3390/ma11060871.

3.56 Branko Šavija; Smart Crack Control in Concrete through Use of Phase Change Materials (PCMs): A Review. Materials 2018, 11, 654.

3.57 Sharma, A.; Tyagi, V.V.; Chen, C.R.; Buddhi, D. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renew. Sustain. Energy Rev. 2009, 13, 318–345.

3.58 Fernandes, F.; Manari, S.; Aguayo, M.; Santos, K.; Oey, T.;Wei, Z.; Falzone, G.; Neithalath, N.; Sant, G. On the feasibility of using phase change materials (PCMs) to mitigate thermal cracking in cementitious materials. Cem. Concr.

Compos. 2014, 51, 14–26.

3.59 Snoeck, D.; Priem, B.; Dubruel, P.; De Belie, N. Encaplsulated phase-change materials as additives in cementitious materials to promote thermal comfort in concrete constructions. Mater. Struct. 2016, 49, 225–239.

3.60 Šavija, B.; Lukovic, M.; Kotteman, G.M.; Figuieredo, S.C.; de Mendica Filho, F.F.; Schlangen, E. Development of ductile cementitious composites incorporating microencapsulated phase change materials. Int. J. Adv. Eng. Sci.

Appl. Math. 2017, 9, 169–180.

3.61 Thiele, A.M.; Wei, Z.; Falzone, G.; Young, B.A.; Neithalath, N.; Sant, G.; Pilon, L. Figure of merit for the thermal performance of cementitious composites containing phase change materials. Cem. Concr. Compos. 2016, 65, 214–226.

3.62 Young, B.A.; Falzone, G.; She, Z.; Thiele, A.M.; Wei, Z.; Neithalath, N.; Sant, G.; Pilon, L. Early-age temperature evolutions in concrete pavements containing microencapsulated phase change materials. Constr. Build. Mater. 2017, 147, 466–477.

3.63 Hunger, M.; Entrop, A.G.; Mandilaras, I.; Brouwers, H.J.H.; Founti, M. The behavior of self-compacting concrete containing micro-encapsulated phase change materials. Cem. Concr. Compos. 2009, 31, 731–743.

3.64 Entrop, A.G.; Brouwers, H.J.H.; Reinders, A.H.M.E. Experimental research on the use of micro-encapsulated Phase Change Materials to store solar energy in concrete floors and to save energy in Dutch houses. Sol. Energy 2011, 85, 1007–

1020.

3.65 Melcer A., Klugmann-Radziemska E., Lewandowski W., Materiały zmiennofazowe dostępne na rynku – właściwości i zastosowanie. Przemysł chemiczny - September 2012, 91(9):1733-1742.

4. PROGRAM, UŻYTE MATERIAŁY I METODY BADAŃ