石蜡基相变墙体的热工与力学性能研究

作     者：恽定康 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张宇;杨宇

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0813[工学-建筑学] 

主      题：寒区 石蜡 相变混凝土 热学性能 力学性能 

摘      要：相变材料(PCM-Phase Change Material)作为一种储能材料已经被广泛地应用于建筑领域,在墙体结构中引入相变材料可以显著提高其热惰性,减少建筑能耗,实现建筑节能。本文依据前人的研究,将相变墙体作为建筑外墙应用于房屋结构。对比普通墙体,以材料投资回报周期为指标,研究相变墙体在房屋结构中应用的适用性,并对不同石蜡掺量相变墙体的热工性能进行分析。同时利用相变材料可以降低混凝土温度敏感性的特性,进而达到减轻冻融循环对混凝土耐久性影响的目的。本文基于普通和相变混凝土冻融损伤的本构关系,采用数值仿真的方法,分析经冻融循环后的两种混凝土材料劣化对剪力墙抗震性能的影响,以期评价相变墙体的力学性能。本文主要研究内容和结论如下:(1)采用有限元仿真的方法,建立普通房间和相变房间的有限元模型,在维持室内一定温度的情况下,分析两种房间的节能效果,进而定量研究相变墙体应用于房屋结构时的适用性和应用潜力。研究结果表明,相变墙体减少了建筑能耗,且投资回报周期约为13.4年,远小于建筑设计寿命。研究所得结果可为相变材料在寒区建筑中的推广运用提供有益参考。(2)相变墙体可以利用潜热蓄能达到数倍于普通墙体的蓄热和热惰性效果,但相变材料掺量需要通过科学研究确定。本文采用有限元仿真的方法,建立不同石蜡掺量的相变墙体模型,依据哈尔滨地区气象资料施加温度荷载,通过分析保温性能、节能效率和蓄热量三个指标来评价墙体热物性。研究结果表明,在石蜡掺量大于20%后,石蜡掺量的增加对相变墙体的热工性能提升幅度减小。研究所得结论可为优化直掺型相变混凝土石蜡掺量提供有益参考。(3)建立钢筋混凝土剪力墙计算模型,为确定该剪力墙应用时最佳的轴压比,对轴压比为0.3、0.4、0.5和0.6的剪力墙进行抗震性能分析。同时,通过建立相变混凝土冻融损伤的本构关系,获取受损后的普通和相变混凝土材料本构模型数据,对该剪力墙模型开展低周往复荷载作用下的仿真分析。研究结果表明,该剪力墙模型在高轴压比(0.5-0.6)下可以表现出较好的承载能力和变形能力。同时,等效粘滞系数更高,耗能能力更好,结构抗震性能发挥的作用最大,因此轴压比建议取0.6。在添加20%相变骨料后,承载能力和初始刚度衰减均约为1%,但提高了墙体的变形能力,100次冻融循环后相变混凝土剪力墙的承载能力和刚度高于普通混凝土剪力墙,并展现出良好的延性和耗能能力。研究所得结论可为相变材料在混凝土结构中作为控温材料的应用提供重要的参考和依据。