Pesquisa Básicahttps://doi.org/10.21041/ra.v10i2.479

Painéis cimentícios reforçados com fibra sustentável contendo PCM: Desempenho mecânico e térmico

Sustainable fiber reinforced cementitious panels containing PCM: Mechanical and thermal performance

Paneles cementicios sustentables reforzados con fibra que contienen PCM: Comportamiento mecánico y térmico

B. Y. Pekmezci1 * , E. Y. Tuncel2

1 Department of Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering, Istanbul Technical University, Istanbul, Turkey..

2 Department of Architecture, Faculty of Architecture, Istanbul Technical University, Istanbul, Turkey..

*Contact author: pekmezcib1@itu.edu.tr

Recepção: 26 de novembro de 2019.
Aceitação: 11 de fevereiro de 2020.
Publicação: 30 de abril de 2020.


Citar como: Pekmezci, B. Y., Tuncel, E. Y. (2020), "Painéis cimentícios reforçados com fibra sustentável contendo PCM: Desempenho mecânico e térmico", Revista ALCONPAT, 10 (2), pp. 180 – 190, DOI: https://doi.org/10.21041/ra.v10i2.479

Resumo
Um estudo experimental foi planejado e executado para a aplicação de PCM (phase change materials) contendo painéis cimentícios reforçados com fibra em edifícios. O objetivo da pesquisa foi melhorar o desempenho térmico dos painéis. Painéis com dimensões de 60x120x2,5 cm foram produzidos e investigações experimentais sobre o desempenho térmico e mecânico dos compósitos foram realizadas. Os compósitos contendo PCM apresentaram maior capacidade de calor latente e menor condutividade térmica. O reforço com fibras cortadas compensou a perda de resistência devido ao PCM em painéis de cimento. A energia de fratura específica dos painéis aumentou com o aumento da taxa de PCM. Os painéis cimentícios reforçados com fibra de PCM mostraram grande potencial para edifícios com eficiência energética, com propriedades térmicas e mecânicas aprimoradas.
Palavras-chave: eficiência energética, PCM, compósitos cimentícios reforçados com fibra.

Abstract
An experimental study was planned and executed for the application of Phase Change Materials (PCM) containing fiber-reinforced cementitious panels on buildings. The objective of the research was to enhance the thermal performance of the panels. Panels with the dimensions of 60x120x2.5 cm were produced and experimental investigations about the thermal and the mechanical performance of the composites were carried out. PCM containing composites showed higher latent heat capacity and lower thermal conductivity. Reinforcement with chopped fibers compensated the strength loss due to PCM in cementitious panels. Specific fracture energy of the panels increased with increase of PCM ratio. PCM containing fiber reinforced cementitious panels showed great potential for energy efficient buildings with enhanced thermal and mechanical properties.
Keywords: energy efficiency, phase change materials, fiber reinforced cementitious composites.

Resumen
Un estudio experimental fue planificado y ejecutado para la aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) que contienen paneles cementicios reforzados con fibra en edificios. El objetivo de la investigación fue mejorar el comportamiento térmico de los paneles. Se produjeron paneles con unas dimensiones de 60x120x2,5 cm y se llevaron a cabo investigaciones experimentales sobre el comportamiento térmico y mecánico de los compuestos. Los compuestos que contienen PCM mostraron mayor capacidad de calor latente y menor conductividad térmica. El refuerzo con fibras cortadas compensó la pérdida de resistencia debido a PCM en paneles cementosos. La energía de fractura específica de los paneles aumentó con el aumento de la relación PCM. Los paneles cementicios reforzados con fibra que contienen PCM mostraron un gran potencial para edificios energéticamente eficientes con propiedades térmicas y mecánicas mejoradas.
Palabras clave: eficiencia energética, materiales de cambio de fase, compuestos cementicios reforzados con fibra.


1. IntroduÇÃo

O uso da energia solar tornou-se um método promissor para alcançar soluções eficientes em energia ao longo do século passado. Melhorar as propriedades térmicas dos componentes do edifício contribuirá para o uso eficiente de energia, impedindo ganho / perda de calor através da vedação do edifício. Mais conforto térmico tornou-se importante com o desenvolvimento de sistemas de painéis e vedações finas de construção devido à sua baixa massa térmica. Os PCMs são materiais favoráveis ​​para aplicações térmicas devido à sua grande contribuição para a massa térmica de um edifício e, portanto, fornecem "inércia" contra as alterações de temperatura.

A sustentabilidade se tornou uma meta para o desenvolvimento global e para o uso efetivo de energia confiável, sustentável e moderna. Esse objetivo foi revelado entre os objetivos das Nações Unidas (ONU) 2030 (Nações Unidas, 2015; Esseghir e Khouni, 2014).

Por outro lado, o consumo de energia no mundo está aumentando significativamente. Esse aumento no consumo também está causando problemas ambientais. Nas últimas duas décadas, esse aumento chegou a 30% (Sharifi et al., 2017; Chen et al., 2017; Chwieduk et al., 2003; Papadopoulos et al., 2002; IEA, 2016).

Considerando que 60% do consumo de energia é consumido pelos edifícios devido às operações de aquecimento e refrigeração, deve-se considerar que a redução desse consumo contribuirá significativamente para o consumo global de energia. Métodos passivos de ar condicionado podem ser aplicados para reduzir o consumo de energia nos edifícios. Tecnologias passivas de ar condicionado podem ser usadas em conjunto com métodos tradicionais para criar sistemas híbridos (Geetha e Velraj, 2012; Akeiber et al., 2012).

PCMs são materiais com alta capacidade de calor latente. Com os PCMs, é possível armazenar alta quantidade de energia para controlar as alterações de calor no ambiente interno e aumentar o conforto (Mehling e Cabeza, 2008; Souayfane et al., 2016). Quando a temperatura ambiente sobe acima da temperatura de fusão dos PCMs, o PCM realiza uma conversão de fase de sólido para líquido. Durante esta conversão, o calor se acumula a altas temperaturas. Também solidifica quando a temperatura cai abaixo da temperatura de fusão da temperatura ambiente e libera o calor armazenado. Este processo evita altas alterações na temperatura ambiente. Os PCMs permanecem em uma temperatura quase constante durante as mudanças de fase para evitar o superaquecimento e o resfriamento do ambiente (Sharifi et al., 2017; Raoux e Wuttig, 2009).

Com a utilização do PCM em materiais de construção, as cargas de refrigeração e aquecimento dos edifícios podem ser reduzidas. Devido à alta capacidade de armazenamento de calor latente dos PCMs, o que significa um maior armazenamento de calor por unidade de volume do que outros materiais de construção (Sharma et al., 2009), a inércia térmica do edifício que utiliza materiais de construção integrados ao PCM será maior (Singh Rathore et al., 2020). A microencapsulação, que é o processo de envolver as partículas do tamanho de mícron de sólidos, líquidos e gases em uma concha inerte, é um dos métodos que pode ser usado para integrar o PCM a outros materiais. Os PCMs microencapsulados têm sido utilizados em muitas pesquisas para melhorar o desempenho térmico dos materiais de construção (Barreneche et al., 2013; Arce et al., 2012; Thiele et al., 2015, Su et al., 2012; Borreguero et al. 2014; Li et al., 2019; Tuncel e Pekmezci, 2018). Embora exista uma conclusão comum sobre o sucesso dos PCMs na melhoria do desempenho térmico, seus efeitos nas propriedades mecânicas dos materiais de construção nos quais estão integrados ainda precisam de um exame mais aprofundado para aplicações confiáveis.


2. Estudo experimental

Neste estudo, experimentos foram realizados para determinar as propriedades mecânicas e térmicas de painéis compostos de cimento contendo PCM. A extrusão por calandras, que é um método de produção sustentável, tem sido usada na produção de painéis. Painéis com teor de PCM de 2,5% e 5% e painéis que não contêm PCM (0%) foram produzidos usando o sistema de extrusão por calandra. A representação esquemática do sistema de produção de painéis de cimento reforçado com fibra de extrusão por calandras é apresentada na Fig. 1.

Figura 1. Perspectiva da linha de extrusão por calandras (Pekmezci, 2015).

As dimensões das amostras produzidas foram 60x120x2,5cm. As condições ambientais eram de 18 ℃ de temperatura e 65% de umidade relativa. As amostras de painel produzidas foram levadas às dimensões necessárias para o estudo experimental e os ensaios foram realizados. Fibras de vidro discretas foram utilizadas na produção de compósitos. Os ensaios foram realizados à temperatura ambiente de 18 ℃.

O cimento era cimento branco obtido na fábrica de cimento Cimsa Turquia. Um superplastificante à base de policarboxilato, obtido da SIKA Turkey, foi utilizado para a produção de amostras. As propriedades do cimento branco Cimsa são apresentadas na Tab. 1. Os fios de vidro cortado CEM-FIL Anti-Crak HP 74/12 foram usados ​​como reforço. As propriedades das fibras fornecidas pelo fabricante são apresentadas na Tab. 2. As propriedades do PCM (fornecidas pelo fabricante) são apresentadas na Tab. 3.

Tabela 1. Propriedades do cimento
Propriedade Valor
Tempo de pega, inicial (minutos) 115
Le chatelier abertura (mm) 1.0
Resistência à compressão, 2 dias, MPa 37.0
Resistência à compressão, 28 dias, MPa 60.0
SO3 (%) 3.45
Resíduo insolúvel (%) 0.16
Perda ao fogo (%) 3.10
Cl- (%) 0.011

Tabela 2. Propriedades da fibra de vidro.
Comprimento da fibra 12 mm
Taxa dimensional (comprimento / diâmetro) 74
Diâmetro do filamento 14 - 19 μm
Perda ao fogo (%) (ISO 1887 : 1995) 0.80 - 2.00
Mistura (%) (ISO 3344 : 1997) 0.50 máx
Massa específica 2.68 g/cm3
Material Vidro álcali-resistente
Resistência química Muito alta
Módulo de elasticidade 72 GPa
Resistência à tração 1700 MPa

Tabela 3. Propriedades do PCM
Tipo de produto Em pó
Ponto de fusão (aprox. em °C) 23
Capacidade total de armazenamento (aprox. em kJ/kg) 135
Capacidade de calor latente (aprox. em kJ/kg) 100

Na concepção dos painéis compostos, foram utilizadas duas quantidades diferentes de PCM (2,5% e 5,0% da massa total). Uma mistura simples que não incluía PCM também foi produzida para comparação. Em todas as misturas, a proporção de fibras foi utilizada como 2% do volume total. A relação água/cimento foi mantida em 0,40. A trabalhabilidade das misturas, adequada para extrusão por calandras, foi fornecida por superplastificante e modificador de viscosidade. As proporções das misturas utilizadas no estudo são apresentadas na Tab. 4.

Tabela. 4. Traços.
Traço # Cimento kg/m3 Areia kg/m3 Relação água/cimento PCM (% total) Fibra de vidro (% total vol.) Aditivo WR (% m. cimento)
I 666 1332 0.4 - 2 2
II 617 1234 0.4 2,5 2 2
III 577 1154 0.5 5 2 2

3. Resultados e discussões

3.1 Condutividade térmica e propriedades mecânicas

Os ensaios de condutividade térmica foram conduzidos de acordo com a ISO 8301: 1991 usando um aparelho de medidor de fluxo de calor (Ahlborn) em compósitos planos e PCM. A Fig. 2 mostra a configuração do ensaio de condutividade térmica. Amostras com dimensões de 350 x 350 x 25 mm foram utilizadas para as medições de condutividade térmica e mantidas em água de cal saturada à temperatura de 21 ± 1 ℃ por 28 dias. As amostras foram secas a 60 ° C até atingirem massa constante para evitar qualquer erro de ensaio à base de umidade. Os ensaios começaram quando a amostra chegou à temperatura ambiente. A determinação da condutividade térmica foi realizada em uma condição de estado estacionário com uma temperatura média de + 10 ℃ no centro da seção transversal da amostra.

Fig 2. Configuração do ensaio de condutividade térmica.

A condutividade térmica dos painéis foi de 0,33 W/mK, 0,31 W/mK e 0,29 W/mK para painéis incluindo 0%, 2,5% e 5% de PCM por massa total, respectivamente. Embora a proporção de PCM leve a uma alteração nos valores de condutividade térmica, essa alteração não é significativa quando avaliada do ponto de vista do isolamento térmico.

As propriedades mecânicas dos compósitos foram baseadas no ensaio de resistência à compressão uniaxial de 28 dias e no ensaio de flexão de quatro pontos de viga simples. Ensaios de resistência à compressão foram realizados em amostras de cubo de 40 mm. Para ensaios de flexão, foram utilizadas amostras de vigas de 45 mm de largura e 25 mm de altura. O comprimento da viga era de 350 mm, enquanto o comprimento do vão era de 300 mm. Uma máquina de ensaio de circuito fechado (MTS Criterion 5500) foi usada em ambos os ensaios e as curvas de deflexão de carga foram geradas nos ensaios de flexão. Os valores específicos de energia de fratura (Wf) das amostras também foram determinados de acordo com a recomendação do Comitê Técnico RILEM 50-FMC (RILEM TCS, 1985). Os ensaios foram conduzidos a 18 ℃. Cinco amostras individuais foram ensaiadas para cada grupo.

A Fig. 3 mostra os resultados do ensaio de resistência à compressão. Fica claro na Fig. que, à medida que a taxa de PCM aumenta, a resistência à compressão da matriz diminui. Quando a variação dos valores da resistência à compressão com as taxas de PCM da matriz é examinada, a resistência à compressão da matriz diminui 7,5% e 10% quando o PCM é usado em 2,5% e 5%, respectivamente.

Figura 3. Relação da resistência à compressão com a taxa de PCM dos painéis.

A Fig. 4 mostra a variação dos valores de resistência à flexão com a quantidade de PCM. É claro que as resistências de flexão diminuem à medida que a quantidade de PCM na mistura aumenta. Quando a quantidade de PCM é de 2,5% e 5%, as resistências de flexão diminuem em 7% e 13%, respectivamente.

A Fig. 5 mostra a variação de valores específicos de energia de fratura com a quantidade de PCM. Os valores específicos da energia de fratura aumentam à medida que a quantidade de PCM da mistura aumenta em contraste com os valores de resistência. O aumento específico da energia de fratura foi de 31% e 40% para taxas de PCM de 2,5 e 5%, respectivamente. Este aumento em valores específicos de energia de fratura pode ser atribuído a um aumento na capacidade de deformação. À medida que a quantidade de PCM na mistura aumenta, a ductilidade dos compósitos também aumenta devido ao valor específico da energia de fratura.

Figura 4. Relação da resistência à flexão com a taxa de PCM dos painéis.

Figura 5. Relação de energia específica de fratura com a taxa de PCM dos painéis.

3.2 Microstrutura

A micrografia do PCM microencapsulado na matriz de cimento é mostrada na Fig. 6. Quando olhamos para a Fig. 6, pode-se dizer que o PCM microencapsulado fornece boa ligação com a matriz de cimento e não há fissuras na interface. No entanto, observa-se que o PCM mantém sua forma esférica. Isso mostra que PCMs microencapsulados durante a mistura, processamento e cura podem ser usados ​​sem deterioração.

Fig. 6. PCM microencapsulado em matriz de cimento.

Na Fig. 7, a distribuição de PCMs microencapsulados na matriz cimentícia é mostrada no caso de uso de PCM em diferentes proporções.

As Figs. 7a e 7b mostram imagens SEM de misturas contendo 2,5% e 5% de PCM, respectivamente. É claro que os PCM microencapsulados são colocados mais próximos uns dos outros com 5% de uso, mas as cápsulas de PCM não se tocam enquanto preservam a integridade da fase da argamassa entre eles.

Figura 7. Distribuição de PCM microencapsulada na matriz cimentícia

3.3 Desempenho do armazenamento térmico

As paredes internas de duas salas de tamanho equivalente foram cobertas com as amostras produzidas no painel e as mudanças de temperatura nas salas foram monitoradas. Painéis sem PCM foram aplicados a uma das salas, enquanto amostras de painéis contendo PCM contendo 5% foram aplicadas à outra sala. Para obter o melhor desempenho do PCM, foram realizadas medições nas salas equivalentes, com volume de 50 m3 construído no prédio principal do laboratório. O ar condicionado do laboratório principal foi desligado por quatro dias durante as férias e a temperatura no laboratório principal foi deixada flutuar dependendo das condições naturais. Nesse processo, a temperatura máxima no laboratório atingiu 28 ℃ durante o dia e a temperatura mínima permaneceu em 15 ℃ durante a noite. A flutuação máxima na sala foi medida como 3 ℃ na sala onde foram utilizados painéis sem PCM, enquanto 1 ℃ foi observada na sala onde foram utilizados painéis incluindo PCM.

4. Conclusões

Dentro do escopo deste estudo experimental, as seguintes conclusões podem ser tiradas;

Referências

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