Geopolymer Concrete Incorporated with Microencapsulated Phase change materials for Energy Efficient Buildings

Abstract

This study aims to develop new environmentally friendly construction materials with high energy storage capacity by using geopolymer concrete containing microencapsulated phase change materials (MPCM) to reduce energy consumption for buildings, which plays a key role to reduce global warming. The rheological behavior of microcapsule suspensions revile the important role of nonencapsulated phase change materials on the physical properties and structure of microcapsules. This initial investigation provided valuable information for selecting the right kinds of microcapsules to integrate into concrete. MPCM was integrated into Portland cement concrete (PCC) and geopolymer concrete (GPC), and a comparative analysis between PCC and GPC based on the thermal and mechanical properties was conducted. The influence of the hygroscopic nature of polymer shell, core/shell ratio and size of the microcapsules on the microstructure, thermal properties and compressive strength of geopolymer concrete was investigated and discussed. The combination of a polymer shell containing polar functional groups and a small size of MPCM has a significant impact on the dispersion of MPCM in the GPC matrix and the porosity enhancement of GPC, which causes a reduction of both thermal conductivity and compressive strength. In addition, a high core/shell ratio contributes to an increase of the energy storage heat capacity during the phase change and a reduction of compressive strength when PCM changes from solid to liquid state. A better understanding of the effect of microcapsule properties on GPC is important to further investigations to maximize the thermal performance and minimize the mechanical strength reduction of GPC containing MPCM for building applications. Thermal performance of GPC after incorporating MPCM was also investigated. Numerical modeling regarding the thermal performance of the materials was conducted and validated by experimental data. Systematic analysis of the effect of various climate conditions (outdoor temperature, maximum solar radiation) and MPCM-concrete design (wall thickness, MPCM concentration and core/shell ratio) on the energy efficiency of buildings using geopolymer concrete containing MPCM was examined. The possibility of utilizing GPC containing MPCM at the environmental conditions of Oslo and Madrid during a one year period was numerically evaluated. It was found that the powerv consumption for a heating/cooling system could be significantly reduced in both Oslo and Madrid after adding microcapsules into GPC walls. The wall orientations and the season have significant effect on energy efficiency of buildings, with the largest energy saving on the south and west facing walls and during summer.

Formålet med dette studiet er å utvikle miljøvennlige konstruksjonsmaterialer med høy energilagringskapasitet ved å bruke geopolymerbetong som inneholder mikroinnkapslede faseovergangsmaterialer (MPCM) for å redusere bygningers energibehov og derved medvirke til redusert global oppvarming. Reologiske målinger på suspensjoner av mikrokapslene viser at faseovergangsmaterialer som ikke er innkapslet har stor innvirkning på de fysiske egenskapene og strukturen til mikrokapslene. Resultatene fra dette innledende studiet resulterte i ny kunnskap som er essensiell for valg av riktig type mikrokapsler for bruk i betong. MPCM ble blandet inn i Portland sement betong (PCC) og geopolymerbetong (GPC), og de termiske og mekaniske egenskapene til disse ble sammenlignet og analysert. Påvirkningen av de hygroskopiske egenskapene til polymerskjellet, kjerne/skjell ratioer og størrelsen til mikrokapslene på mikrostrukturer, termiske egenskaper og trykkfasthet til geopolymerbetong ble undersøkt. Kombinasjonen av et polymerskjell som inneholder polare grupper og mikrokapsler med små størrelser har en signifikant innvirkning på dispersjonen av mikrokapsler i GPC-matrisen og på porøsitetsøkningen til GPC. Dette reduserer både den termiske konduktiviteten og slagstyrken til GPC. I tillegg vil en høy kjerne/skjell ratio øke energilagringskapasiteten under faseovergangen og redusere slagfastheten når faseovergangsmaterialet går fra fast til flytende form. En bedre forståelse av effekten av egenskapene til mikrokapslene er viktig for videre studier for å maksimere den termiske energisparingen og minimere styrkereduksjonen av betongen for videre bruk som bygningsmaterialer. De termiske egenskapene til GPC med MPCM ble også undersøkt. Resultater av numerisk modellering av de termiske egenskapene til materialene ble validert ved sammenligning med eksperimentelle data. Effekten av forskjellige klimatiske forhold (utendørstemperatur, maksimal solstrålingsstyrke) og MPCM-betong design (veggtykkelse, MPCM-konsentrasjon og kjerne/skjell ratio) på energieffektiviteten til bygninger med geopolymerbetong med tilsatt MPCM ble systematisk studert og analysert. Muligheten for å bruke GPC som inneholder MPCM under klimaforholdene i Oslo og Madrid under en ett års periode ble nummerisk modellert. Resultatene viste at energikonsumpsjonen for et varme/kjølesystem ble signifikant redusert i både Oslo og Madrid når MPCM ble tilsattvii til vegger av GPC. Veggenes retning har en stor innvirkning på energieffektiviteten. Mest energi ble spart på syd- og vestvegger under sommeren.