Selection of thermal accumulative material to develop “smart ink” for 3D printing in the construction industry

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. 3D printing is a promising technology to improve the efficiency of construction. At the present time, one of the main disadvantages of this technology remains the low functionality of printed products, in particular, traditional methods are used for thermal insulation and conditioning of printed buildings, which reduces the productivity of the technology. In this regard, the use of thermal accumulative materials (TAM) with phase transition function in building 3D printing to ensure a constant comfortable temperature in the building seems promising. A paraffin-based composite TAM has been investigated for the development of “smart” construction “ink” that will provide printed buildings operating in a temperate climate zone with a passive thermoregulation function.Materials and methods. Differential scanning calorimetry method was used to study the thermal effects of phase transitions of composite TAM consisting of paraffin, paraffin oil and petroleum jelly.Results. A decrease in the peak temperatures of TAM phase transitions was recorded from 53.8 to 32 °C during melting and from 47.6 to 32.6 °C during crystallization. For the two-component composition, the maximum enthalpy reduction was from 102.4 to 27.0 J/g during melting and from 47.7 to 8.5 J/g during crystallization; for the three-component composition, the enthalpy was 60.6 J/g during melting and 20.6 J/g during crystallization. The peak melting temperature for mixtures with 60 and 40 % paraffin is 39.4 and 39.9 °C, the peak crystallization temperature is 43.5 and 33.8 °C, respectively.Conclusions. The conducted studies have shown that the use of paraffin oil and petroleum jelly allows to shift the temperature boundaries of thermal effects of paraffin-based TAM towards lower values. At the same time, a decrease in the intensity of the corresponding peaks on thermograms is recorded, which indicates a decrease in the enthalpy of phase transition processes. Obtaining three-component TAM makes it possible to maintain a higher enthalpy by providing a sequential phase transformation of each of them.

About the authors

S. R. Sokolnikova

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: srsokolnikova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0896-4512
SPIN-code: 8761-0875

A. S. Inozemtsev

Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU)

Email: InozemcevAS@mgsu.ru
ORCID iD: 0000-0001-7807-688X
SPIN-code: 2444-1204

References

  1. Mohan M.K., Rahul A.V., Schutter G.D., Tittelboom K.V. Extrusion-based concrete 3D printing from a material perspective : a state-of-the-art review // Cement and Concrete Composites. 2021. Vol. 115. P. 103855. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2020.103855
  2. Иноземцев А.С. Современная теория и практика технологии бетонов для 3D-печати в строи-тельстве // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 2. С. 216–245. doi: 10.22227/1997-0935.2024.2.216-245
  3. Raphael B., Senthilnathan S., Patel A., Bhat S. A review of concrete 3D printed structural members // Frontiers in Built Environment. 2023. Vol. 8. doi: 10.3389/fbuil.2022.1034020
  4. Пустовгар А.П., Адамцевич Л.А., Адам-цевич А.О. Международный опыт исследований в области аддитивного строительного производ-ства // Жилищное строительство. 2023. № 11. С. 4–10. doi: 10.31659/0044-4472-2023-11-4-10. EDN FOCIIT.
  5. Jahangir M.H., Ziyaei M., Kargarzadeh A. Evaluation of thermal behavior and life cycle cost analysis of greenhouses with bio-phase change materials in multiple locations // Journal of Energy Storage. 2022. Vol. 54. P. 105176. doi: 10.1016/j.est.2022.105176
  6. Jayalath A., San Nicolas R., Sofi M., Shanks R., Ngo T., Aye L. et al. Properties of cementitious mortar and concrete containing micro-encapsulated phase change materials // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 120. Pp. 408–417. doi: 10.1016/j.conbuildmat.201b6.05.116
  7. Hunger M., Entrop A.G., Mandilaras I., Brouwers H., Founti M. The behavior of self-compacting concrete containing micro-encapsulated phase change materials // Cement and Concrete Composites. 2009. Vol. 31. Issue 10. Pp. 731–743. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2009.08.002
  8. Eddhahak A., Drissi S., Colin J., Caré S., Neji J. Effect of phase change materials on the hydration reaction and kinetic of PCM-mortars // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2014. Vol. 117. Issue 2. Pp. 537–545. doi: 10.1007/s10973-014-3844-x
  9. Aguayo M., Das S., Maroli A., Kabay N., Mertens J.C. E., Rajan S.D. et al. The influence of microencapsulated phase change material (PCM) characteristics on the microstructure and strength of cementitious composites: Experiments and finite element simulations // Cement and Concrete Composites. 2016. Vol. 73. Pp. 29–41. doi: 10.1016/j.cemconcomp.2016.06.018
  10. Jeong S.-G., Jeon J., Cha J., Kim J., Kim S. Preparation and evaluation of thermal enhanced silica fume by incorporating organic PCM, for application to concrete // Energy and Buildings. 2013. Vol. 62. Pp. 190–195. doi: 10.1016/j.enbuild.2013.02.053
  11. Sarı A. Thermal energy storage characteristics of bentonite-based composite PCMs with enhanced thermal conductivity as novel thermal storage building materials // Energy Conversion and Management. 2016. Vol. 117. Pp. 132–141. doi: 10.1016/j.enconman.2016.02.078
  12. Min H.-W., Kim S., Kim H.S. Investigation on thermal and mechanical characteristics of concrete mixed with shape stabilized phase change material for mix design // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 149. Pp. 749–762. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.05.176
  13. Marani A., Nehdi M.L. Integrating phase change materials in construction materials : critical review // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 217. Pp. 36–49. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2019.05.064
  14. Aguayo M., Das. S., Castro C., Kabay N., Sant G., Neithalath N. Porous inclusions as hosts for phase change materials in cementitious composites: Characterization, thermal performance, and analytical models // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 134. Pp. 574–584. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2016.12.185
  15. Methode Kalombe R., Sobhansarbandi S., Kevern J. Low-cost phase change materials based concrete for reducing deicing needs // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 363. P. 129129. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2022.129129
  16. Sharma M., Bose D. High temperature energy storage and phase change materials : a review // Latent Heat-Based Thermal Energy Storage Systems. 2020. Pp. 51–95. doi: 10.1201/9780429328640-3
  17. Ling T.-C., Poon C.-S. Use of phase change materials for thermal energy storage in concrete : an overview // Construction and Building Materials. 2013. Vol. 46. Pp. 55–62. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2013.04.031
  18. Zalba B., Marı́n J. M., Cabeza L.F., Mehling H. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications // Applied Thermal Engineering. 2003. Vol. 23. Issue 3. Pp. 251–283. doi: 10.1016/S1359-4311(02)00192-8
  19. Берг Л.Г. Термография и области ее при-менения. Гипс и продукты его обезвоживания // Труды сессии ЛОНИТО силикатной промышлен-ности. Промстройиздат, 1949.
  20. Pielichowska K., Pielichowski K. Phase change materials for thermal energy storage // Progress in Materials Science. 2014. Vol. 65. Pp. 67–123. doi: 10.1016/j.pmatsci.2014.03.005

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».