Improving Energy Saving in Buildings by Enhancing Concrete Thermal Insulation Characteristics Using Mineral Additives

Abstract

Renewable energy and sustainability involve ways to save energy consumption. One of the most important ways is to increase thermal insulation in buildings by reducing thermal conductivity of building materials such as concrete. This can be achieved by adding suitable additives to the concrete mix. Many researchers have investigated such a trend in recent years. This subject has taken on a broad importance with the increasing importance of energy saving. However, still there are gabs in published research works in issues related to the effect of enhancing thermal characteristics of concrete through the addition of various mineral additives. In this thesis, a standard concrete mix design was modified by adding kaolin, aluminum oxide, chromium oxide or ceramic waste particles as a partial replacement of cement. Then, the effects of varying the percentage addition (5, 10, 15 and 20%) of such additives on concrete thermal characteristics were investigated. These included thermal conductivity, specific heat and thermal diffusivity. In addition, the curing progress of fresh concrete was investigating by measuring the compressive strength as a function of time until 28 days. Then, the effects of these changes on the other physical and mechanical characteristics were investigated. These included workability of fresh concrete and compressive strength, density, water absorption of fully cured concrete. The independent variables of this experimental study included additive type, addition percentage, curing time. In addition, an energy consumption model in buildings was developed to investigate the level of economic savings utilizing such enhanced concrete. The findings indicate that increasing the percentage addition of ceramic particles or chromium oxide decreases the thermal conductivity of the concrete. This is associated with a limited decrease in the compressive strength. Similarly, increasing the percentage addition of kaolin decreases the thermal conductivity up to 10% percentage addition. However, with high percentage additions (15 and 20%), the thermal conductivity is increased. On the other hand, increasing the percentage addition of aluminum oxide increases the thermal conductivity of the concrete. The impacts of these additions on workability, water absorption and the development of compressive strength are presented. The model calculations indicate that a saving of about 8% of energy used for heating and cooling can be achieved when ceramic waste particles are used at 20% percentage addition, as a replacement of cement, for concrete of walls for a particular residential building. Keywords: concrete, thermal insulation, conductivity, kaolin, aluminum oxide, chromium oxide, ceramic particles. الطاقة المتجددة واالستدامة تتضمن طرق لتوفير استهالك الطاقة. واحدة من أهم هذه الطرق هي زيادة العزل الحراري في المباني عن طريق تقليل الموصلية الحرارية لمواد البناء مثل الخرسانة. يمكن تحقيق ذلك عن طريق إضافة إضافات مناسبة إلى مزيج الخرسانة. لقد حقق العديد من الباحثين في مثل هذا االتجاه البحثي في السنوات األخيرة. اكتسب هذا الموضوع أهمية واسعة مع األهمية المتزايدة لتوفير الطاقة. ومع ذلك، ال يزال هناك نقص في األعمال البحثية المنشورة في القضايا المتعلقة بتحسين الخصائص الحرارية للخرسانة من خالل إضافة اإلضافات المعدنية لخليط الخرسانة. في هذه األطروحة، تم تعديل تصميم مزيج الخرسانة القياسي بإضافة جزيئات الكولين أو أكسيد األلومنيوم أو أكسيد الكروم أو نفايات السيراميك كبديل جزئي لإلسمنت. تم دراسة تأثير تغير نسبة اإلضافة )5 و01 و05 و01٪( من هذه اإلضافات على الخصائص الحرارية للخرسانة. وشملت هذه الخصائص الموصلية الحرارية والحرارة النوعية واالنتشار الحراري. باإلضافة إلى ذلك، تم التحقيق في تقدم معالجة الخرسانة الطازجة عن طريق قياس تغير قوة الضغط مع الوقت حتى 02 يو ًما. ثم تم التحقق من آثار هذه التغيرات على الخصائص الفيزيائية والميكانيكية األخرى. وتشمل هذه الخصائص الهبوط للخرسانة الطازجة وقوة االنضغاط والكثافة وامتصاص الماء للخرسانة المعالجة بالكامل. اشتملت المتغيرات المستقلة لهذه الدراسة التجريبية على نوع المادة المضافة ونسبة اإلضافة ووقت المعالجة. باإلضافة إلى ذلك، تم تطوير نموذج الستهالك الطاقة في المباني للتحقيق في مستوى التوفير االقتصادي الممكن باستخدام الخرسانة المحسنة. تشير النتائج إلى أن زيادة نسبة إضافة جزيئات السيراميك أو أكسيد الكروم يقلل من الموصلية الحرارية للخرسانة. هذا يرتبط بانخفاض محدود في قوة الضغط. وبالمثل، فإن زيادة النسبة المئوية للكولين في الخليط يقلل من التوصيل الحراري حتى 01 ٪ نسبة إضافة. ومع ذلك، مع زيادة النسبة المئوية لإلضافة )05 و01٪( من الكولين تزيد الموصلية الحرارية. من ناحية أخرى، تؤدي زيادة النسبة المئوية إلضافة أكسيد األلومنيوم إلى زيادة الموصلية الحرارية للخرسانة. يتم أيضا ًعرض آثار هذه اإلضافات على قابلية التشغيل وامتصاص الماء وقوة الضغط للخرسانة المحسنة. تشير حسابات النموذج المصمم إلى أنه يمكن تحقيق توفير حوالي 8 ٪ من الطاقة المستخدمة للتدفئة والتبريد عند استخدام جزيئات نفايات السيراميك بنسبة إضافة 01 ٪ كبديل لألسمنت في خرسانة الجدران لمبنى سكني محدد. الكلمات المفتاحية: الخرسانة، العزل الحراري، الموصلية، الكولين، أكسيد األلومنيوم، أكسيد الكروم، جزيئات السيراميك.