Published September 1, 2023 | Version v1
Publication Metadata-only

Atomistic simulations, meso-scale analyses and experimental validation of thermal properties in ordinary Portland cement and geopolymer pastes

Creators

  • 1. University of Genoa
  • 2. National University of the Littoral
  • 3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 4. Centro de Investigación de Métodos Computacionales
  • 5. Technical University of Darmstadt
  • 6. National Technological University
  • 7. University of the Basque Country
  • 8. Material Physics Center

Description

Ordinary Portland Cement (OPC)- and alternative binder-based materials have been widely used in Thermal Energy Storage (TES) applications due to their excellent TES capacities, good mechanical properties and low-cost. In this attempt, this work proposes an upscaling procedure to model the TES properties of two hydrated pastes made of OPC and a Hybrid cement (i.e., an alternative H-Cement binder), the latter employed for a GEOpolymer-based composite (GEO). Firstly, an atomistic approach based on energy minimization and molecular dynamics is employed for modelling the thermal behaviors and heat storage capacities of CSH (calcium silicate hydrate) and NASH (sodium aluminosilicate hydrate) phases, being those the main phases for OPC-based paste and GEO, respectively. Then, an up-scaling optimization procedure and meso-scale FEM homogenization techniques are proposed to link the TES parameters of the atomistic main phases of OPC-based paste and GEO with the homogenized upper meso/macro scale values. To this end, the results of an experimental program on both OPC and GEO pastes have been considered as benchmark to calibrate/validate the numerical tools. Promising simulations at several scales and up-scaling procedures are demonstrated in terms of homogenized temperature-dependent heat capacity and thermal diffusivity, showing a good agreement with the experimental data of the analyzed mixtures.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

تم استخدام الأسمنت البورتلاندي العادي (OPC)- والمواد البديلة القائمة على الرابط على نطاق واسع في تطبيقات تخزين الطاقة الحرارية (TES) نظرًا لقدراتها الممتازة على تخزين الطاقة الحرارية (TES) وخصائصها الميكانيكية الجيدة وتكلفتها المنخفضة. في هذه المحاولة، يقترح هذا العمل إجراء ترقية لنمذجة خصائص TES لمعجنين رطبين مصنوعين من OPC وأسمنت هجين (أي رابط H - Cement بديل)، ويستخدم الأخير لمركب قائم على GEOpolymer (GEO). أولاً، يتم استخدام نهج ذري يعتمد على تقليل الطاقة والديناميكيات الجزيئية لنمذجة السلوكيات الحرارية وقدرات تخزين الحرارة لمراحل CSH (هيدرات سيليكات الكالسيوم) و NASH (هيدرات ألومينو سيليكات الصوديوم)، وهي تلك المراحل الرئيسية للمعجون القائم على OPC و GEO، على التوالي. بعد ذلك، يُقترح إجراء تحسين توسيع النطاق وتقنيات تجانس FEM متوسطة النطاق لربط معلمات TES للمراحل الرئيسية الذرية للعجينة القائمة على OPC و GEO مع قيم المقياس المتوسط/الكلي العليا المتجانسة. ولتحقيق هذه الغاية، تم اعتبار نتائج برنامج تجريبي على كل من معاجين OPC و GEO كمعيار لمعايرة/التحقق من صحة الأدوات العددية. يتم عرض عمليات المحاكاة الواعدة على العديد من المقاييس وإجراءات التوسع من حيث السعة الحرارية المتجانسة المعتمدة على درجة الحرارة والانتشار الحراري، مما يدل على توافق جيد مع البيانات التجريبية للمخاليط التي تم تحليلها.

Translated Description (French)

Le ciment Portland ordinaire (OPC) et les matériaux alternatifs à base de liant ont été largement utilisés dans les applications de stockage d'énergie thermique (tes) en raison de leurs excellentes capacités tes, de leurs bonnes propriétés mécaniques et de leur faible coût. Dans cette tentative, ce travail propose une procédure de mise à l'échelle pour modéliser les propriétés tes de deux pâtes hydratées à base d'OPC et d'un ciment hybride (c'est-à-dire un liant alternatif H-Cement), ce dernier utilisé pour un composite à base de GEOpolymère (GEO). Tout d'abord, une approche atomistique basée sur la minimisation de l'énergie et la dynamique moléculaire est utilisée pour modéliser les comportements thermiques et les capacités de stockage de chaleur des phases CSH (hydrate de silicate de calcium) et NASH (hydrate d'aluminosilicate de sodium), qui sont respectivement les phases principales de la pâte à base d'OPC et de la GEO. Ensuite, une procédure d'optimisation de mise à l'échelle et des techniques d'homogénéisation FEM à mésoéchelle sont proposées pour relier les paramètres tes des phases principales atomistiques de la pâte à base d'OPC et GEO aux valeurs d'échelle méso/macro supérieures homogénéisées. À cette fin, les résultats d'un programme expérimental sur les pâtes OPC et GEO ont été considérés comme des repères pour calibrer/valider les outils numériques. Des simulations prometteuses à plusieurs échelles et des procédures de mise à l'échelle sont démontrées en termes de capacité thermique et de diffusivité thermique homogénéisées en fonction de la température, montrant un bon accord avec les données expérimentales des mélanges analysés.

Translated Description (Spanish)

El cemento Portland ordinario (OPC) y los materiales alternativos basados en aglutinantes se han utilizado ampliamente en aplicaciones de almacenamiento de energía térmica (tes) debido a sus excelentes capacidades de tes, buenas propiedades mecánicas y bajo costo. En este intento, este trabajo propone un procedimiento de ampliación de escala para modelar las propiedades tes de dos pastas hidratadas hechas de OPC y un cemento híbrido (es decir, un aglutinante de cemento H alternativo), este último empleado para un compuesto a base de GEOpolímero (GEO). En primer lugar, se emplea un enfoque atomístico basado en la minimización de la energía y la dinámica molecular para modelar los comportamientos térmicos y las capacidades de almacenamiento de calor de las fases CSH (silicato de calcio hidratado) y NASH (aluminosilicato de sodio hidratado), siendo estas las principales fases para la pasta a base de OPC y GEO, respectivamente. Luego, se propone un procedimiento de optimización de escala ascendente y técnicas de homogeneización de mesoescala FEM para vincular los parámetros tes de las fases principales atomísticas de la pasta a base de OPC y GEO con los valores de la escala meso/macro superior homogeneizada. Con este fin, los resultados de un programa experimental en pastas OPC y GEO se han considerado como punto de referencia para calibrar/validar las herramientas numéricas. Las simulaciones prometedoras a varias escalas y los procedimientos de escalado se demuestran en términos de capacidad de calor dependiente de la temperatura homogeneizada y difusividad térmica, mostrando un buen acuerdo con los datos experimentales de las mezclas analizadas.

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
المحاكاة الذرية والتحليلات المتوسطة والتحقق التجريبي من الخصائص الحرارية في الأسمنت البورتلاندي العادي ومعاجين البوليمر الجيولوجي
Translated title (French)
Simulations atomiques, analyses à l'échelle méso et validation expérimentale des propriétés thermiques dans le ciment Portland ordinaire et les pâtes géopolymères
Translated title (Spanish)
Simulaciones atomísticas, análisis a mesoescala y validación experimental de propiedades térmicas en pastas ordinarias de cemento Portland y geopolímeros

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4377090607
DOI
10.1016/j.compstruc.2023.107068

Is supplement to
https://openalex.org/W4387497383 (Other)
https://openalex.org/W3183948672 (Other)
https://openalex.org/W3173606202 (Other)
https://openalex.org/W3110381201 (Other)
https://openalex.org/W2948807893 (Other)
https://openalex.org/W2935909890 (Other)
https://openalex.org/W2778153218 (Other)
https://openalex.org/W2758277628 (Other)
https://openalex.org/W2117854909 (Other)
https://openalex.org/W1531601525 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1559644754
  • https://openalex.org/W1867579824
  • https://openalex.org/W1965555338
  • https://openalex.org/W1972128701
  • https://openalex.org/W1986750845
  • https://openalex.org/W1995953672
  • https://openalex.org/W2014038743
  • https://openalex.org/W2019747631
  • https://openalex.org/W2038726889
  • https://openalex.org/W2040734884
  • https://openalex.org/W2056397785
  • https://openalex.org/W2057502998
  • https://openalex.org/W2081395496
  • https://openalex.org/W2155155530
  • https://openalex.org/W2158263181
  • https://openalex.org/W2160815766
  • https://openalex.org/W2305607100
  • https://openalex.org/W2397868298
  • https://openalex.org/W2563794684
  • https://openalex.org/W2581186254
  • https://openalex.org/W2609742614
  • https://openalex.org/W2610154550
  • https://openalex.org/W2615149926
  • https://openalex.org/W2731240179
  • https://openalex.org/W2735751331
  • https://openalex.org/W2738432472
  • https://openalex.org/W2747452103
  • https://openalex.org/W2783195315
  • https://openalex.org/W2792224255
  • https://openalex.org/W2793181841
  • https://openalex.org/W2808584815
  • https://openalex.org/W2891492993
  • https://openalex.org/W2897991595
  • https://openalex.org/W2952148134
  • https://openalex.org/W2972469575
  • https://openalex.org/W3019404606
  • https://openalex.org/W3087529165
  • https://openalex.org/W3130198823
  • https://openalex.org/W3172365033
  • https://openalex.org/W4200413452
  • https://openalex.org/W4224874860
  • https://openalex.org/W4313137956
  • https://openalex.org/W863962702