不同条件下相变控温大体积混凝土的温控性能.pdf

第 1 6 卷第 6 期 2 0 1 3年 1 2月 建筑材料学报 J OURNAI ( ) F B UI L DI N f G MATE RI AI S Vo1 16， No 6 De c 。 2 0 1 3 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 3 ) 0 6 1 0 6 3 0 4 不 同条件 下相变控温大体积 混凝 土的温控性 能 史巍 ， 侯 景 鹏 ( 东 北 电力 大学 建 筑工 程学 院 ， 吉林 省 吉 林 1 3 2 0 1 2 ) 摘 要 ： 将 石蜡 乳 液相 变材料 掺入 到 混凝 土 中， 制得 相 变控 温 混凝 土 研 究 了原 材料 预 热 、 环 境 温度 波动 和拆模 状 况 下相 变控 温大体 积 混凝 土的 温控 性 能 结 果表 明 ： 原 材料 预 热 后 ， 相 变控 温 大体积 混凝 土较普 通 大体 积混 凝 土 内部 温度峰 值 降低 ， 放 热峰 变 宽 ， 升 温 和 降 温速 度 减 小 ； 环 境 温 度 波动 时 ， 相 变控 温 大体积 混凝 土表 层 温度 变化较 普 通 大体 积 混凝 土 平缓 ； 拆 模 后 ， 相 变控 温 大体 积 混凝 土表层 温度 降幅较 普通 大体 积 混凝 土 小 ， 这将 从根 本上 防止 大体 积 混凝 土温度 裂缝 的 出现 关键 词 ：温度 裂缝 ；大体积 混 凝土 ； 相 变材 料 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 3 0 6 0 2 5 Te m p e r a t u r e Co n t r o l Pr o p e r t i e s o f M a s s Co n c r e t e wi t h Pha s e Ch a n g e M a t e r i a l i n Di f f e r e nt Co n d i t i o n s SHI We i ， H0U J i n g pe n g ( S c h o o l o f C i v i l a n d Ar c h i t e c t u r a l En g i n e e r i n g，No r t h e a s t Di a n l i Un i v e r s i t y，J i l i n 1 3 2 0 1 2 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Emu l s i o n p a r a f f i n c a n b e a d d e d t o c o n c r e t e t o o b t a i n c o n c r e t e wi t h p h a s e c h a n g e ma t e r i a l ( PCM c on c r e t e) Te mpe r a t ur e c o nt r o l pr o pe r t i e s o f PCM ma s s c o nc r e t e we r e s t ud i e d i n di f f e r e nt c o nd i t i ons 。 e ， p r e he a t i ng r a w m a t e r i a l s， e nv i r o nme n t t e m p e r a t u r e f l uc t ua t i o n a nd m o ul d r e m o v a 1 The r e s ul t s s h o w t h a t a f t e r r a w ma t e r i a l s pr e h e a t i ng，ma xi mum t e mpe r a t u r e o f PCM m a s s c o nc r e t e i s l o we r t h a n t h a t o f or d i na r y m a s s c on c r e t e ， a nd t e m pe r a t ur e i nc r e a s i n g a nd t e m p e r a t u r e r e d uc i n g r a t e a r e s l o we d d o wn W he n e nv i r on m e nt a l t e mpe r a t ur e f l u c t u a t i n g，PCM m a s s c o nc r e t e s u r f a c e t e mp e r a t u r e c ha ng e s a r e mo r e ge nt l e t ha n t ha t o f o r d i na r y ma s s c o nc r e t e Af t e r mou l d r e mov a l ，PCM ma s s c o nc r e t e s u r f a c e t e mp e r a t u r e dr o ps mo r e s l owl y t ha n t ha t o f or d i na r y ma s s c o nc r e t e The r e f o r e i t c a n s ubs t a n t i a l l y pr e v e n t t e mp e r a t u r e c r a c ks i n ma s s c o nc r e t e Ke y wo r d s：t e mpe r a t ur e c r a c k；m a s s c on c r e t e；p ha s e c ha n ge ma t e r i a l 大 体积 混凝 土温 度裂 缝是 因混凝 土结 构 内部 温 度 场 温差形 成 温度应 力 所导 致 的 大 型建 筑基 础 、 桥 梁 、 大 坝等 均存 在不 同程 度 的温 度裂缝 ， 尤 其 是冬 季 施 工 的大体 积 混 凝 土 构 筑 物 ， 既存 在 因早 期 受 冻 而 产生 的温 度裂 缝 ， 又存 在 因水 泥 水 化 热 造成 温差 而 形 成 的温 度裂 缝u J 相 变材 料 ( P C M ， p h a s e c h a n g e ma t e r i a 1 ) 可 以在 等温或近似等 温情况 下发 生相 变 ， 与周 围介 质或 环 境 进行 热 量 交 换 ， 起 到 热 能 储 存 和 温 度 调 控 作 用 目前人们 正在探索利用相 变材料在特定 温 度 范 围 的热效 应 降低 大 体 积 混 凝 土 内部 最 高 温 升 值 和升 、 降温 速 度 ， 从 而达 到 机 敏 控 制 混 凝 土 内 部 温 度 应 力 ， 防止 混 凝 土 温 度 裂 缝 产 生 的 目的 一 般 将 掺 有 相 变材 料 并 具 有一 定 控 温效 果 _ 6 。 的混 凝 土 称 为相 变 控 温 混凝 土 本 文 研 究 了原 材 料 预 热 、 环 境 温度 波 动 和拆 模 状 况 下 相 变 控 温 大 体 积 混 凝 土 的温 控性 能 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 6 1 2 ；修订 日期 ： 2 0 1 2 0 9 0 6 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 8 0 8 2 ) ； 吉林 省 自然科学基金 资助项 目( 2 0 1 2 1 5 1 6 6 ) 第一作者 ： 史巍( 1 9 7 3 一 ) ， 女 ， 吉林 省吉林 市人， 东北 电力大学 副教授 ， 博 士 E ma i l ： s h i we i 7 3 h o t ma i l C O IT I 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 史巍 ， 等 ： 不同条件下相变控温大体积混凝土 的温控性 能 表 2 相变控温大体积混凝土拌和温度计算结果 Ta b l e 2 Ca l c u l a t i o n r e s u l t s o f mi x i n g t e mp e r a t u r e o f ma s s c o n c r e t e wi t h PC M 3 d ， 待温度完全降至室温后 ， 放入温度测试模拟房 中 模拟房由具有保温绝热功能的硅酸钙板制作 ， 内 设有热源 ， 外部有数字温度控制器 控制模拟房 内部 温度至 3 O ， 并持续一段时间 ， 然后关闭热源 ， 使模 拟房 内温度下降 将模拟房 门打开 ， 使冷空气流入， 然后关闭模拟房门， 这样模拟房内温度发生波动 ， 犹 如环境温度发生骤变 检测试件在测点 4处的温度 1 2 4 拆模模拟试验设计 环境温度波动模拟试验结束后 ， 将试件在常温 下放置 3 d ， 然后进行拆模 模拟试验 将试件放入模 拟房 中， 对 模 拟房 加 热， 并控 制模 拟 房 内温度 在 7 0左右 待试件温度稳定在 7 O左右后 ， 将热源 关闭， 并将模拟房 门打开 ， 这样模拟房内温度迅速从 7 O降至室温 ， 使试件犹如经历拆模过程 中温度波 动情况 检测试件在测点 4处 的温度 2 试验结果与分析 2 1 预 热原 材 料试验 结 果与分 析 原材料预热后大体积混凝土温度随时间变化情 况见图 2 ， 其中图例说明中 P C代表相变控温大体积 昆 凝 土； C代表普通大体积混凝 土； P C或 C后的数 字 1 ， 2 ， 3 ， 4分别代表温度测点 1 ， 2 ， 3 ， 4 ； E T代表环 境温度 由图 2可见 ： ( 1 ) 混凝土 周 围环境 温度 为 2 O 左右 ( 2 ) 升温过程 中相变控温大体积混凝土 和普通大体积混凝土各测点温度峰值 由高到低的顺 序均为： 测点 3 测点 2 测点 4 测点 1 测点 3和 测点 2位于混凝土 中心 ， 所 以温度峰值较高 ( 3 ) 相 变控温大体积混凝土各测点温度峰值均低于普通大 体积混凝土对应测点的温度峰值 ， 且放热峰变宽 普 通大体积混凝土测点 3 ， 2 ， 4 ， 1处 温度峰值 分别为 5 1 4 7 。 5 1 1 9 ， 5 0 5 2 ， 5 0 0 5 ； 相 变控温大体 积混 凝土测 点 3 ， 2 ， 4 ， 1处 温 度 峰 值 分 别 为 4 8 2 8 ， 4 8 2 O ， 4 6 9 O ， 4 6 5 3 这 是 由 于在 升 温 过 程 中相 变材料吸收了混凝土 中部分水化热量， 因而相 变控 温大体 积 混凝 土各 测点 温度 峰值 均低 于普通 混 凝 土 对应测点的温度峰值 ( 4 ) 在升温过程 中， 相变控温 Ti me s 图 2 原材料预热后大体积混凝土 温度 随时问变 化情 况 Fi g 2 Ch a n g e o f t e m p e r a t u r e wi t h t i me f o r ma s s c o n c r e t e a f t e r p r e h e a t i n g r a w ma t e r i a l s 大体积混凝土升温速度较慢 ； 在温度下降过程 中相 变控温大体积混凝土降温速度较慢 ， 而普通大体积 混凝土温度则很快降低到相变控温大体积混凝土对 应测点的温度之下 可见 ， 石蜡乳液掺人混凝 土 中 后 ， 降低 了混凝土的温度峰值 ， 减小了混凝土的升温 和降温速度 ， 起到了“ 削峰填谷” 的控温作用 2 2 环境 温 度波 动模 拟试验 结果 与分 析 大体积混凝土对环境温度波动的敏感性如 图 3 所示 由图 3可见 ， 常温下 ， 普通大体积 昆凝土受环 境温度波动影响较大 ， 其表层温度发生较大波动 ， 而 相变控温大体 积混凝土受环境温度波动影响较小 ， 其表层温度变化较平缓 上述表明， 尽管环境温度和 混 凝 土测点 4温度 在 2 5 2 6 ， 远 远 超 出 了 P C M 相变温度范围， 但是相变控 温大体积混凝土仍具有 一 定 的控 温效果 图 3 大体积 混凝 土对 环境 温度波动的敏感性 Fi g 3 Se ns i t i v i t y t o e nv i r on me nt t e mpe r a t ur e f l u c t ua t i o n f o r ma s s c on c e r t e 混凝土表层直接暴露于大气中， 环境温度的变化 将引起混凝土表层温度的变化 环境温度的短时间变 化导致混凝土材料的徐变变形难以充分发挥 根据混 凝土早期极限拉伸变形值推算 ， 只要混凝土表层温度 a J 占要 g a I 三芒。 d o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 建筑材料学报 第 1 6卷 骤降 5 7， 就可能引起其产生裂缝l_ 9 相变控温大 体积混凝土可以在相变材料的作用下 ， 不产生较大的 表层温度波动 ， 从 而抑 制温度裂缝 的出现 2 3 拆模 模拟试 验 结果与 分析 大体积混凝土拆模后其表面温度 降低 ， 表层温 度梯度 大 ， 产 生 较 大 的 拉 应 力 ， 致 使 混 凝 土 产 生 裂 缝 尤其是在低温季节施工时 ， 拆模时段大体积混凝 土更 容易 产生 裂缝 拆模后大体积混凝土温度随时间的变化情况如 图 4所 示 由图 4可 见 ， 当模 拟 房 内温 度 骤 降 时 ， 普 通大体积混凝土温度下降的速度高于相变控温大体 积混凝土 降温前模拟房内环境温度为 7 3 9 2， 普 通 大体积 混凝 土 表层 温度 稳 定 在 7 3 1 O ， 相 变 控 温大体积混凝土表层 温度稳定在 7 2 2 3 热源停 止供热 3 4 2 rai n后 ， 模拟房 内温度降至 4 5 6 8 ， 普 通大体积混凝土表层温度 降至 6 0 O 0 ， 相变控温 大体积混凝土表层温度降至 6 3 O 3 此期间普通 大 体积混 凝 土表 层 温 度 降低 了 1 3 1 0 ， 相 变 控 温 大体积混凝土表层温度降低了 9 2 0 热源停止供 热 1 4 0 5 mi n后 ， 模拟 房 内温 度 降 至 2 9 8 6 时 ， 普 通大体积混凝土表层温度 降至 4 O O O， 而相变控 温大体积混凝 土表层温度 降至 4 3 8 1 ， 即普通大 体积混凝土表层温度降低 了 3 3 1 O ， 相变控温大 体积混凝土表层温度降低 了 2 8 4 2 可见 ， 拆模后 相变控温大体积混凝 土表层温度降幅较小 ， 降温速 度 较低 ， 这可 避免混 凝 土温度 裂缝 的形成 图 4 拆模后大体积混凝 土温度 随时间变化情况 F i g 4 Ch a n g e o f t e mp e r a t u r e wi t h t i me f o r ma s s c o n c r e t e a f t e r mo u l d r e mo v a l 3 结 论 ( 1 ) 原 材料 预热后 ， 相变 控温 大体 积混凝 土 较普 通大体积混凝土内部温度峰值降低 ， 放热峰变宽， 升 温 和降温 速度减 小 ( 2 ) 环 境温 度波动 时 ， 相 变控 温大体 积混凝 土 表 层 温度变 化较 普通 大体 积 混凝土 平缓 ( 3 ) 拆模后 ， 相变控温大体积混凝土表层温度降 幅较普通大体积混凝 土小 ， 这将从根本上防止大体 积混凝 土温度 裂缝 的 出现 参考 文献 ： 1 徐向华 ， 瞿丹英 浅析高层建筑大体 积混凝 土底 板冬季施工 技 术E J 混凝土与水泥制品， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 6 6 6 8 ， XU Xi a n g h u a， QU Da n y i n g Co n c r e t e a n d c e me nt pr o d u c t s J C h in a C o n c r e t e a n d C e me n t P r o d u c t s ， 2 0 1 2 ( 2 ) ： 6 6 6 8 ( i n Ch i ne s e ) 2 3 C AB E Z A L F， c AS TE I I A， B AR RE NE C HE C， e t a 1 Ma t e r i a l s u s e d a s PCM i n t he r ma l e ne r g y s t o r a g e i n b u i l ding s ： A r e v i e w J R e n e wa b l e a n d S u s t a i n a b l e E n e r g y Re v i e ws ， 2 0 1 1 ， 1 5 ( 3) ： 1 6 7 5 一 l 69 5 3 E HI D R， F LE I S C HE R A S De v e l o p me n t a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f p a r a f f i n - b a s e d s h a p e s t a b i l i z e d e n e r g y s t o r a g e ma t e r i a l s J En e r g y Co n v e r s i o n a n d M a n a ge me nt ， 2 0 1 2， 5 3 ( 3 )： 8 4 91 r 4 AR C E P ， C AS T E L L ON C， C AS T E I L A， e t a 1 Us e o f mi c r o e n c a p s u l a t e d PCM i n bu i l d i n g s a n d t h e e f f e c t o f a d d i n g a wn i n g s J E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 2 0 1 2 。 4 4 ( 7 ) ： 8 8 9 3 5 张东 有机相变蓄热复合材料导热性能的实验研究 J 建筑材 料学报 ， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 1 ) ： 4 2 4 6 ZHANG Do n g Ex p e r i me n t a l s t u d y o n t h e r m a l c o n d u c t i v i t y o f o r g a n i c p h a s e c h a n g e c o mp o s i t e s E J J o u r n a l o f B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 08， 1 1 ( 1) ： 4 2 4 6 ( i n Ch i n e s e ) 6 史巍 ， 侯景鹏 ， 张雄 石蜡相变控温大体积混凝土性能 J 建筑 材料学报 ， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 3 ) ： 4 1 4 4 1 7 S HI We i ， HOU J i n g p e n g， ZHANG Xi o ng Pr o p e r t i e s o f ma s s c o n c r e t e wi t h p a r a f f i n p h a s e c h a n g e ma t e r i a l J J o u r n a l o f Bu i l d ing Ma t e r i a l s ， 2 0 1 0， l 3 ( 3 )： 4 1 4 - 4 1 7 ( i n Ch i n e s e ) 7 史巍 ， 侯景鹏 相变控温混凝土复合方法研 究 J 混凝土 ， 2 0 1 1 ( 1 0) ： 4 1 - 4 2 SHI We i ， HOU J ing p e n g Co mp o s i t e me t h o d o n t e mp e r a t u r e c o n t r o l c o n c r e t e wi t h P C M J C o n c r e t e ， 2 0 1 1 ( 1 0 ) ： 4 卜4 2 ( i n Ch i n e s e ) 8 史巍 ， 侯景鹏 相变控温材料在 大体积混凝 土中取代方法研 究 口 新型建筑材料， 2 0 0 9 ， 3 6 ( 7 ) ： 5 5 5 8 SHI W e i ， HOU J i n g p e n g S t u d y o n s u b s t i t u t e me t h o d o f PCM i n ma s s c o n c r e t e J Ne w B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ， 3 6 ( 7 ) ： 5 5 5 8 ( i n Ch i n e s e ) 9 叶琳昌 ， 沈义 大体积混凝 土施工 M 北京 ： 中国建筑工业 出 版社 ， 1 9 8 7 ： 2 7 3 6 YE Lin c h a n g ， S HE N Y i Ma s s c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n M B e i j i n g ： C h i n e s e C o n s t r u c t io n I n d u s t r y P u b l i s h i n g Ho u s e ， 1 9 8 7 ： 2 7 3 6 ( i n Ch i n e s e ) l n 叠 o4 吕 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m