石蜡相变控温大体积混凝土性能.pdf

第 1 3 卷第 3期 2 0 1 0年 6月 建筑材料学报 J OURNAL OF B UI LDI NG MATERI AL S Vo1 1 3，No 3 J u n ， 2 0 1 0 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 4 1 4 0 4 石蜡相变控温大体积混凝土性能 史巍 ， 侯景鹏 ， 张雄 ( 1 东北 电力大 学 建 筑工 程学 院 ， 吉林 省 吉林市 1 3 2 0 1 2 ； 2 同济大学 先进 土木 工程材 料教育 部重点 实验室 ， 上 海 2 0 0 0 9 2 ) 摘要 ： 提 出相 变控 温储 能材料机敏 控 制 大体 积混 凝 土温 度 裂缝这 一 新 的技 术途 径 ， 即利 用相 变材 料在特定温度范围中的热效应来控制大体积混凝土内部的温度场， 从 而机敏控制大体积混凝土内 部 的温度应 力 ， 防止混凝 土温度 裂缝 的 出现 测试 了石蜡 相 变控 温 大体 积 混凝 土 的 中心 温度 场 分 布 ， 测试 了石蜡相 变控 温大体 积混凝 土的抗 压强度 和抗渗 性能 ， 测试 了石 蜡相 变控 温砂 浆 的微 观孔 结构特征 结果表 明： 掺 入石蜡后 ， 混凝 土 的抗 压 强度 降低 、 抗渗性提 高； 普通砂 浆 中掺入 石蜡后 ， 其 总孔 隙率变化 不大 ， 但 是孔径 向较 大孔 隙方向偏移 ； 掺入 石蜡 后 ， 大体积 混凝 土 内部 最 高温升值 降 低 ， 升 温速率和 降温速 率下 降， 这就从根 本上 防 治 了大体 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 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 0 0 3 0 2 9 Pr o p e r t i e s o f Pa r a f f i n P h a s e - Ch a n g e - Ma t e r i a l ( P CM ) M a s s Co n c r e t e f o r Te m p e r a t u r e Co nt r o l SHI We i ，HOU J i n g pe n g ， ZHANG Xi o n g ( 1 S c h o o l o f C i v i 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 ；2 Ke y L a b o r a t o r y o f Ad v a n c e d C i v i l En g i n e e r i n g Ma t e r i a l s o f Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：P h a s e c h a n g e ma t e r i a l( PC M )c a n b e a p p l i e d i n ma s s c o n c r e t e t o p r e v e n t t h e r ma l c r a c k s Th e l a t e n t he a t i n ph a s e c ha n ge ma t e r i a l i s r e l e a s e d or a bs or b e d i n a c e r t a i n t e mpe r a t ur e t o c o n t r ol t e mp e r a t u r e i n ma s s c on c r e t e ， S O t ha t PCM c a n b e us e d t o c o nt r o l t e mp e r a t u r e s t r e s s i n ma s s c o nc r e t e a n d p r e v e n t t e mpe r a t u r e c r a c k i ng i n c on c r e t e Te mpe r a t u r e di s t r i b ut i o n wa s t e s t e d i n c e n t e r a r e a of PCM m a s s c o nc r e t e f o r t e mpe r a t u r e c o nt r o1 Co mpr e s s i v e s t r e ng t h a nd pe r me a b i l i t y o f PCM ma s s c o nc r e t e we r e t e s t e d，a nd mi c r o s c o p i c po r e s t r u c t u r e of PCM mor t a r wa s a l s o i nv e s t i g a t e d The r e s ul t s s ho w t ha t t he c omp r e s s i v e s t r e n g t h o f c o nc r e t e i s r e d uc e d by a d d i ng PCM ，but t he a nt i p e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e i s e nh a nc e d The t o - t a l po r o s i t y o f PCM mo r t a r d oe s no t c h a ng e m u c h c o m p a r e d wi t h o r d i n a r y mor t a r，ho we ve r，t he p or e d i a m e t e r be c ome s b i g ge r；t he max i m u m t e mpe r a t u r e i n ma s s c o nc r e t e i s a l s o de c r e a s e d b y a dd i n g PCM ； mo r e o v e r ，t he r a t e o f t e mp e r a t ur e i n c r e a s i ng p r oc e s s a n d t e m p e r a t ur e dr op pi n g pr o c e s s a r e l owe r e d，t h us t e mpe r a t u r e c r a c k f o r ma t i o n i n ma s s c o n c r e t e c a n b e p r e ve nt e d Ke y wo r ds ：t e m p e r a t ur e c r a c k；ma s s c on c r e t e；ph a s e c h a ng e ma t e r i a l ( PCM ) 混凝 土温度 裂缝是 因混凝 土结构 内部 温度场温 差形成温度应力而导致 的 目前混凝土构筑 物如大 型建筑基础、 桥梁、 大坝、 建筑物墙板和楼板 等几乎 都不同程度地存在温度裂缝 ， 需耗费大量的人力 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 4 3 0 ； 修订 日期 ： 2 0 0 9 0 9 1 4 基金项 目： 东北电力大学博 士基金资助项 目( B S J XM一 2 0 0 8 1 5 ) 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 rn 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 4 1 6 建筑材料学报 第 1 3 卷 P C M 混凝 土温度 ， 直至 温度 降到室温 图 2普通 混凝 土和 P C M 混凝 土温度场分布 F i g 2 Te mp e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o n s o f o r d i n a r y c o nc r e t e a n d PCM c o nc r e t e 图 3为 P C M 混 凝 土 温控 效 果 曲线 图 ， 其 横 坐 标为普通混凝土测点温度值 ， 纵坐标为普通混凝土 和 P C M 混凝土温度差值 由图 3可见， 在温度上升 过程 中 ， 普通 混凝土 和 P C M 混凝 土 温度 差 值 为正 ， 说明普通混凝 土温度 始终高于 P C M 混凝 土温度 值 ， 且差值不 断增大 当温度升 高到 6 4左右 时 ， 普 通混凝土和 P c M 混凝 土温度差值最大 ， 此 时控温 效 果最佳 在 降温过 程 中 ， 普 通 混凝 土 和 P C M 混 凝 土温度差值基本为负， 说明普通混凝土温度基本低 于 P C M 混凝土温度值 可见 ， 大体积混凝土 中掺人 相变材料( 石蜡) 后 ， 不但可降低大体积混凝土的升 温速率 ， 还可降低大体积混凝土的降温速率， 从而防 止其 因温度变 化过快 而产 生的温度 裂缝 图 3 P CM 混 凝 土 温控 效 果 曲线 Fi g 3 Te mpe r a t ur e c on t r o l e f f e c t o f PCM c o nc r e t e 3 2 P CM 混凝 土抗压 强度 P C M 混凝 土抗压 强度 测试 结果 ( 见表 1 ) 表 明 ， 混凝土中掺人石蜡后 ， 其抗压强度降低 石蜡掺量为 2 的 P C M 混凝土的 2 8 d 抗压强度降低了 7 8 ； 石蜡掺量为 4 的 P C M 混凝土的 2 8 d抗压强度降 低 了 1 8 3 3 3 P C M 混凝土 抗渗性 能 P C M 混凝土抗 渗性能见表 1 由表 1可见， 随 着石蜡掺量的增大 ， 混凝土的抗渗性逐渐提高 石蜡 的掺人 可 以提 高混 凝 土 的抗 渗性 ， 从 而 提 高混 凝 土 的耐久性 在大体积混凝土实际应用过程中， 随着混 凝土内部温度的上升 ， P C M 混凝土的实际抗渗性更 高， 因为混凝土内部温度升高， 呈熔融状态的石蜡可 填充在 混凝 土的孔 隙 中， 与混凝土 互穿基 质 ， 形成 空 间 网状 结构物 ， 填充 骨 料 与水 泥 基体 界 面 过渡 区的 微 裂纹 ， 从 而提 高混凝 土 的抗 渗性 能 表 1 P C M 混凝土的抗压 强度和抗渗性能 Ta b l e 1 Co mp r e s s i v e s t r e n g t h a n d p e r me a b i l i t y p r o p e r t i e s o f P M c onc r et e PCM c o nt e n t ( b y ma s s ) I t e m- 0 2 4 3 4孔 结构分 析 表 2为砂浆 试件 的压汞试 验结 果 由表 2可见 ， 石 蜡掺量 为 2 和 4 9 6 的 P C M 砂浆 的 总孔 隙率 ( 体 积 分数 ) 分别 为 1 1 6 0 和 1 0 1 3 ， 与普 通 砂浆 总 孔隙率( 1 1 9 7 ) 相比略有降低， 这是 由于粒径细小 的石 蜡颗粒 改善 了砂 浆 骨 料级 配 的缘 故 由表 2还 可见 ， 石 蜡掺 量为 2 和 4 的 P C M 砂 浆 的平 均 孔 径均高于普通砂浆 表 2 压汞试验结果 Ta b l e 2 Re s u l t s o f MI P e x pe r i me n t s P CM c o n t e n t ( b y ma s s ) I t e m- - 0 2 4 0 05 3 1 1 9 7 2 1 1 6 2 4 0 4 0 0 6 8 l 1 6 0 2 1 06 2 3 8 3 材 料 的 比表 面积直接 与其孔 径尺寸 和孔体 积相 关 比表面积主要包括孔的内表面积 和固体的外表 面积 ， 但是外 表面 积 占的 比例很 小 当材 料总孔 隙率 一 定时 ， 材料 的孔 径 尺寸 越 小 ， 其 比表 面 积就 越 大 因此， 尽管普通砂浆和 P C M 砂浆 的总孔隙率很接 近， 但是 由于 P C M 砂浆 的总孔径较大 ， 所 以普通砂 浆的 比表面积大于 P C M 砂浆的 比表面积 ( 如表 2 所示 ) 图 4 ( a ) 为普通砂浆累计孔 隙体积与孔径分布； 图 4 ( b ) ， ( c ) 分别 为石蜡掺量为 2 和 4 的 P C M m 二、 一 一 l兰 一 一 一 一 一 一 一 ， A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 史巍 ， 等 ： 石蜡相变控温大体积混凝土性能 4 l 7 砂浆 的累计孔 隙体积与 孔径分 布 由图 4可 见 ， 掺入 石蜡后 ， 砂浆孔 径尺寸 向较大孑 L 径方 向偏 移 ， 其 中石 蜡掺量 为 2 的砂 浆 孔 径偏 移 不 多 ， 而 石蜡 掺 量 为 4 的砂 浆孔径 偏移较 多 Po r e r a d i u s um ( a )Or d i n a r y mo r t a r P o r erad i u s u m ( b )M o r t a r wi t h 2 PCM Por e r a di us um ( c )M o r t a r wi t h 4 P CM 图 4 累计孔隙体积 与孔径分布 Fi g 4 Cu m u l a t i v e p o r e v o l u me a n d p o r e r a d i u s d i s t r i b u t i o n 上述表 明 ， 石蜡掺 入后 ， 混凝 土 的总孔 隙率 变化 不大 ， 且 由于石蜡 具有 憎水性 ， 所 以混凝 土抗 渗性提 高 但 因较大孔 分布增加 ， 故混凝 土抗压 强度 降低 4 结论 1 在大体积混凝土中掺入相变材料( 石蜡) 后 ， 可 以降低其 内部 最高温 升值 2 大体 积混 凝 土 中掺入 石 蜡后 ， 可 以降 低其 升 温速率和降温速率， 从而防止混凝土因温度变化过 快而产 生的温度 裂缝 3 混凝土中掺入石蜡后 ， 其抗压强度降低 ， 抗渗 性能提 高 4 普通 砂浆 中掺入 石蜡 后 ， 其 总孔 隙率 变化 不 大 ， 但 是孔径 向较大孑 L 隙方 向偏 移 参 考文献 ： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 1 1 1 2 1 3 姚武 ， 钟 文慧 混凝 土损伤 自愈 的机理 J 材 料研究 学报 2 0 0 6， 2 0 ( 1 )： 2 4 2 8 YAO W u ZHONG W e n h u i Me c h a n i s m f o r s e l f - h e a l i n g o f c o n c r e t e d a ma g e J C h i n e s e J o u r n a l o f Ma t e r ia l s R e s e a r c h ， 2 0 0 6， 2 O ( 1 )： 2 4 2 8 ( i n Ch i n e s e ) ANDRZE J HAn a l y s i s o f t h e r ma l f i e l d i n ma s s c o n c r e t e c a u s e d b y t h e h e a t o f c e me n t h y d r a t i o n D P o l a n d ： Wr o c l a w Un i v e r s i t y of Te c h n o l o g y， 2 0 0 4 KRAUS S P D， ROGAI I A E ATr a n s v e r s e c r a c k i n g i n n e wl y c o n s t r u c t e d b r i d g e d e c k s ( NCHR P Re p o r t 3 8 0 ) E R Wa s h i n g t o n D C ： Tr a n s p o r t a t i 0 n Re s e a r c h B o a r d， 1 9 9 6 朱伯芳 大体积混凝土的温度应 力与温度控制 M 北京 ： 中 国电力 出版社 ， 1 9 9 9 ： l 一 7 ZHU 1 3 o f a n g Te mp e r a t u r e s t r e s s a n d t e m p e r a t u r e c o n t r o l i n ma s s c o n c r e t e M B e i j in g ： Ch i n a E l e c t r ic P o we r P r e s s ， l 9 9 9 ： l 一 7 ( i n Ch i n e s e) 史巍 ， 张雄 D RE Y ER J 相 变控温大体积混凝 土抗 裂性能研 究E J ， 新型建筑材料 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 1 8 2 o SHI W e i ， ZHANG Xi o n g， DREYER j St u dy o n a n t i c r a c k i n g p r op e r t i e s o f ma s s c o n c r e t e wi t h P CM f o r t e mp e r a t u r e c o n t r o l I- J N e w B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 1 8 2 0 ( i n Ch i n e s e ) 张东 ， 吴科如 孔结 构对有机 相变物质相 变行为 的调节作用 J 同济大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 4 ， 3 2 ( 9 ) ： 1 l 6 3 一 l l 6 7 Z H ANG Do n g W U Ke - r u Tu n i n g e f f e c t o f p o r o u s s t r u c t ur e o n p h a s e c h a n g i n g b e h a v i o r o f o r g a n i c p h a s e c h a n g i n g ma t t e r s J J o u r n a l o f T o n g j i Un i v e r s i t y ： N a t u r a l S c i e n c e 2 0 0 4 。 3 2 ( 9 ) ： 1 1 6 3 一 l 1 6 7 ( i n Ch i n e s e ) 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 ZH ANG Do n g Ex p e r i me nt a l s t u d y o n t h e r ma l c o n d u c t i v it 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 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 0 8， 1 1 ( 1 )： 42 - 4 6 ( i n Ch i n e s e ) GRI FFI THS P W ， EAM ES P C Pe r f o r ma n c e o f c h i l l e d c e i l i n g p a n e l s u s i n g p h a s e c h a n g e ma t e r i a l s l u r r i e s a s t h e h e a t t r a n s p o r t me d i u m J Ap p l i e d Th e r ma l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 2 7 ( 1 0) ： 1 7 5 6 l 7 6 0 K HUDHAI R A M 。 F ARl D M M A r e v i e w o n e n e r g y c o n s e r r a t i o n i n bu i l d i n g a p p l i c a t io ns wi t h t h e r m a l s t o r a ge b y l a t e n t h e a t u s i n g p h a s e c h a n g e ma t e r i a l s J E n e r g y C o n v e r s io n a n d Ma n a g e me n t ， 2 0 0 4， 4 5 ( 2 ) ： 2 6 3 27 5 FI S CH ER U R Th e r ma l c o n d u c t i v i t y a n d h e a t c a p a c i t y me a s u r e me n t s o f p a r a f f i n e mb e d d e d i n a p o r o u s ma t r i x A Th e r ma l C o n d u c t i v i t y 2 8 Th e r ma l E x p a n s io n C L a n c a s t e r P e n n s y l v a n i a： DES t e c h Pu b l i c a t i o n s ， 2 0 0 6 ： 51 7 5 2 3 SHARM A S D， KI TANO H ， S AGARA K Ph a s e c h a ng e ma t e r i a l s f o r l o w t e mp e r a t u r e s o l a r t h e r ma l a p p 1 c a t ； o n s R J a p a n： M i e Un i v e r s i t y 2 0 0 4 BENTZ D P，TURPI N RPo t e n t i a l a p p l ic a t i o n s o f p h a s e c h a n g e ma t e r i a l s i n c o n c r e t e t e c h n o l o g y J C e me n t a n d C o n c r e t e Co m p os i t e s ， 2 0 07， 29 ( 7 )： 5 2 7 5 3 2 CABEZA I F， CAS TEI L ON C，NOGUES M ， e t a 1 Us e o f m ic r o e n c a p s u l a t e d PCM i n c o n c r e t e wa l l s f o r e n e r g y s a v i n gs J E n e r g y a n d B u i l d in g s ， 2 0 0 7 ， 3 9 ( 2 ) ： 3 1 l 9 吕0 l 0 2宴 l l 1 1 E)， 若n 10 u l In 苣j u u E：1 0 22 l 羔 一 _ 嚣 1 Eg一 0 10 u l I n 基 u u E= 1 0 定 l 一 1 ， E基一 u 仨 【o l In 窨j u 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m