相变控温混凝土复合方法研究.pdf

2 0 1 1 年 第 1 0期 (总 第 2 6 4 期 ) Nu mb e r 1 0 i n 2 0 1 l ( T o t a 1 No 2 6 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 0 0 1 4 相变控温混凝土复合方法研究 史巍，侯景鹏 ( 东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 1 3 2 0 1 2 ) 摘要： 混凝土结构温度裂缝， 尤其是大体积混凝土工程中的温度裂缝 ， 缺乏有效控制措施。 提出了相变控温储能材料机敏控制混凝土 结构温度裂缝新的技术途径。 介绍了大体积混凝土相变控温材料的特点、 选用原则， 针对固液相变材料发生渗漏问题， 提出一种简单、 经济 有效的封装方法。 关键词： 温度裂缝；相变控温；封装方法；机敏 中图分类号： T U 5 2 8 5 9 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 0 4 1 0 2 Com p osit e m e t hod on t e m pe r a t u r e c on t r ol c onc r e t e w it h PCM S HIWe i ， HOU J i n g - pe n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， I n s t i t u t e No r t h e a s t Di a n l i U n i v e r s i ty， J i l in 1 3 2 0 1 2， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： T e mp e r a t u r e c r a c k s i n c o n c r e t e ， e s p e c i a l l y i n ma s s c o n c r e t e ， l a c k e ffic i e n t me t h o d s A n e w me t h o d i s p r o p o s e d t o c o n t r o l t e mp e r a t u r e c r a c k s s ma r t l y i n c o n c r e t e u s i n g P C M( p h a s e c h a n g e ma t e r i a 1 ) I n t r o d u c e s c h a r a c t e r i s t i c s o f P C M i n c o n c r e t e a n d t h e s e l e c t i o n p r i n c i p l e s I t p r o p o s e s a s i mpl e an d e ffi c i e n t e n c a ps ul a t i n g me t h o d t o pr e v e n t the l e a k a g e o fs o l i d l i q u i d PCM K e ywo r d s ： t e mp e r a tur e c r a c k； p h a s e - c h a n g e t e mp e r a t u r e c o n t r o l ； e n c a p s u l a t i o nme t h o d ； s ma r t 0 引言 混凝土结构温度裂缝是土木工程质量问题顽症之一 ， 裂缝 不仅影响美观， 而且严重影响构筑物的使用寿命和安全l 生， 大体 积混凝土温度裂缝尤为突出。 温度裂缝是由于混凝土水化硬化 初期1 ， 水泥水化释放大量热量 ， 由于混凝土是热的不 良导体 ， 大体积混凝土内部温度可高达 6 O 8 0， 混凝土内外之间形成 较大温差 ， 产生拉应力 ， 导致混凝土开裂。 如大型建筑的基础、 桥梁、 大坝、 建筑物的墙板 、 楼板等均存在不同程度的温度裂缝。 在混凝土结构使用期间， 由于环境温度变化使混凝土内外或不 同区域形成的温差， 也会导致温度裂缝的形成2 - 3 】 ， 如 ： 商品住宅 中普遍存在的混凝土楼板裂缝现象。 1 相 变控 温储 能是 机敏控 制混 凝土 结构 温度 裂缝新的技术途径 结构混凝土内部温度场随环境温度和混凝土水化热变化 而变化， 其温度应力变化具有随机性和方向交替变化的特点， 采 用构造配筋措施抗裂难以奏效。 因此， 控制温度的机制需与混凝 土结构有机一体化 ， 才可能同步感应内部温度变化 ， 实时随机 应变启动控制温度机制， 防止温度裂缝的形成。 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 ) 利用物质相变过程 产生的相变热进行热量的存储和交换 。 单位物质相变过程中 吸收或释放的能量， 称为相变潜热 ， 相变过程是一个等温或近 似等温过程。 与显热储能材料相比， 相变储能材料蓄热密度高， 相变潜热要远远高于材料显热， 如 1 k g 0 o C的冰变为水所吸收的 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ 0 4 _ 2 8 基金项目：吉林省教育厅“ 十一五” 科学技术研究项 目 相变潜热， 相当于 1 k g0的水升高 8 0时吸收热量。 本课题拟研制具有智能调节温度功能的机敏相变复合材料， 在混凝土浇筑过程中将其掺人使之与混凝土结构一体化， 利用 相变材料在特定温度范围的热效应控制混凝土内部温度场， 达 到机敏控制温度应力防止温度裂缝 目的。 在混凝土中掺入相变储能材料后 ， 混凝土水化初期 ， 水化 放热量大和放热速度快 ， 机敏相变材料发生固一液相变 ， 吸收 水化热， 控制混凝土绝对温升。 混凝土温度下降过程中， 机敏相 变材料发生液一固相变 ， 释放存储于其中的热量， 减小混凝土 的降温速度。 根据大体积混凝土温度场内部不同温度范围的不 同需求， 适时启动温控机制， 智能控制混凝土内部温度变化 、 减 小混凝土内部温度梯度 。 2 机敏相变控温复合材料的配制 2 1 遴 选相 变材料 相变材料的种类很多、 形式多样。 理想的相变储能材料应具 有以下特点 ： 相变温度合适 、 相变潜热高 、 相变可逆性好、 相变 时体积变化小、 廉价易得、 组成稳定 、 安全无毒、 无腐蚀性。 用于混凝土温度控制的相变材料， 在相变温度的选择上， 应 考虑控制混凝土内外温差在合理范围内。 相变材料的相转变温 度应在大体积混凝土温度变化范围之内， 但是需注意相变温度 不能太高也不能太低。 相变温度过低， 尤其是夏季， 将会导致拌 和、 运输过程中发生相转变 ， 即水合盐融化 ， 造成不必要的损 失 ； 相变材料的相转变温度过高， 混凝土边缘散热快 ， 边缘温度 41 低于混凝土内部温度， 造成处于混凝土边缘相变材料的浪费。 混凝土内部温度变化范围大， 尤其是大体积 昆 凝土内部热 量不容易释放出来 ， 其内部温度变化范围可达几十度， 因此在 选择相变材料时尽量选择相变潜热高的相变材料进行温度调 控， 将混凝土内外温差控制在合理范围内。 大体积混凝土温度控制， 主要是削减其水化初期放热峰， 即 在混凝土水化硬化初期， 发生吸热和放热过程 ， 控制混凝土内 部温度， 不需多次反复使用， 因此对相变材料的可逆性要求不 高。 同时考虑相变材料与混凝土的相容性、 相变材料成本 、 热传 导系数 、 与生态环境是否友好等因素。 固液相变材料价格便宜， 相变温度适宜 ， 目前在墙体材料中研究和应用最为广泛 ， 如无 机水合盐、 烷烃类相变材料等。 综合考虑以上因素本文选择无机水合盐 Na 2 H P O 1 2 H O 作相变材料， Na 2 HP O 1 2 H 2 0具有适宜的相转变温度 3 5； 而 且其相变潜热高， 为 2 8 1 k J k g ； N a z HP O 1 2 H O为弱碱性， 适合 于用在 昆 凝土中； 同时它还具有相变过程中体积变化小 、 无毒、 价格便宜等优点。 2 2 复合相变控温材料的封装技术 选择无机盐类固液相变材料时， 需要对其进行封装 ， 否则会 发生液相渗漏， 引起混凝土的腐蚀和污染环境。 针对固液相变过程 相变材料的渗漏问题， 对相变材料进行封装设计。 试验原材料： 水 泥： P O4 2 5级； 丙烯酸乳液： 上海巴斯夫公司； Na 2 H P O 1 2 H ： O： A R分析纯， 上海化学试剂有限公司。 首先将Na 2 HP O 1 2 H O研细， 再将丙烯酸乳液加入到研细 后的Na 2 H P O 1 2 H： O中， 并迅速搅拌， 使丙烯酸在无机水合盐 表面形成一层均匀的膜层。 然后将其放入摇筛机中， 加入水泥迅 速摇动， 水泥可均匀地包裹在颗粒外表面。 将封装后的相变材料 放置在标准养护室中进行养护。 3 试验 结果及 分析 3 1 复合相变控 温材料的封装效果测试 图 1 为上述复合相变材料颗粒在标准养护室中养护 2 8 d 后的颗粒形态。 由图可见， 复合相变材料颗粒表面未见有白色结 晶盐析出， 形成了具有坚硬壳层的复合材料颗粒。 采用 p H法和 加热法 ， 测试复合相变材料的封装效果。 p H法通过比较复合材 料的p H值和同等用量各原材料混合物的p H值， 分析复合材料 的包封效果。 加热法是将复合材料加热到相变温度以上 ，并保 持一段时间， 观察复合材料表面是否有白色结晶， 反映复合相 变控温材料的封装程度。 图 1 复合相变颗粒 ( 1 ) p H值法： 将上述复合相变材料放置标准养护室内， 养 护 7 d后取出， 将样品加入适量的水 ， 搅拌后 ， 用 p H试纸测得 其 p H为 1 3 ， 说明相变复合材料的外表面主要由水泥颗粒所包 4 2 裹； 再取同等用量的水泥、 丙烯酸乳液 、 N a 2 H P O 1 2 H O和水 混合在一起， 拌和均匀后测试该混合物的p H值为 9 。 相变材料 Na 2 H P O 1 2 H2 0呈弱碱性 ， 丙烯酸乳液呈弱碱性， 水泥的p H值 为 1 3 。 说明相变材料复合后， 表面确实覆盖着水泥颗粒 ， 而非各 个原材料的简单混合 ； 且复合相变材料包封效果 良好， 复合后 的相变材料在水中搅拌， 不会发生剥离现象。 ( 2 ) 加热法： 将上述复合相变材料养护 7 d后， 放在 6 0烘 箱中， 每隔 3 0 mi n观察一次， 烘 6 h ， 观察是否有 白色结晶在复 合材料表面析出。 结果表明， 复合材料表面一直未见白色结晶析 出， 即未见有相变材料渗漏现象 ， 说明水泥和聚合物乳液形成 了较为致密的膜层， 无机水合盐可较好的封装在里面。 3 2 复合相 变控温材料 的封装机理探讨 封装后的相变复合材料由相变内核和外壳两部分构成。 具 有核壳结构的复合相变控温材料， 其内核是固一 液相变材料 ， 直 接影响储热和温控性能。 本文选用丙烯酸作为外壳材料， 包裹磷 酸氢二钠水合盐相变材料 ， 然后在此核壳结构外面再裹一层水 泥。 丙烯酸具有良好的弹性和柔韧性， 柔性键成分增加 ， 可缓冲 相变材料 N a 2 H P O 1 2 H O在发生固液相转变过程中的体积变 化 ； 丙烯酸乳液的附着力强， 可在 Na 2 H P O 1 2 H O表面形成一 层弹性 良好的聚合物膜层。 有机高分子聚合物具有分子链长的 结构特点以及大分子中链节或链段 自旋转动的性质， 决定了它 具有优于无机非金属材料的弹性和塑性。 有机高分子聚合物引 入后， 无机水合盐被均匀连续坚固的、 有弹性的有机聚合物膜 层所铰结。 强韧而略有弹性的聚合物膜层耐反复冲击， 不易剥落 和崩裂， 可承受内部水合盐体积的形变， 降低内应力， 并起密封 作用。丙烯酸乳液与水泥混凝土黏结性、 相容性良好， 核壳结构 外面再包裹一层水泥， 形成聚合物一 水泥凝胶复合体的保护层 ， 进一步防止结晶水合盐的渗漏。 相变过程中， 作为内核的相变材 料发生固液相转变， 而其外层的高分子膜始终保持为固态， 即封 装后的相变材料在宏观形式上保持固态颗粒， 固液相转变过程 中不致渗漏影响混凝土的力学、 耐久性等性质。 4结 论 ( 1 ) 综合考虑各种因素， N a z H P O 1 2 H ： O具有相变潜热高 、 相转变温度适宜、 相变过程中体积变化小 、 无毒、 价格便宜等特 点， 适合于用在混凝土中作控温材料。 ( 2 ) 由丙烯酸乳液和水泥共同形成的复合凝胶体保护层 ， 可 以有效的防止固液相变材料的渗漏， 并与混凝土材料有较好相容陛。 ( 3 ) 利用相变储能材料， 机敏控制混凝土温度裂缝 ， 是一种 节约能源、 环保的新途径。 ( 4 ) 相变控温储能机敏混凝土结构 ， 是一种功能结构一体 化的新型生态功能材料， 可用于大型建筑的基础 、 桥梁 、 大坝、 建筑物的墙板、 楼板等。 参 考文献 ： 1 】刘华清， 程永锋 特高压变电站 G I S 设备基础大体积混凝土温度裂 缝控S u J 混凝土， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 1 1 8 1 1 9 2 K R AU S S P D， RO G A L L A E AT r a n s v e r s e c r a c k i n g i n n e w l y c o n s t r u c t e d b r i d g e d e c k s R N C HR P R e p o 3 8 0， T r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c h B o a r d， W a s h i n g t o n， D C ， 1 9 9 6 3 】A N DR Z E J H A n a l y s i s o f t h e r ma l fi 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： P o l i t e c h n i k a Wr o c l a w s k a 2 0 o 4 下转第 4 5页 料的长龄期对再生混凝土弹 生 模量的影响趋于稳定， 即长龄期( 均 大于 l 0年 ) 不同的两种再生粗骨料 ， 当取代率较大( r 3 0 ) 时， 其在相同的取代率下， 弹性模量减小幅度基本相同。 这是因 为随取代率的增大， 再生粗骨料占总骨料的密度增大， 再生骨 料对再生混凝土性能的影响开始起到决定性的作用 ， 由表 1的 分析已知， 再生粗骨料的力学性能随其长龄期增加而近似线性 递减， 即其制备的再生混凝土强度也是平稳下降的。 文献 6 】 表明， 再生混凝土的弹性模量较普通混凝土降低约 1 5 4 0 ， 本试 验结果也基本说明了这一点。 另外， 由图中可知， 即使长龄期较 短( 1 0年 ) 的再生混凝土， 当取代率 r = 1 0 0 时， 其弹性模量的降 低也非常严重， 约 3 2 7 ， 而长龄期较长， 取代率 r = l O 0 的再生 混凝土， 其弹性模量较天然混凝土减小了近 4 9 ， 这说明对取 代率为 1 0 0 的再生混凝土， 应当注意其在实际中的应用， 以防 止弹性模量折减过多而影响结构或构件的正常使用。 3 5 3 0 皇2 5 2 0 1 5 1 0 5 O l O 2 O 3 0 4 0 龄期 年 图 2 再 生混凝土的弹性模量 随粗骨料长龄期变化图 如图 2所示 ， 取代率 r = 3 0 时 ， 再生混凝土弹性模量的减 小和再生粗骨料长龄期增大之间是近似线性的关系。 随着取 代率的增大 ， 这种线性关系逐渐消失 ， 再生混凝土弹性模量随 再生粗骨料长龄期增大而减小的速率是逐渐减小的， 且减小的 速率先快后慢。 当再生粗骨料的长龄期较短 ， 即 1 0年以内时， 随取代率的增大， 再生混凝土的弹性模量随再生粗骨料长龄期 增加而减小的幅度较大， 这说明再生混凝土的强度在开始使用的 1 0年内强度降低的较快 ， 再生粗骨料的长龄期较长 ， 即 1 0年 以后时， 随取代率的增大， 再生混凝土的弹性模量随再生粗骨 料的年增加而减小的幅度趋于平稳， 这说明再生粗骨料长龄期 在 l 0年后， 再生混凝土的弹性模量随取代率的变化较 1 0 年前的 变化率平稳， 这可能是因为混凝土使用的前 1 0 年其强度降低 的变化率比 1 0年后的大， 导致了其制做的再生混凝土的弹性 模量降低的较快， 由于本试验所采用的再生粗骨料是 0年、 l 0年， 没有 0 年和 1 0 年之间的再生粗骨料， 故对这一问题还需要以后 进一步的研究。 3结 论 ( 1 ) 再生粗骨料的表观密度和堆积密度都较天然骨料小， 再生粗骨料长龄期越长的， 表观密度和堆积密度越小 ， 且这种 减小的趋势是近似线性的。 上接第 4 2页 【 4 】王磊 ， 熊军 相变储能材料在建筑节能中的应用研究 建材世界 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 3 ) ： 4 - 6 5 MA Z MA N A M， C A B E Z A L F ， ME HL I N G HU t i l i z a t i o n o f p h a s e c h a n g e ma t e r i a l s i n s o l a r d o m e s t i c h o t w a t e r s y s t e ms J R e n e w a b l e E n e r g y ， 2 0 0 9 ( 3 4 ) ： 1 6 3 9 1 6 4 3 6 】史巍 ， 侯景鹏 非理想相变控温材料防治混凝土温度裂缝 昆 凝土， 2 0 0 8 ( 7 ) ： 1 1 4 1 1 6 ( 2 ) 再生粗骨料干燥状态的压碎指标随其长龄期增大而增 大， 两者之间的关系也是近似线性的， 另外 ， 再生粗骨料较天然 粗骨料的吸水率有所增加， 不同长龄期的再生粗骨料之间吸水 率也不相同， l O年的吸水率为 1 5 ， 4 0年的吸水率 1 9 2 ， 随长 龄期增大， 再生粗骨料的吸水率也在增大， 但增幅较小。 ( 3 ) 原始强度相同的废弃混凝土所做制得的再生粗骨料 ， 其长龄期不同， 所制备的再生混凝土的弹性模量是不同。 当取代 率 r = 3 0 时， 再生混凝土的弹性模量随再生粗骨料长龄期增加 而近似线性减小， 当取代率 r 3 0 时， 这种减小关系不再是线 性的， 再生混凝土的弹性模量随再生粗骨料的长龄期逐渐减小， 且变化率先大后小。 ( 4 ) 在相同的取代率下， 长龄期越长的再生粗骨料， 其制备 的再生混凝土的弹性模量越小。 ( 5 ) 在不同的取代率下， 再生粗骨料的长龄期对再生混凝 土弹性模量影响的大小不同： 取代率 r 3 0 ， 长龄期对再生混凝土弹性 模量的影响较大。 ( 6 ) 再生粗骨料的长龄期在 1 0年以内时， 再生混凝土的弹 性模量随取代率的增大而降低的幅度很大； 长龄期在 1 0年以 后时， 再生混凝土的弹性模量随取代率的增大而降低的幅度 较小。 ( 7 ) 取代率 r = l O 0 的再生混凝土弹性模量较天然混凝土 降低非常大。 ( 8 ) 由于再生混凝土的弹性模量降低， 对于由不同长龄期 再生粗骨料所制备的再生混凝土， 要根据其弹性模量的大小来 确定其用途 ， 以防不当使用产生过大的变形对结构的安全及正 常使用造成影响。 参考 文献 ： 1 杜婷， 李慧强， 吴贤国 再生混凝土的研究现状和存在问题 J 】 建筑技 术， 2 0 0 3 ( 2 ) 【 2 】孔德玉天然与再生骨料混凝土水灰比统定则( I ) 骨料强度的影 响【 J j 建筑材料学报， 2 0 0 3 ， 6 ( 2 ) ： 1 2 9 1 3 4 【 3 】P AD MI NI A K I n fl u e n c e of p a r e n t c o n c r e t e o n t h e p r o p e i e s o f r e e y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s ， 2 0 0 9 ( 2 3 )： 8 2 9 8 3 6 【 4 】 G B T 5 0 0 8 0 - - - 2 0 0 2 ， 普通混凝土拌合物性能试验方法标准【 s 】 【 5 】 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 ， 普通混凝土力学性能试验方法标准【 s 】 【 6 1 叶孝恒 再生混凝土的基本力学性能叨西部探矿工程， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 2 2 3 2 2 5 作者简介 ： 联 系地址 联 系电话 王社良( 1 9 5 6 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师。 西安市雁塔路 1 3 号 西安建筑科技大学土木工程学院 ( 7 1 0 0 5 5 ) 1 8 7 2 9 5 3 8 3 7 5 【 7 】史巍 ， 张雄 相变储能大体积混凝土的控温性能【 J 】 同济大学学报 2 0 1 0 ， 3 8 ( 4 ) ： 5 6 4 5 6 8 作者简介 联 系地 址 联 系电话 史巍( 1 9 7 3 一 ) ， 女， 博士， 副教授， 研究方向： 新型建筑材料。 吉林省吉林 市长春路 1 6 9号 东北电力大学建工学院 ( 1 3 2 0 1 2 ) 1 3 8 4 3 2 8 0 8 69 4 5