相变材料对水泥混凝土性能的影响

周靓 石伟 王春伟

（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室 西安 710064）

0 引 言

混凝土作为一种混合材料，拌和过程滞留在结构内部的游离水形成一定体积的连通毛细孔，在负温下游离水发生物态变化发生膨胀变形，变形受到孔壁的约束产生拉应力，使结构内部出现微损伤，经过多次冻融循环后，损伤不断积累，而由此产生的冻融破坏是影响水泥混凝土路面耐久性的主要因素［1］.

相变材料（phase change materials，PCM）具有良好的蓄热特性，已广泛应用于建筑领域，张东等［2］采用2步法制备出具有良好储能性能的相变混凝土；高桂波等［3］发现在大体积混凝土结构中，相变材料的预填埋量越多其控制内部温升的效果越好；相变墙体在建筑节能中作用显著等.

相变材料应用于公路交通领域的研究起步较晚，李超［4］在沥青混合料中掺入PCM 以改善沥青混合料的温度敏感性，Aaron R.Sakulich等［5］基于CONCTEMP 程序，建模分析，认为掺加相变材料的水泥混凝土路面的寿命比未掺加的寿命至少提高1年等.相变材料，发生相变时通过吸热或放热能有效缓解水泥混凝土路面在冻融条件下发生冻融破坏［6］.通过掺加相变材料来提高水泥混凝土路面的耐久性具有良好的发展前景.然而，相变材料作为一种外掺剂，对水泥混凝土基本性能影响的研究较少.以轻集料为载体掺入相变材料能够获得蓄热性能良好的相变混凝土［7］，本文选用轻集料作为掺加载体，基于抗压强度试验、等温量热试验和TPS试验，分析相变材料对水泥砂浆性能的影响，为相变材料在水泥混凝土路面中的实际应用提供参考.

1 试验材料及方法

1.1 原材料及砂浆配比

试验采用52.5普通硅酸盐水泥；集料为天然硅砂，级配组成见表1；相变材料选用石蜡和PEG600，其基本性能见表2；水灰比为0.4，m（水泥）：m（砂）=1∶3，拌合用水为蒸馏水.

普通粘土陶粒和天然多孔浮石作为相变材料掺加载体，其基本性能见表3.

表1 砂的级配组成

表2 相变材料的基本性能

表3 轻集料基本性能

1.2 相变集料的制备

利用自制网框对轻集料进行筛分，将筛分好的轻集料完全烘干后放入液体相变材料中浸泡，24h后移出在环境温度下干燥2h，放入40 ℃的烘箱烘干24h后即得相变集料.相变集料与干燥轻集料质量之差即为吸附于轻集料中的相变材料的质量.测得轻集料对相变材料的24h吸收率见表4.

表4 轻集料对相变材料的吸收率 %

1.3 水泥砂浆制备

试配3种类型的水泥砂浆：（1）控制水泥砂浆；（2）以饱水轻集料替代部分硅砂的水泥砂浆；（3）以轻集料为载体掺加相变材料的水泥砂浆.

相变集料直接混入普通水泥砂浆，按规范要求制备水泥砂浆.制备过程中需注意2点：（1）相变集料以等体积原则替代部分常规骨料，避免各类型骨料级配相差过大；（2）在含有轻集料的组合中，多掺30g／cm3的水确保轻集料达到饱和，以降低因轻集料的吸水性对水泥水化的影响.

由轻集料带入水泥砂浆的相变材料质量大约是水泥砂浆质量的2.4%，各类型的材料组成见表5.

按上述方法及配比拌制水泥砂浆后注入边长为50mm 的立方体钢试模中，试件成型后用塑料薄膜进行密封处理，在标准温度和湿度下养护24 h脱模.浸入饱和石灰水中，继续养护至指定时间后进行随后一系列测试.每种组合的水泥砂浆制备3组平行试件.

表5 材料组成

1.4 试验内容

1）抗压强度测试 分别测量3种类型7种组合水泥砂浆试件的3，7和28d抗压强度.

2）等温量热试验 水化热是衡量水泥水化的一个重要指标，采用等温量热试验测定水化放热量，研究相变材料对水泥水化的影响.

等温量热试验测试样本与抗压强度测试样本为同一批次，根据类型的不同，取7.4～8.1g不等的水泥砂浆放到装有量温计的密封玻璃瓶中进行试验，试验持续7d.在试验的前45min中，由于量温计尚未达到稳定，未记录早期水化放热量.

3）TPS试验 TPS技术是测定固体材料热扩撒系数和热导性的一种有效方法［8］，通过TPS试验，测定相变材料对水泥砂浆热传导性的影响.

试验采用测试过28d抗压强度的立方体试件，测量仪器为直径为6.403mm 的探头（内部为双螺旋布置的镍金属线，外部用聚酰亚胺薄膜进行绝缘保护）.通电探头电阻随时间的变化关系如式（1）.

式中：R0为t=0时镍盘阻值；α为探头电阻温度系数；ΔTi为护层薄膜两边温差；P0为探头输出总功率；r为探头半径；λ为被测材料导热系数；D（τ）为随时间增加的函数，其表达式为

式中：J0为贝塞尔函数，采用15 个圆环探头的D（τ）函数对双螺旋线圈结构进行描述，对计算结果影响不大［9］.为量纲一的量，其计算式为

式中：a为试件热扩散系数；t为测量时间；θ为特征测量时间.

试验及计算过程如下：（1）在室温（25±1）℃条件下将试件垂直切割成左右对称的2块；（2）将探头夹入两块试件的平整光滑的外表面之间，以减少接触电阻；（3）探头通入恒定直流电，记录测试时间内探头两端电压变化情况；（4）联立式（1）～（6）求出试件的导热系数.

探头输出总功率P0为0.3 W.测试每隔45min进行一次，每组试件测定5次取平均值.

2 试验结果分析

2.1 对抗压强度的影响

抗压强度试验结果见图1.

由图1可知，控制水泥砂浆A 的3，7和28d抗压强度均为最高，从图1a）可以发现，B1、B2的抗压强度发生不同程度衰减，这说明轻集料会造成水泥砂浆强度降低.这可能是因为轻集料尚未饱和，从而影响水化正常进行，另外，其本身结构较脆弱也是造成强度下降的原因之一.B1，B2的28d抗压强度相比控制水泥砂浆A 分别降低了5%和30%，后者的强度衰减程度是前者的6倍，不难从图1c），1d）中看出，包含天然多孔浮石的组合与包含普通粘土陶粒的组合也出现类似现象，表明掺加轻集料引起水泥砂浆强度降低的程度与轻集料材料性质相关，天然多孔浮石较强的吸水性以及由粒径均匀引起的级配不良是造成强度大幅度降低的原因.

图1 抗压强度对比图

图1d），1e）中，相变材料掺入后水泥砂浆的抗压强度降低的幅度更大，特别是包含PEG600的D1，D2组合，其28d抗压强度相比控制水泥砂浆分别降低了43.5%和48%.表明，相变材料对水泥砂浆的强度有不利影响，且影响程度与相变材料类别以及与水泥作用机理有关，下面将作进一步讨论.

2.2 对水泥水化的影响

等温量热试验结果见图2.

图2a）中，B1，B2的水化放热曲线与控制水泥砂浆A 的放热曲线基本保持一致，这说明轻集料的掺加对水泥水化的影响较小，值得注意的是，在水化进行到12.5～22.5h时，B1和B2的放热率反而比控制水泥砂浆的稍高，这可能是由多掺的拌合水引起的内养护［10］.这也证明了轻集料的脆弱性是导致B1、B2强度下降的直接原因.

图2 水化放热曲线

图2a），b）中，C1，C2的水化放热曲线与控制水泥砂浆A 以及B1、B2放热曲线差别不大，说明石蜡对水泥水化的影响不大.结合前述的强度分析结果可以发现，石蜡对水泥砂浆强度的影响并非基于其对水化的影响，而是通过其他方式，可能是其掺加降低了水化硅酸钙的结晶度，亦或是石蜡破坏了胶凝材料与集料界面粘结力，确切的原因有待进一步的研究.

图2b）中，相比控制水泥砂浆A 水化放热曲线，包含PEG600材料的D1，D2放热曲线峰值分别降低了42%和37%，并且峰值的出现滞后了数小时.这说明，PEG600材料的掺加阻碍了水泥的水化，其原因可能是水泥砂浆拌制的过程中，PEG600发生解吸，而PEG600 为长链型分子结构，这种结构使其极易包裹在水泥颗粒表面，阻碍水泥水化，另外PEG600的存在可能激发了硅酸二钙的水化，而对硅酸三钙水化起抑制作用，导致峰值的降低与滞后.PEG600对水泥水化的影响直接导致水泥砂浆抗压强度的损失.

3.3 对水泥砂浆导热性的影响

TPS试验测得的水泥砂浆导热性能常数见表5.

表5 水泥砂浆热性能常数测试结果

试验表明，控制水泥砂浆A 的导热系数最高，比热最小.仅掺轻集料的B1、B2导热系数相比控制水泥砂浆A 分别降低了21.6%和10.4%，集料的类型是影响水泥砂浆导热性的显著因素之一，天然多孔浮石的导热性较普通粘土陶粒好，这是B2导热系数衰减程度较B1小的原因所在.

相变材料的掺入降低水泥砂浆的导热系数，但是这种降低是基于轻集料为载体.较只掺入轻集料的B1，B2组合，相变材料的掺入对导热系数的影响并不显著，其中，当天然多孔浮石作为载体时，C2、D2的导热系数较B2分别降低了3.7%和8.3%；普通粘土陶粒为载体时，包含PEG600的组合的导热系数较B1 反而有所增大.这可能是因为相变材料的掺量较低.由此可见，以轻集料作为载体掺入相变材料，影响水泥砂浆导热性的主要因素是轻集料的类型.

另外，该试验是在试件表面干燥的状态下进行的，潮湿状态下的材料导热系数会有所增大［10］.

3 结 论

相对控制水泥砂浆，以轻集料为载体掺加相变材料对水泥砂浆强度、水泥水化以及砂浆导热性均会造成不利影响.

1）对强度的影响程度与相变材料类型以及所选载体性质相关.其中，PEG600对强度的影响大于石蜡；天然多孔浮石作为载体的影响大于普通粘土陶粒.

2）当轻集料以饱水状态掺入水泥砂浆时，其对水泥水化的影响并不显著，甚至某种程度上有利于水化的进行；当饱和轻集料为载体掺加石蜡时，对水泥的水化影响较小，可忽略不计，而掺加PEG600时不仅滞后了水泥水化放热峰，而且大大降低了放热峰值.

3）轻集料的类型及性质直接影响复合水泥砂浆的导热性，其中普通粘土陶粒的影响比天然多孔浮石大，由于相变材料的掺量较低，其对导热性的影响并不显著.

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