相变潜热材料缓解大体积混凝土温度变化的试验研究

2018-10-11谈志平王龙生徐展

商品混凝土 2018年9期

谈志平，王龙生，徐展

（苏州微观世界新材料有限公司，江苏苏州 215100）

0 前言

大体积混凝土由于浇筑体积大，水泥等胶凝材料的水化放热不能进行有效释放，混凝土内部温度的迅速升高，形成了较大的内外温差，在混凝土表面产生了较大的拉应力，易引发混凝土温度裂纹。目前控制大体积温度裂纹通常有补偿收缩，降低混凝土入模温度以及调节混凝土的温升速率等技术措施[1,2]。近几年，已有材料学者尝试将相变潜热材料引入作为调节混凝土的温升速率的技术手段，降低大体积混凝土温度裂纹发生的几率。

相变潜热材料具有储能密度高、储能过程等温等优点，一直是近 30 年材料领域的重要研究课题。由相变材料建立的潜热储能系统是一种高效的储能方法，已在军事、航空等领域得到较为广泛的应用[3,4]。

本文选用 Na2HPO4·12H2O（十二水合磷酸氢二钠）和 CH3COONa·3H2O（三水合乙酸钠）作为相变潜热材料浸入孔隙率较高的粉煤灰陶粒中，并采用成膜性良好的 PVA（聚乙烯醇）和水玻璃双层包覆保证陶粒表面的密封性及抗冲击、磨蚀能力。研究此种相变潜热材料对混凝土性能及温度变化的影响。

1 试验

1.1 试验原料

（1）Na2HPO4·12H2O：分析纯，国药集团，相变温度36℃，相变潜热 280kJ/kg。

（2）CH3COONa·3H2O：分析纯，国药集团，相变温度58℃，相变潜热 264kJ/kg。

（3）陶粒：黏土质球状陶粒，2～5mm，筒压强度3.5MPa，600 级。

（4）聚乙烯醇水溶液：聚乙烯醇的醇解度为92%，浓度为 5%。

（5）水玻璃：润丰实业，模数 1.5。

（6）水泥：鹤林 P·O42.5 水泥，28d 强度52.4MPa。

（7）粉煤灰：谏壁Ⅱ级灰，45μm 筛余 13%，流动度比 101%。

（8）矿粉：梅宝 S95，比表面积 443m2/kg，28d 活性指数 104%。

（9）细集料：河砂，细度模数 2.5，含泥量1.3%。

（10）粗集料：石灰石质碎石，5～25mm 连续粒级，含泥量 0.2%。

（11）外加剂：苏博特 JM-PCA 减水剂，减水率25%。

1.2 试验方法

将十二水合磷酸氢二钠加热至 50℃ 液化，将 2～5mm 的陶粒浸泡在十二水合磷酸氢二钠中，充分浸泡后冷却，将浸泡了十二水合磷酸氢二钠的陶粒先后浸渍于聚乙烯醇水溶液和水玻璃中，使陶粒表面包覆聚乙烯醇膜和水玻璃膜，将三水乙酸钠加热至 70℃ 液化，随后用同样的方法处理陶粒，得到了分别存储十二水合磷酸氢二钠和三水乙酸钠的陶粒，采用陶粒取代部分粗集料，在大体积混凝土中植入相变潜热材料，调节混凝土的温升速率。

为模拟混凝土构件的温度变化，在试验场地分别浇筑两根 1.5m×1.5m×2m 立方柱，一个采用基准配合比，另一个植入了相变潜热材料，试验采用 C50 大体积混凝土的配合比（如表1 所示），检测混凝土的 7d、28d、60d 抗压强度以及中心温度，参考标准为 GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法》。试验时间为 9 月份，环境温度约为 20℃。

表1 C 50 大体积混凝土配合比 k g/m3

2 试验结果与讨论

2.1 陶粒用量对混凝土力学性能的影响

浸渍了相变潜热材料的黏土陶粒其表观密度约为碎石的 40%，等体积取代碎石时，使得混凝土的容重降低，而陶粒相对较低的强度则会影响混凝土的力学性能。将浸渍了 Na2HPO4·12H2O 和 CH3COONa·3H2O 的陶粒按照 1:1 的比例混合，将混合后的陶粒按照体积百分比取代粗骨料，因骨料粒度变小引起的坍落度降低由外加剂调节，不改变混凝土用水量，试验结果如表 2 和图 1 所示。

表2 陶粒用量对混凝土力学性能的影响

图1 陶粒用量对混凝土力学性能的影响

由于陶粒的自身强度远低于石灰石质碎石，部分取代碎石后混凝土的力学性能有着不同程度的下降，在取代率低于 40% 时，混凝土的力学性能依然可满足 C50的设计要求，在 C50 混凝土中，胶凝材料用量较高，混凝土的浆骨比较高，骨料自身强度对混凝土力学性能在一定范围内是可控的，本次试验中选用粒径范围为2～5mm 的陶粒，一方面可以降低陶粒上浮对混凝土匀质性的不利影响，另一方面可进一步降低陶粒强度对混凝土力学性能的影响。考虑到需在大体积混凝土中尽可能的引入相变潜热材料，在浇筑混凝土模拟构件时，陶粒的取代比例为 40%，即浸渍了 Na2HPO4·12H2O和 CH3COONa·3H2O 的陶粒各取代 20% 的石灰石质碎石。

2.2 相变潜热材料对混凝土中心温度的影响

在试验场地分别浇筑两根 1.5m×1.5m×2m 立方柱，一根采用 C50 大体积混凝土基准配合比，另一根试验柱则采用浸渍了 Na2HPO4·12H2O 的陶粒和CH3COONa·3H2O 的陶粒各取代 20% 的石灰石质碎石，分别测量两根模拟柱的中心温度，测量周期为672h（即 28d）。测量结果如表 3 和图 2 所示。

表3 相变潜热材料对混凝土中心温度的影响 ℃

图2 相变潜热材料对混凝土中心温度的影响

试验结果表明，相变潜热材料植入混凝土后，混凝土的温度变化速率发生了较大的改变，在温度上升阶段和温度下降阶段，相变潜热材料都起到了良好的温度缓冲，混凝土的中心温度在相变温度点（36℃ 和 58℃）都停留了较长的时间，使得温度峰值的出现时间推迟了72h，温度峰值降低了 7℃（从 67℃ 降低至 60℃），温度下降速度也明显降低，大幅度降低了大体积混凝土温度裂纹发生的几率。