相變潛熱材料緩解大體積混凝土溫度變化的試驗研究

談志平，王龍生，徐展

（蘇州微觀世界新材料有限公司，江蘇 蘇州 215100）

0 前言

大體積混凝土由于澆筑體積大，水泥等膠凝材料的水化放熱不能進行有效釋放，混凝土內(nèi)部溫度的迅速升高，形成了較大的內(nèi)外溫差，在混凝土表面產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，易引發(fā)混凝土溫度裂紋。目前控制大體積溫度裂紋通常有補償收縮，降低混凝土入模溫度以及調(diào)節(jié)混凝土的溫升速率等技術(shù)措施[1,2]。近幾年，已有材料學(xué)者嘗試將相變潛熱材料引入作為調(diào)節(jié)混凝土的溫升速率的技術(shù)手段，降低大體積混凝土溫度裂紋發(fā)生的幾率。

相變潛熱材料具有儲能密度高、儲能過程等溫等優(yōu)點，一直是近 30 年材料領(lǐng)域的重要研究課題。由相變材料建立的潛熱儲能系統(tǒng)是一種高效的儲能方法，已在軍事、航空等領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用[3,4]。

本文選用 Na2HPO4·12H2O（十二水合磷酸氫二鈉）和 CH3COONa·3H2O（三水合乙酸鈉）作為相變潛熱材料浸入孔隙率較高的粉煤灰陶粒中，并采用成膜性良好的 PVA（聚乙烯醇）和水玻璃雙層包覆保證陶粒表面的密封性及抗沖擊、磨蝕能力。研究此種相變潛熱材料對混凝土性能及溫度變化的影響。

1 試驗

1.1 試驗原料

（1）Na2HPO4·12H2O：分析純，國藥集團，相變溫度36℃，相變潛熱 280kJ/kg。

（2）CH3COONa·3H2O：分析純，國藥集團，相變溫度58℃，相變潛熱 264kJ/kg。

（3）陶粒：黏土質(zhì)球狀陶粒，2～5mm，筒壓強度3.5MPa，600 級。

（4）聚乙烯醇水溶液：聚乙烯醇的醇解度為92%，濃度為 5%。

（5）水玻璃：潤豐實業(yè)，模數(shù) 1.5。

（6）水泥：鶴林 P·O42.5 水泥，28d 強度52.4MPa。

（7）粉煤灰：諫壁Ⅱ級灰，45μm 篩余 13%，流動度比 101%。

（8）礦粉：梅寶 S95，比表面積 443m2/kg，28d 活性指數(shù) 104%。

（9）細(xì)集料：河砂，細(xì)度模數(shù) 2.5，含泥量1.3%。

（10）粗集料：石灰石質(zhì)碎石，5～25mm 連續(xù)粒級，含泥量 0.2%。

（11）外加劑：蘇博特 JM-PCA 減水劑，減水率25%。

1.2 試驗方法

將十二水合磷酸氫二鈉加熱至 50℃ 液化，將 2～5mm 的陶粒浸泡在十二水合磷酸氫二鈉中，充分浸泡后冷卻，將浸泡了十二水合磷酸氫二鈉的陶粒先后浸漬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，將三水乙酸鈉加熱至 70℃ 液化，隨后用同樣的方法處理陶粒，得到了分別存儲十二水合磷酸氫二鈉和三水乙酸鈉的陶粒，采用陶粒取代部分粗集料，在大體積混凝土中植入相變潛熱材料，調(diào)節(jié)混凝土的溫升速率。

為模擬混凝土構(gòu)件的溫度變化，在試驗場地分別澆筑兩根 1.5m×1.5m×2m 立方柱，一個采用基準(zhǔn)配合比，另一個植入了相變潛熱材料，試驗采用 C50 大體積混凝土的配合比（如表1 所示），檢測混凝土的 7d、28d、60d 抗壓強度以及中心溫度，參考標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 50081—2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法》。試驗時間為 9 月份，環(huán)境溫度約為 20℃。

表1 C 50 大體積混凝土配合比 k g/m3

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 陶粒用量對混凝土力學(xué)性能的影響

浸漬了相變潛熱材料的黏土陶粒其表觀密度約為碎石的 40%，等體積取代碎石時，使得混凝土的容重降低，而陶粒相對較低的強度則會影響混凝土的力學(xué)性能。將浸漬了 Na2HPO4·12H2O 和 CH3COONa·3H2O 的陶粒按照 1:1 的比例混合，將混合后的陶粒按照體積百分比取代粗骨料，因骨料粒度變小引起的坍落度降低由外加劑調(diào)節(jié)，不改變混凝土用水量，試驗結(jié)果如表 2 和圖 1 所示。

表2 陶粒用量對混凝土力學(xué)性能的影響

圖1 陶粒用量對混凝土力學(xué)性能的影響

由于陶粒的自身強度遠(yuǎn)低于石灰石質(zhì)碎石，部分取代碎石后混凝土的力學(xué)性能有著不同程度的下降，在取代率低于 40% 時，混凝土的力學(xué)性能依然可滿足 C50的設(shè)計要求，在 C50 混凝土中，膠凝材料用量較高，混凝土的漿骨比較高，骨料自身強度對混凝土力學(xué)性能在一定范圍內(nèi)是可控的，本次試驗中選用粒徑范圍為2～5mm 的陶粒，一方面可以降低陶粒上浮對混凝土勻質(zhì)性的不利影響，另一方面可進一步降低陶粒強度對混凝土力學(xué)性能的影響?？紤]到需在大體積混凝土中盡可能的引入相變潛熱材料，在澆筑混凝土模擬構(gòu)件時，陶粒的取代比例為 40%，即浸漬了 Na2HPO4·12H2O和 CH3COONa·3H2O 的陶粒各取代 20% 的石灰石質(zhì)碎石。

2.2 相變潛熱材料對混凝土中心溫度的影響

在試驗場地分別澆筑兩根 1.5m×1.5m×2m 立方柱，一根采用 C50 大體積混凝土基準(zhǔn)配合比，另一根試驗柱則采用浸漬了 Na2HPO4·12H2O 的陶粒和CH3COONa·3H2O 的陶粒各取代 20% 的石灰石質(zhì)碎石，分別測量兩根模擬柱的中心溫度，測量周期為672h（即 28d）。測量結(jié)果如表 3 和圖 2 所示。

表3 相變潛熱材料對混凝土中心溫度的影響 ℃

圖2 相變潛熱材料對混凝土中心溫度的影響

試驗結(jié)果表明，相變潛熱材料植入混凝土后，混凝土的溫度變化速率發(fā)生了較大的改變，在溫度上升階段和溫度下降階段，相變潛熱材料都起到了良好的溫度緩沖，混凝土的中心溫度在相變溫度點（36℃ 和 58℃）都停留了較長的時間，使得溫度峰值的出現(xiàn)時間推遲了72h，溫度峰值降低了 7℃（從 67℃ 降低至 60℃），溫度下降速度也明顯降低，大幅度降低了大體積混凝土溫度裂紋發(fā)生的幾率。

3 結(jié)論

（1）由于陶粒的自身強度遠(yuǎn)低于石灰石質(zhì)碎石，部分取代碎石后混凝土的力學(xué)性能有著不同程度的下降，在取代率低于 40% 時，混凝土的力學(xué)性能依然可滿足 C50 的設(shè)計要求。

（2）相變潛熱材料植入混凝土后，混凝土的溫度變化速率發(fā)生了較大的改變，使得混凝土中心溫度峰值的出現(xiàn)時間推遲了 72h，溫度峰值降低了 7℃（從 67℃降低至 60℃），溫度下降速度也明顯降低，大幅度降低了大體積混凝土溫度裂紋發(fā)生的幾率。