相變材料在橋梁系梁工程中的應(yīng)用研究

楊海春，劉望奇，李濤涌，鐘 龍，唐 輝

(1. 廣東省水利水電第三工程局有限公司，廣東 東莞 523710；2. 湖北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430062)

隨著建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，大體積混凝土的應(yīng)用也日趨廣泛[1]。大體積混凝土尺寸較大，且混凝土為熱的不良導(dǎo)體，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱能無法得到快速釋放，就會在混凝土內(nèi)部和表面形成溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土能夠承受的極限抗拉強度時，就可能在混凝土內(nèi)部或表面產(chǎn)生溫度裂縫[2-4]。大體混凝土溫度裂縫控制方法主要有預(yù)埋冷卻水管法、保溫材料覆蓋法、循環(huán)蓄水控制法和相變材料(PCM)控制法[5]。

目前工程項目主要采取預(yù)埋冷卻水管的降溫方式以應(yīng)對大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中易產(chǎn)生溫度裂縫的問題，雖然采用預(yù)埋冷卻水管的降溫方式可以切實地達(dá)到降低混凝土內(nèi)部溫升的目的，但是其通水時間、通水速率、水管布設(shè)方式等都要經(jīng)過大量計算分析才能得出，且在實際工程中往往無法嚴(yán)格實施，導(dǎo)致效果大打折扣；在與預(yù)埋冷卻水管連接的地方可能會出現(xiàn)壓漿不夠致密而留有縫隙的問題，因而水、空氣、有害的離子等容易直接侵入到混凝土內(nèi)部，金屬管因此遭到銹蝕，降低了工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；預(yù)埋冷卻水管方式加大了施工難度、延緩工期。

相變材料(Phase Change Materials，簡稱PCM)是國內(nèi)外專家近些年來在材料學(xué)科及資源再利用方面研發(fā)出的新型功能材料，在近似等溫或者等溫情況下，利用材料的相態(tài)變化吸收或釋放能量，從而達(dá)到調(diào)控溫度的目的[6]。相變材料主要分為無機類、有機類和共晶混合類[7-8]，將相變儲能材料摻入大體積混凝土中，能有效地降低大體積混凝土溫升數(shù)值，降低混凝土升溫及降溫速率，抑制大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生[9-10]。

相變材料的封裝方法目前主要有：多孔材料吸附法、熔融共混法和微膠囊法[11-12]。多孔材料吸附法是采用加壓加熱、真空、溶液等浸漬技術(shù)手段，利用多孔材料具有大量孔洞的特性，將相變材料吸入并固定[13]。熔融共混法的主要原理是利用“相似相溶”的化學(xué)原理，將一種具有良好共溶性且熔點高的物質(zhì)作為支撐，熔點低的物質(zhì)作為相變材料基體，通過利用溶劑進行共混或者將其加熱熔融后共混制備成復(fù)合型相變儲能材料[14]。微膠囊封裝法是將液體或固體相變材料用一類膜體材料裹住，得到類似于膠囊的微小粒子。目前主要利用懸浮聚合法、界面聚合法、原位聚合法及乳液聚合法制備微膠囊[15]。

1 工程概況

某跨河景觀大橋位于某市某區(qū)北河中，該景觀大橋主墩(15#、16#墩)單個承臺尺寸為16.5 m(順橋向)×56.278 m(橫橋向)，厚為5.0 m。為提高承臺的整體性，利用系梁將2個主墩承臺連接起來，系梁部位采用實心砼。系梁長為13.41 m，寬為8 m，與承臺等厚，均澆筑C40混凝土。連接承臺部位的系梁共2根，單根系梁需澆筑約525.6 m3混凝土，系梁體積較大，在施工中應(yīng)考慮相應(yīng)的溫度控制措施。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗方案

本試驗將高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料采用質(zhì)量代砂法按一定比例摻入膠凝材料中，與其他混凝土原材料混合攪拌均勻后，制備得到高導(dǎo)熱相變控溫混凝土。主墩承臺系梁共有2根，其中1根系梁采用相變材料法進行溫控，另外1根系梁則采用布設(shè)冷卻水管法進行溫控。采用內(nèi)埋式溫度計和應(yīng)力應(yīng)變計對冷卻水管系梁及相變材料系梁的溫度及應(yīng)力應(yīng)變進行監(jiān)控，對比分析布設(shè)冷卻水管方式和摻入高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料方式的控溫效果優(yōu)劣。

2.2 系梁溫度及應(yīng)力監(jiān)控點布設(shè)

系梁溫度監(jiān)控布設(shè)采用如圖1所示布設(shè)方式：共選取6個點，其中預(yù)埋3個溫度傳感器、3個應(yīng)力應(yīng)變傳感器(可測溫)。

圖1 系梁溫度及應(yīng)力監(jiān)控布設(shè)方案示意

2.3 原材料及配合比

2.3.1原材料

本試驗所用原材料為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、S95級礦粉、Ⅱ級粉煤灰、機制砂、水洗砂、連續(xù)級配碎石、緩凝型聚羧酸系減水劑、自來水、高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料。

該相變材料采用油脂基固液相變材料為基體材料與石墨等復(fù)合制備而成，其基本性能見表1。

表1 高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料基本性能

2.3.2配合比

配合比見表2所示。

表2 相變混凝土配合比 kg/m3

3 數(shù)據(jù)采集及分析

3.1 系梁工程圖

系梁實體澆筑共分為南岸與北岸兩根系梁，其中北岸為布設(shè)冷卻水管進行控溫的系梁，南岸為摻入相變材料進行控溫的系梁。冷卻水管系梁與相變材料系梁尺寸、構(gòu)造完全一致，分別位于河北岸與南岸，對稱放置。相變材料系梁與冷卻水管系梁澆筑為同時進行，澆筑過程約9 h。系梁拆模前采用頂部蓄水方式養(yǎng)護，約3 d后拆模，拆模后即采用持續(xù)灑水方式養(yǎng)護。圖2為布設(shè)冷卻水管的系梁現(xiàn)場示意，圖3為摻入相變材料的系梁現(xiàn)場示意，2種系梁均無明顯溫度裂縫，具有良好的抗裂效果。

圖2 北岸冷卻水管系梁示意

圖3 南岸相變材料系梁示意

3.2 抗壓強度

從表3可以看出，摻入相變材料后其3 d、7 d強度降低有輕微程度降低，當(dāng)齡期達(dá)到28 d、60 d后強度相差較小。摻入相變材料后相變材料系梁強度較冷卻水管系梁強度有所降低，其中3 d強度降低1.1 MPa，7 d強度降低1.4 MPa，28 d強度降低0.8 MPa，60 d強度降低0.2 MPa。

表3 系梁抗壓強度 MPa

抗壓強度降低值：7 d>3 d>28 d>60 d。分析其原因：當(dāng)水泥水化早期放熱達(dá)到相變材料的相變點的時，相變材料會吸收部分水泥水化放出的熱量，使混凝土內(nèi)部溫度有所降低，而在一定的程度范圍內(nèi)溫度的升高能促進水泥的水化，相變材料的摻入致使混凝土內(nèi)部溫度降低，導(dǎo)致水泥早期水化進程減緩，繼而使混凝土早期強度降低。

3.3 溫度曲線

本試驗共測試6個位置的溫度。

系梁內(nèi)部中心溫峰：相變材料系梁溫峰為72.2℃，冷卻水管系梁溫峰為74.1℃，相變材料系梁內(nèi)部中心溫峰較冷卻水管系梁內(nèi)部中心溫峰降低1.9℃(如圖4所示)。

圖4 內(nèi)部中心溫度曲線示意

系梁側(cè)表面中心溫峰：相變材料系梁溫峰為63.4℃，冷卻水管系梁溫峰為64.7℃，相變材料系梁側(cè)表面中心溫峰較冷卻水管系梁側(cè)表面中心溫峰降低1.3℃(如圖5所示)。

圖5 側(cè)表面中心溫度曲線示意

系梁底部中心溫峰：相變材料系梁溫峰為68.7℃，冷卻水管系梁底部中心溫峰為69.8℃，相變材料系梁底部中心溫峰較冷卻水管系梁底部中心溫峰降低1.1℃(如圖6所示)。

圖6 底部中心溫度曲線示意

系梁上表面中心溫峰：相變材料系梁溫峰為66.1℃，冷卻水管系梁溫峰為66.6℃，相變材料系梁上表面中心溫峰較冷卻水管系梁上表面中心溫峰降低0.5℃(如圖7所示)。

圖7 上表面中心溫度曲線示意

系梁上表面?zhèn)冗呏虚g溫峰：相變材料系梁溫峰為59.6℃，冷卻水管系梁溫峰為59.8℃，相變材料系梁上表面?zhèn)冗呏虚g溫峰較冷卻水管系梁溫峰降低0.2℃(如圖8所示)。

圖8 上表面?zhèn)冗呏虚g溫度曲線示意

系梁上表面邊角溫峰：相變材料系梁溫峰為46.7℃，冷卻水管系梁溫峰為48.2℃，相變材料系梁上表面邊角溫峰較冷卻水管系梁上表面邊角溫峰降低1.5℃(如圖9所示)。

圖9 上表面邊角溫度曲線示意

綜上所述，摻入相變材料后混凝土的溫度曲線較布設(shè)冷卻水管的混凝土溫度曲線要更為緩和；摻入相變材料的混凝土溫峰普遍更低；摻入相變材料的混凝土升降溫過程有明顯平緩。

3.4 里表溫差

通過圖10(中心—上表面溫差)、圖11(中心—側(cè)表面溫差)、圖12(中心—底面溫差)可知：

圖10 中心—上表面溫差示意

圖11 中心—側(cè)表面溫差示意

圖12 中心—底面溫差示意

中心—上表面溫差：相變系梁最大溫差為23.3℃，冷卻水管系梁最大溫差為25.7℃，相變材料系梁最大溫差較冷卻水管系梁最大溫差降低2.4℃。

中心—側(cè)表面溫差：相變系梁最大溫差為23.9℃，冷卻水管系梁最大溫差為29.7℃，相變材料系梁最大溫差較冷卻水管系梁最大溫差降低5.8℃。

中心—底面溫差：相變系梁最大溫差為14.9℃，冷卻水管系梁最大溫差為17℃，相變材料系梁最大溫差較冷卻水管系梁最大溫差降低2.1℃。

綜上所述，摻入相變材料的混凝土其里表溫差最大值均低于布設(shè)冷卻水管的混凝土，且溫差曲線較為平緩，能有效的降低混凝土最大里表溫差值。

3.5 應(yīng)力

由圖13(內(nèi)部中心應(yīng)力)、圖14(側(cè)表面中心應(yīng)力)、圖15(底部中心應(yīng)力)可知：

圖13 內(nèi)部中心應(yīng)力示意

圖14 側(cè)面中心微應(yīng)變及應(yīng)力示意

圖15 底部中心微應(yīng)變及應(yīng)力示意

內(nèi)部中心應(yīng)力：相變系梁內(nèi)部中心最大收縮應(yīng)力為4.33 MPa，冷卻水管系梁最大收縮應(yīng)力為5.30 MPa，相變材料系梁內(nèi)部中心最大收縮應(yīng)力較冷卻水管系梁內(nèi)部中心最大收縮應(yīng)力降低0.97 MPa。

側(cè)表面中心應(yīng)力：相變材料側(cè)表面中心最大收縮應(yīng)力為4.6 MPa，冷卻水管系梁側(cè)表面中心最大收縮應(yīng)力為6.1 MPa，相變材料系梁側(cè)表面中心最大收縮應(yīng)力較冷卻水管系梁側(cè)表面中心最大收縮應(yīng)力降低1.5 MPa。

底部中心應(yīng)力：相變系梁底部中心最大收縮應(yīng)力為4.9 MPa，冷卻水管系梁最大收縮應(yīng)力為5.2 MPa，相變材料系梁底部中心最大收縮應(yīng)力較冷卻水管系梁底部中心最大收縮應(yīng)力降低0.3 MPa。

由應(yīng)力曲線圖可知，各位置摻入相變材料后的混凝土應(yīng)力均小于布設(shè)冷卻水管的混凝土應(yīng)力，且達(dá)到最大應(yīng)力之后，降低速率快于布設(shè)冷卻水管的混凝土，能有效降低混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力。

4 成本對比

系梁冷卻水管成本：冷卻水管原材料共計4 131.2元、人工費300元、泵通水?dāng)備N100元，共計4 531.2元。

系梁相變材料成本：高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料價格為20元/kg，系梁相變材料費用共計32 184元。

采用冷卻水管方式每m3約增加8.5元，采用相變材料方式每m3約增加60元，與布設(shè)冷卻水管方式相比，摻入高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料的混凝土每m3成本高出布設(shè)冷卻水管的混凝土51.5元。

5 結(jié)語

在系梁大體積混凝土中摻入高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料后，相變材料對混凝土的早期強度有輕微程度的降低，對后期強度幾乎沒有影響。相變材料的相變過程能有效的吸收部分水泥水化產(chǎn)生的部分熱量，降低混凝土溫峰，延緩溫峰到達(dá)的時間，延緩升降溫速率，降低混凝土里表溫差，從而減小因混凝土里表溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，達(dá)到抑制混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的效果。