相變材料對(duì)水泥混凝土性能的影響

周靚 石偉 王春偉

（長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710064）

0 引 言

混凝土作為一種混合材料，拌和過(guò)程滯留在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的游離水形成一定體積的連通毛細(xì)孔，在負(fù)溫下游離水發(fā)生物態(tài)變化發(fā)生膨脹變形，變形受到孔壁的約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)微損傷，經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后，損傷不斷積累，而由此產(chǎn)生的凍融破壞是影響水泥混凝土路面耐久性的主要因素［1］.

相變材料（phase change materials，PCM）具有良好的蓄熱特性，已廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，張東等［2］采用2步法制備出具有良好儲(chǔ)能性能的相變混凝土；高桂波等［3］發(fā)現(xiàn)在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，相變材料的預(yù)填埋量越多其控制內(nèi)部溫升的效果越好；相變墻體在建筑節(jié)能中作用顯著等.

相變材料應(yīng)用于公路交通領(lǐng)域的研究起步較晚，李超［4］在瀝青混合料中摻入PCM 以改善瀝青混合料的溫度敏感性，Aaron R.Sakulich等［5］基于CONCTEMP 程序，建模分析，認(rèn)為摻加相變材料的水泥混凝土路面的壽命比未摻加的壽命至少提高1年等.相變材料，發(fā)生相變時(shí)通過(guò)吸熱或放熱能有效緩解水泥混凝土路面在凍融條件下發(fā)生凍融破壞［6］.通過(guò)摻加相變材料來(lái)提高水泥混凝土路面的耐久性具有良好的發(fā)展前景.然而，相變材料作為一種外摻劑，對(duì)水泥混凝土基本性能影響的研究較少.以輕集料為載體摻入相變材料能夠獲得蓄熱性能良好的相變混凝土［7］，本文選用輕集料作為摻加載體，基于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、等溫量熱試驗(yàn)和TPS試驗(yàn)，分析相變材料對(duì)水泥砂漿性能的影響，為相變材料在水泥混凝土路面中的實(shí)際應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 原材料及砂漿配比

試驗(yàn)采用52.5普通硅酸鹽水泥；集料為天然硅砂，級(jí)配組成見(jiàn)表1；相變材料選用石蠟和PEG600，其基本性能見(jiàn)表2；水灰比為0.4，m（水泥）：m（砂）=1∶3，拌合用水為蒸餾水.

普通粘土陶粒和天然多孔浮石作為相變材料摻加載體，其基本性能見(jiàn)表3.

表1 砂的級(jí)配組成

表2 相變材料的基本性能

表3 輕集料基本性能

1.2 相變集料的制備

利用自制網(wǎng)框?qū)p集料進(jìn)行篩分，將篩分好的輕集料完全烘干后放入液體相變材料中浸泡，24h后移出在環(huán)境溫度下干燥2h，放入40 ℃的烘箱烘干24h后即得相變集料.相變集料與干燥輕集料質(zhì)量之差即為吸附于輕集料中的相變材料的質(zhì)量.測(cè)得輕集料對(duì)相變材料的24h吸收率見(jiàn)表4.

表4 輕集料對(duì)相變材料的吸收率 %

1.3 水泥砂漿制備

試配3種類型的水泥砂漿：（1）控制水泥砂漿；（2）以飽水輕集料替代部分硅砂的水泥砂漿；（3）以輕集料為載體摻加相變材料的水泥砂漿.

相變集料直接混入普通水泥砂漿，按規(guī)范要求制備水泥砂漿.制備過(guò)程中需注意2點(diǎn)：（1）相變集料以等體積原則替代部分常規(guī)骨料，避免各類型骨料級(jí)配相差過(guò)大；（2）在含有輕集料的組合中，多摻30g／cm3的水確保輕集料達(dá)到飽和，以降低因輕集料的吸水性對(duì)水泥水化的影響.

由輕集料帶入水泥砂漿的相變材料質(zhì)量大約是水泥砂漿質(zhì)量的2.4%，各類型的材料組成見(jiàn)表5.

按上述方法及配比拌制水泥砂漿后注入邊長(zhǎng)為50mm 的立方體鋼試模中，試件成型后用塑料薄膜進(jìn)行密封處理，在標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度下養(yǎng)護(hù)24 h脫模.浸入飽和石灰水中，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至指定時(shí)間后進(jìn)行隨后一系列測(cè)試.每種組合的水泥砂漿制備3組平行試件.

表5 材料組成

1.4 試驗(yàn)內(nèi)容

1）抗壓強(qiáng)度測(cè)試 分別測(cè)量3種類型7種組合水泥砂漿試件的3，7和28d抗壓強(qiáng)度.

2）等溫量熱試驗(yàn) 水化熱是衡量水泥水化的一個(gè)重要指標(biāo)，采用等溫量熱試驗(yàn)測(cè)定水化放熱量，研究相變材料對(duì)水泥水化的影響.

等溫量熱試驗(yàn)測(cè)試樣本與抗壓強(qiáng)度測(cè)試樣本為同一批次，根據(jù)類型的不同，取7.4～8.1g不等的水泥砂漿放到裝有量溫計(jì)的密封玻璃瓶中進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)持續(xù)7d.在試驗(yàn)的前45min中，由于量溫計(jì)尚未達(dá)到穩(wěn)定，未記錄早期水化放熱量.

3）TPS試驗(yàn) TPS技術(shù)是測(cè)定固體材料熱擴(kuò)撒系數(shù)和熱導(dǎo)性的一種有效方法［8］，通過(guò)TPS試驗(yàn)，測(cè)定相變材料對(duì)水泥砂漿熱傳導(dǎo)性的影響.

試驗(yàn)采用測(cè)試過(guò)28d抗壓強(qiáng)度的立方體試件，測(cè)量?jī)x器為直徑為6.403mm 的探頭（內(nèi)部為雙螺旋布置的鎳金屬線，外部用聚酰亞胺薄膜進(jìn)行絕緣保護(hù)）.通電探頭電阻隨時(shí)間的變化關(guān)系如式（1）.

式中：R0為t=0時(shí)鎳盤阻值；α為探頭電阻溫度系數(shù)；ΔTi為護(hù)層薄膜兩邊溫差；P0為探頭輸出總功率；r為探頭半徑；λ為被測(cè)材料導(dǎo)熱系數(shù)；D（τ）為隨時(shí)間增加的函數(shù)，其表達(dá)式為

式中：J0為貝塞爾函數(shù)，采用15 個(gè)圓環(huán)探頭的D（τ）函數(shù)對(duì)雙螺旋線圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大［9］.為量綱一的量，其計(jì)算式為

式中：a為試件熱擴(kuò)散系數(shù)；t為測(cè)量時(shí)間；θ為特征測(cè)量時(shí)間.

試驗(yàn)及計(jì)算過(guò)程如下：（1）在室溫（25±1）℃條件下將試件垂直切割成左右對(duì)稱的2塊；（2）將探頭夾入兩塊試件的平整光滑的外表面之間，以減少接觸電阻；（3）探頭通入恒定直流電，記錄測(cè)試時(shí)間內(nèi)探頭兩端電壓變化情況；（4）聯(lián)立式（1）～（6）求出試件的導(dǎo)熱系數(shù).

探頭輸出總功率P0為0.3 W.測(cè)試每隔45min進(jìn)行一次，每組試件測(cè)定5次取平均值.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

由圖1可知，控制水泥砂漿A 的3，7和28d抗壓強(qiáng)度均為最高，從圖1a）可以發(fā)現(xiàn)，B1、B2的抗壓強(qiáng)度發(fā)生不同程度衰減，這說(shuō)明輕集料會(huì)造成水泥砂漿強(qiáng)度降低.這可能是因?yàn)檩p集料尚未飽和，從而影響水化正常進(jìn)行，另外，其本身結(jié)構(gòu)較脆弱也是造成強(qiáng)度下降的原因之一.B1，B2的28d抗壓強(qiáng)度相比控制水泥砂漿A 分別降低了5%和30%，后者的強(qiáng)度衰減程度是前者的6倍，不難從圖1c），1d）中看出，包含天然多孔浮石的組合與包含普通粘土陶粒的組合也出現(xiàn)類似現(xiàn)象，表明摻加輕集料引起水泥砂漿強(qiáng)度降低的程度與輕集料材料性質(zhì)相關(guān)，天然多孔浮石較強(qiáng)的吸水性以及由粒徑均勻引起的級(jí)配不良是造成強(qiáng)度大幅度降低的原因.

圖1 抗壓強(qiáng)度對(duì)比圖

圖1d），1e）中，相變材料摻入后水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度降低的幅度更大，特別是包含PEG600的D1，D2組合，其28d抗壓強(qiáng)度相比控制水泥砂漿分別降低了43.5%和48%.表明，相變材料對(duì)水泥砂漿的強(qiáng)度有不利影響，且影響程度與相變材料類別以及與水泥作用機(jī)理有關(guān)，下面將作進(jìn)一步討論.

2.2 對(duì)水泥水化的影響

等溫量熱試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2a）中，B1，B2的水化放熱曲線與控制水泥砂漿A 的放熱曲線基本保持一致，這說(shuō)明輕集料的摻加對(duì)水泥水化的影響較小，值得注意的是，在水化進(jìn)行到12.5～22.5h時(shí)，B1和B2的放熱率反而比控制水泥砂漿的稍高，這可能是由多摻的拌合水引起的內(nèi)養(yǎng)護(hù)［10］.這也證明了輕集料的脆弱性是導(dǎo)致B1、B2強(qiáng)度下降的直接原因.

圖2 水化放熱曲線

圖2a），b）中，C1，C2的水化放熱曲線與控制水泥砂漿A 以及B1、B2放熱曲線差別不大，說(shuō)明石蠟對(duì)水泥水化的影響不大.結(jié)合前述的強(qiáng)度分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，石蠟對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響并非基于其對(duì)水化的影響，而是通過(guò)其他方式，可能是其摻加降低了水化硅酸鈣的結(jié)晶度，亦或是石蠟破壞了膠凝材料與集料界面粘結(jié)力，確切的原因有待進(jìn)一步的研究.

圖2b）中，相比控制水泥砂漿A 水化放熱曲線，包含PEG600材料的D1，D2放熱曲線峰值分別降低了42%和37%，并且峰值的出現(xiàn)滯后了數(shù)小時(shí).這說(shuō)明，PEG600材料的摻加阻礙了水泥的水化，其原因可能是水泥砂漿拌制的過(guò)程中，PEG600發(fā)生解吸，而PEG600 為長(zhǎng)鏈型分子結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使其極易包裹在水泥顆粒表面，阻礙水泥水化，另外PEG600的存在可能激發(fā)了硅酸二鈣的水化，而對(duì)硅酸三鈣水化起抑制作用，導(dǎo)致峰值的降低與滯后.PEG600對(duì)水泥水化的影響直接導(dǎo)致水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的損失.

3.3 對(duì)水泥砂漿導(dǎo)熱性的影響

TPS試驗(yàn)測(cè)得的水泥砂漿導(dǎo)熱性能常數(shù)見(jiàn)表5.

表5 水泥砂漿熱性能常數(shù)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)表明，控制水泥砂漿A 的導(dǎo)熱系數(shù)最高，比熱最小.僅摻輕集料的B1、B2導(dǎo)熱系數(shù)相比控制水泥砂漿A 分別降低了21.6%和10.4%，集料的類型是影響水泥砂漿導(dǎo)熱性的顯著因素之一，天然多孔浮石的導(dǎo)熱性較普通粘土陶粒好，這是B2導(dǎo)熱系數(shù)衰減程度較B1小的原因所在.

相變材料的摻入降低水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，但是這種降低是基于輕集料為載體.較只摻入輕集料的B1，B2組合，相變材料的摻入對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響并不顯著，其中，當(dāng)天然多孔浮石作為載體時(shí)，C2、D2的導(dǎo)熱系數(shù)較B2分別降低了3.7%和8.3%；普通粘土陶粒為載體時(shí)，包含PEG600的組合的導(dǎo)熱系數(shù)較B1 反而有所增大.這可能是因?yàn)橄嘧儾牧系膿搅枯^低.由此可見(jiàn)，以輕集料作為載體摻入相變材料，影響水泥砂漿導(dǎo)熱性的主要因素是輕集料的類型.

另外，該試驗(yàn)是在試件表面干燥的狀態(tài)下進(jìn)行的，潮濕狀態(tài)下的材料導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)有所增大［10］.

3 結(jié) 論

相對(duì)控制水泥砂漿，以輕集料為載體摻加相變材料對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度、水泥水化以及砂漿導(dǎo)熱性均會(huì)造成不利影響.

1）對(duì)強(qiáng)度的影響程度與相變材料類型以及所選載體性質(zhì)相關(guān).其中，PEG600對(duì)強(qiáng)度的影響大于石蠟；天然多孔浮石作為載體的影響大于普通粘土陶粒.

2）當(dāng)輕集料以飽水狀態(tài)摻入水泥砂漿時(shí)，其對(duì)水泥水化的影響并不顯著，甚至某種程度上有利于水化的進(jìn)行；當(dāng)飽和輕集料為載體摻加石蠟時(shí)，對(duì)水泥的水化影響較小，可忽略不計(jì)，而摻加PEG600時(shí)不僅滯后了水泥水化放熱峰，而且大大降低了放熱峰值.

3）輕集料的類型及性質(zhì)直接影響復(fù)合水泥砂漿的導(dǎo)熱性，其中普通粘土陶粒的影響比天然多孔浮石大，由于相變材料的摻量較低，其對(duì)導(dǎo)熱性的影響并不顯著.

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