相變材料對水泥混凝土性能的影響

周靚 石偉 王春偉

（長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室 西安 710064）

0 引 言

混凝土作為一種混合材料，拌和過程滯留在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的游離水形成一定體積的連通毛細孔，在負溫下游離水發(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)生相變時通過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］.通過摻加相變材料來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，基于抗壓強度試驗、等溫量熱試驗和TPS試驗，分析相變材料對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際應(yīng)用提供參考.

1 試驗材料及方法

1.1 原材料及砂漿配比

試驗采用52.5普通硅酸鹽水泥；集料為天然硅砂，級配組成見表1；相變材料選用石蠟和PEG600，其基本性能見表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，其基本性能見表3.

表1 砂的級配組成

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.測得輕集料對相變材料的24h吸收率見表4.

表4 輕集料對相變材料的吸收率 %

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.制備過程中需注意2點：（1）相變集料以等體積原則替代部分常規(guī)骨料，避免各類型骨料級配相差過大；（2）在含有輕集料的組合中，多摻30g／cm3的水確保輕集料達到飽和，以降低因輕集料的吸水性對水泥水化的影響.

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表5.

按上述方法及配比拌制水泥砂漿后注入邊長為50mm 的立方體鋼試模中，試件成型后用塑料薄膜進行密封處理，在標(biāo)準溫度和濕度下養(yǎng)護24 h脫模.浸入飽和石灰水中，繼續(xù)養(yǎng)護至指定時間后進行隨后一系列測試.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 試驗內(nèi)容

1）抗壓強度測試 分別測量3種類型7種組合水泥砂漿試件的3，7和28d抗壓強度.

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

等溫量熱試驗測試樣本與抗壓強度測試樣本為同一批次，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的密封玻璃瓶中進行試驗，試驗持續(xù)7d.在試驗的前45min中，由于量溫計尚未達到穩(wěn)定，未記錄早期水化放熱量.

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

試驗采用測試過28d抗壓強度的立方體試件，測量儀器為直徑為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行絕緣保護）.通電探頭電阻隨時間的變化關(guān)系如式（1）.

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

式中：J0為貝塞爾函數(shù)，采用15 個圓環(huán)探頭的D（τ）函數(shù)對雙螺旋線圈結(jié)構(gòu)進行描述，對計算結(jié)果影響不大［9］.為量綱一的量，其計算式為

式中：a為試件熱擴散系數(shù)；t為測量時間；θ為特征測量時間.

試驗及計算過程如下：（1）在室溫（25±1）℃條件下將試件垂直切割成左右對稱的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，記錄測試時間內(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.測試每隔45min進行一次，每組試件測定5次取平均值.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 對抗壓強度的影響

抗壓強度試驗結(jié)果見圖1.

由圖1可知，控制水泥砂漿A 的3，7和28d抗壓強度均為最高，從圖1a）可以發(fā)現(xiàn)，B1、B2的抗壓強度發(fā)生不同程度衰減，這說明輕集料會造成水泥砂漿強度降低.這可能是因為輕集料尚未飽和，從而影響水化正常進行，另外，其本身結(jié)構(gòu)較脆弱也是造成強度下降的原因之一.B1，B2的28d抗壓強度相比控制水泥砂漿A 分別降低了5%和30%，后者的強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)，天然多孔浮石較強的吸水性以及由粒徑均勻引起的級配不良是造成強度大幅度降低的原因.

圖1 抗壓強度對比圖

圖1d），1e）中，相變材料摻入后水泥砂漿的抗壓強度降低的幅度更大，特別是包含PEG600的D1，D2組合，其28d抗壓強度相比控制水泥砂漿分別降低了43.5%和48%.表明，相變材料對水泥砂漿的強度有不利影響，且影響程度與相變材料類別以及與水泥作用機理有關(guān)，下面將作進一步討論.

2.2 對水泥水化的影響

等溫量熱試驗結(jié)果見圖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，這說明輕集料的摻加對水泥水化的影響較小，值得注意的是，在水化進行到12.5～22.5h時，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［10］.這也證明了輕集料的脆弱性是導(dǎo)致B1、B2強度下降的直接原因.

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，說明石蠟對水泥水化的影響不大.結(jié)合前述的強度分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，石蠟對水泥砂漿強度的影響并非基于其對水化的影響，而是通過其他方式，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.這說明，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程中，PEG600發(fā)生解吸，而PEG600 為長鏈型分子結(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，而對硅酸三鈣水化起抑制作用，導(dǎo)致峰值的降低與滯后.PEG600對水泥水化的影響直接導(dǎo)致水泥砂漿抗壓強度的損失.

3.3 對水泥砂漿導(dǎo)熱性的影響

TPS試驗測得的水泥砂漿導(dǎo)熱性能常數(shù)見表5.

表5 水泥砂漿熱性能常數(shù)測試結(jié)果

試驗表明，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，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，包含PEG600的組合的導(dǎo)熱系數(shù)較B1 反而有所增大.這可能是因為相變材料的摻量較低.由此可見，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，該試驗是在試件表面干燥的狀態(tài)下進行的，潮濕狀態(tài)下的材料導(dǎo)熱系數(shù)會有所增大［10］.

3 結(jié) 論

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

1）對強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對強度的影響大于石蠟；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，其對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行；當(dāng)飽和輕集料為載體摻加石蠟時，對水泥的水化影響較小，可忽略不計，而摻加PEG600時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，其對導(dǎo)熱性的影響并不顯著.

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