相變水泥混凝土的力學(xué)性能與低溫調(diào)溫性能

朱洪洲，陳瑞璞，茍 珊，張新強(qiáng)，歐 力

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)，交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074； 3.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司公路市政院，成都 610031)

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也得到迅猛發(fā)展。水泥混凝土路面具有承載能力高、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此具有較好的應(yīng)用前景，但在寒冷季節(jié)溫度驟降會(huì)使水泥混凝土路面產(chǎn)生低溫裂縫。在水泥基材料中添加相變材料(Phase Change Materials,PCM)，利用相變材料的調(diào)溫性能，降低水泥混凝土的溫度敏感性，減少低溫開裂現(xiàn)象的產(chǎn)生，提高了路面服役壽命[1-4]。桑國(guó)臣等[5]利用抗折與抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)探究了定型相變材料(低密度聚乙烯-石蠟-石墨)對(duì)水泥砂漿的強(qiáng)度的影響，認(rèn)為相變材料的增加會(huì)降低砂漿的強(qiáng)度，但改善了材料的韌度。Aaron等[6]認(rèn)為在砂漿中添加相變材料可以減弱凍融對(duì)橋面板造成的破壞，從而可以有效延長(zhǎng)橋面板的服役壽命。同時(shí)，也應(yīng)考慮相變材料對(duì)砂漿早期強(qiáng)度的影響。林飛菲[7]將十二烷-十四烷相變材料應(yīng)用在瀝青路面中，有效延緩了路面凝冰時(shí)間，并且隨摻量增大，其結(jié)冰滯后性越顯著。周雪艷等[8]借助微膠囊法制備了十四烷復(fù)合定型相變材料，并研究了相變材料應(yīng)用到路面材料后的調(diào)溫性能，其研究結(jié)果表明，在升溫和降溫階段十四烷定型相變材料可以有效地調(diào)整瀝青混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度。

目前相變材料的研究成果主要集中在民用建筑材料與瀝青路面材料之中，但缺乏相變材料在水泥混凝土路面中的應(yīng)用[9-11]。本研究分別對(duì)相變水泥混凝土的力學(xué)性能與調(diào)溫性能開展研究，為后續(xù)低溫條件下相變水泥混凝土路面的設(shè)計(jì)提供研究依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

本研究采用青島恒潤(rùn)達(dá)石墨制品公司生產(chǎn)的可膨脹石墨作為定型載體材料，孔徑為微米級(jí)的相變定型載體材料，能夠充分吸附相變材料并使其穩(wěn)定存在其中，并選用十四烷作為相變材料。水泥材料采用重慶永榮青鵬水泥有限公司P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 相變水泥砂漿及相變混凝土的制備

由于復(fù)合相變材料密度小，為確保攪拌過(guò)程中復(fù)合相變材料攪拌充分，將制備好的定型相變材料與水泥基材料同時(shí)加入攪拌鍋中，以相變材料外摻水泥砂漿總質(zhì)量的1%、2%、3%、4%配制相變水泥砂漿，水泥砂漿的配合比如表1所示。以相變材料外摻水泥混凝土總質(zhì)量的3%配制相變水泥混凝土，水泥混凝土配合比如表2所示。

表1 水泥砂漿的配合比Table 1 Cement mortar mix ratio /g

表2 水泥混凝土的配合比Table 2 Cement concrete mix ratio

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 力學(xué)性能

(1)相變水泥砂漿：按照規(guī)范要求的實(shí)驗(yàn)方法及試件尺寸[12-13]，利用壓力機(jī)分別對(duì)不同齡期(3 d、7 d、28 d)、不同相變材料摻量(1%、2%、3%、4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同))以及不同相變循環(huán)次數(shù)(0次、25次)下的相變水泥砂漿試件進(jìn)行抗壓與抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。(2)相變混凝土：對(duì)不同齡期(3 d、7 d、28 d)，相變材料摻量為3%的水泥混凝土試件進(jìn)行抗壓與抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 相變性能

(1)利用車轍板模具澆筑邊長(zhǎng)為30 cm，厚度為5 cm的混凝土板，板中央鉆孔插入溫度傳感器，實(shí)時(shí)記錄板中心的溫度變化；(2)將室溫下的相變混凝土板與普通混凝土板分別放入低溫條件下(0 ℃、-1.5 ℃和-3 ℃)的恒溫箱，并開始逐漸降溫，當(dāng)兩種混凝土板溫度穩(wěn)定且不再發(fā)生變化時(shí)，將箱內(nèi)溫度升至室溫，以此模擬相變混凝土在室溫-低溫-室溫條件下的相變循環(huán)過(guò)程，并同時(shí)記錄傳感器溫度的變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 力學(xué)性能

2.1.1 相變水泥砂漿強(qiáng)度

將定型相變材料分別按總質(zhì)量的1%、2%、3%和4%外摻進(jìn)水泥砂漿中，隨后分別對(duì)齡期為3 d、7 d和28 d的水泥砂漿試件進(jìn)行抗壓、抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。圖1為不同相變材料摻量及不同齡期條件下相變水泥砂漿的強(qiáng)度。

圖1 相變水泥砂漿強(qiáng)度Fig.1 Strength of phase change cement mortar

由圖1可知：(1)隨著齡期的增長(zhǎng)，砂漿的強(qiáng)度也在逐漸增大。(2)在相同齡期條件下，水泥砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度均隨相變材料摻量增加而顯著下降。十四烷/膨脹石墨本身強(qiáng)度較低，無(wú)法在骨架中發(fā)揮強(qiáng)度支撐作用，相變水泥砂漿的強(qiáng)度主要來(lái)自水泥石，已有研究表明定型相變材料的存在類似砂漿中的孔隙，并且對(duì)砂漿體系無(wú)強(qiáng)度貢獻(xiàn)[14]。此外，膨脹石墨的疏水特性也導(dǎo)致定型相變材料與水泥漿體裹附性較差。因此成型后的水泥砂漿試件內(nèi)部存在結(jié)構(gòu)缺陷，并隨著相變材料摻量的增加，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷也在逐漸增加。故在外力作用下十四烷/膨脹石墨相變水泥砂漿更易發(fā)生強(qiáng)度破壞，在實(shí)際工程應(yīng)用中要嚴(yán)格控制相變材料的摻量，減弱其對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響。

為分析相變材料的摻量及齡期對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度變化的影響，分別計(jì)算了水泥砂漿強(qiáng)度隨十四烷/膨脹石墨相變材料摻量的增加及齡期增長(zhǎng)的衰減率、增長(zhǎng)率，其計(jì)算結(jié)果如圖2所示，其中(強(qiáng)度衰減率=(水泥砂漿強(qiáng)度-不同摻量相變水泥砂漿強(qiáng)度)/水泥砂漿強(qiáng)度，強(qiáng)度增長(zhǎng)率=(7 d、28 d齡期的水泥砂漿強(qiáng)度-3 d齡期的水泥砂漿強(qiáng)度)/3 d齡期的水泥砂漿強(qiáng)度。

圖2 相變水泥砂漿強(qiáng)度衰減率及增長(zhǎng)率(CS：抗壓強(qiáng)度；FS：抗折強(qiáng)度)Fig.2 Strength decrease rate and growth rate of phase change mortar(CS: compressive strength; FS: flexural strength)

由圖2可知:(1)在相同齡期條件下，隨十四烷/膨脹石墨相變材料摻量的增大，水泥砂漿強(qiáng)度的衰減率逐漸增大，說(shuō)明相變材料摻量的增加會(huì)加速水泥砂漿強(qiáng)度的破壞。當(dāng)相變材料摻量為4%時(shí)，相變水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度衰減至初始強(qiáng)度的50%左右，因此在保證其使用性能的前提下，相變材料的摻量應(yīng)小于4%。相變材料的摻量對(duì)水泥砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度影響不同，水泥砂漿抗折強(qiáng)度衰減率受相變材料摻量影響較小。(2)在相同相變材料摻量條件下，隨著齡期的增長(zhǎng)，相變水泥砂漿的抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率逐漸增大，養(yǎng)護(hù)前期強(qiáng)度增長(zhǎng)率較小，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率增大。但對(duì)于抗壓強(qiáng)度而言，當(dāng)相變材料摻量為1%時(shí)，相變水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率隨齡期增長(zhǎng)而增大，然而隨著摻量的繼續(xù)增大，相變水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度前期增長(zhǎng)較快，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)減緩，十四烷/膨脹石墨相變材料的摻量顯著減緩了相變水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度形成速度。(3)隨著齡期的增長(zhǎng)，相較于相變水泥砂漿而言，水泥砂漿并未顯示出較大的強(qiáng)度增長(zhǎng)率，反而部分相變水泥砂漿強(qiáng)度的增長(zhǎng)率大于水泥砂漿。

2.1.2 相變循環(huán)后相變水泥砂漿強(qiáng)度

圖3表示0次與25次相變循環(huán)后的水泥砂漿強(qiáng)度。由圖3可知，多次相變循環(huán)后，十四烷/膨脹石墨相變水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度增大了7.7%，由于相變循環(huán)持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)，相變水泥砂漿在后期的持續(xù)水化硬化，導(dǎo)致相變砂漿的抗壓強(qiáng)度增大。相變循環(huán)后，相變水泥砂漿的抗折強(qiáng)度降低了0.9%，相變前后，相變水泥砂漿的抗折強(qiáng)度變化較小，說(shuō)明十四烷/膨脹石墨相變循環(huán)過(guò)程對(duì)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度影響較小。

2.1.3 相變水泥混凝土強(qiáng)度

由前文可知，當(dāng)十四烷/膨脹石墨相變材料的摻量占水泥砂漿總質(zhì)量的4%時(shí)，相變水泥砂漿的強(qiáng)度下降至原始強(qiáng)度的50%左右，因此為降低相變材料的摻量對(duì)水泥混凝土強(qiáng)度的影響，相變材料的最終摻量選為混凝土總質(zhì)量的3%。圖4表示不同齡期下?lián)搅?%的相變水泥混凝土和普通水泥混凝土的強(qiáng)度。

圖3 相變循環(huán)前后相變水泥砂漿強(qiáng)度Fig.3 Strength of cement mortar before and after phase changes

圖4 相變水泥混凝土的強(qiáng)度Fig.4 Strength of phase change cement concrete

由圖4可知：(1)相同齡期條件下的水泥混凝土強(qiáng)度要顯著大于十四烷/膨脹石墨相變水泥混凝土強(qiáng)度，相變材料的摻入顯著的削弱了混凝土強(qiáng)度。(2)隨著齡期的增長(zhǎng)，兩種水泥混凝土的強(qiáng)度均在逐漸增大，28 d齡期后，水泥混凝土與相變水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了62.7%、44.9%，其抗折強(qiáng)度分別增大了31.3%、48.4%，摻入相變材料后降低了水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率，增加了抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)率。(3)雖然相變材料顯著削弱了混凝土的強(qiáng)度，但其28 d齡期后的抗折強(qiáng)度4.6 MPa仍滿足規(guī)范對(duì)中等交通荷載等級(jí)的強(qiáng)度要求(4.5 MPa)[15]，因此建議十四烷/膨脹石墨作為相變材料時(shí)的最大摻量不宜超過(guò)水泥混凝土總質(zhì)量的3%。

2.2 相變水泥混凝土的調(diào)溫性能

圖5為溫度循環(huán)過(guò)程中混凝土板的溫度變化曲線。由圖5可知：(1)在降溫階段，相變混凝土板的溫度顯著滯后于普通混凝土板溫度和箱內(nèi)環(huán)境溫度，降溫速率緩慢，降溫曲線平緩。說(shuō)明低溫條件下，十四烷/膨脹石墨相變材料可以有效調(diào)節(jié)混凝土板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度敏感性。(2)當(dāng)相變混凝土板的溫度接近4 ℃左右時(shí)，板中的相變材料開始發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變并放出熱量，充足的熱量與負(fù)溫環(huán)境影響進(jìn)行抵消，使混凝土板產(chǎn)生溫度平臺(tái)期，并隨外界溫度的降低，溫度平臺(tái)期時(shí)間縮短。(3)當(dāng)箱內(nèi)環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)，在降溫結(jié)束前，相變混凝土板的內(nèi)部溫度均保持在0 ℃以上。當(dāng)環(huán)境溫度為-1.5 ℃時(shí)，相變混凝土板到達(dá)0 ℃的時(shí)間滯后于普通混凝土板約67 min。當(dāng)環(huán)境溫度為-3 ℃時(shí)，相變混凝土板到達(dá)0 ℃的時(shí)間滯后于普通混凝土板約51 min。在低溫條件下，十四烷/膨脹石墨的摻入有效調(diào)節(jié)了混凝土板結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度。但隨著恒溫箱設(shè)定的最低溫度降低，相變混凝土板內(nèi)部的調(diào)溫效果也逐漸變差。(4)在升溫階段，相變混凝土板的溫度顯著滯后于箱內(nèi)的環(huán)境溫度和普通混凝土板的溫度。當(dāng)相變混凝土板的溫度接近5 ℃左右時(shí)，其升溫速率明顯減緩，由于相變混凝土板在5 ℃左右時(shí)吸熱并發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，故此階段其升溫速率減緩。

圖5 混凝土板的溫度變化曲線Fig.5 Temperature change curves of concrete slab

3 結(jié) 論

(1)十四烷/膨脹石墨相變材料的摻入顯著降低了水泥砂漿及混凝土試件的強(qiáng)度，隨著相變材料摻量增加，水泥砂漿的強(qiáng)度在加速衰減，而隨著齡期的增長(zhǎng)，相變水泥砂漿及相變水泥混凝土的強(qiáng)度會(huì)有所提升。

(2)經(jīng)過(guò)多次相變循環(huán)后，十四烷/膨脹石墨相變水泥砂漿的強(qiáng)度變化較小，強(qiáng)度性能穩(wěn)定；為滿足中等交通荷載等級(jí)強(qiáng)度要求，十四烷/膨脹石墨最大摻量不宜超過(guò)水泥混凝土總質(zhì)量的3%。

(3)相變水泥混凝土板的調(diào)溫性能測(cè)試結(jié)果表明：十四烷/膨脹石墨的摻入有效干預(yù)了混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的降溫過(guò)程，降低了結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度敏感性，減少了溫度應(yīng)力對(duì)其影響，但隨著環(huán)境溫度的降低，其調(diào)溫性能逐漸減弱。