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 材料科學與工程學院，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體，水泥水化反應產(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)生溫度應力，當產(chǎn)生的溫度應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埋冷卻水管的降溫方式以應對大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工過程中易產(chǎn)生溫度裂縫的問題，雖然采用預埋冷卻水管的降溫方式可以切實地達到降低混凝土內(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格實施，導致效果大打折扣；在與預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，在施工中應考慮相應的溫度控制措施。

2 試驗設計

2.1 試驗方案

本試驗將高導熱復合相變材料采用質(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根系梁則采用布設冷卻水管法進行溫控。采用內(nèi)埋式溫度計和應力應變計對冷卻水管系梁及相變材料系梁的溫度及應力應變進行監(jiān)控，對比分析布設冷卻水管方式和摻入高導熱復合相變材料方式的控溫效果優(yōu)劣。

2.2 系梁溫度及應力監(jiān)控點布設

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

圖1 系梁溫度及應力監(jiān)控布設方案示意

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、高導熱復合相變材料。

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合制備而成，其基本性能見表1。

表1 高導熱復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，當齡期達到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：當水泥水化早期放熱達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 應力

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

圖13 內(nèi)部中心應力示意

圖14 側(cè)面中心微應變及應力示意

圖15 底部中心微應變及應力示意

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

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

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

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

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、泵通水攤銷100元，共計4 531.2元。

系梁相變材料成本：高導熱復合相變材料價格為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，與布設冷卻水管方式相比，摻入高導熱復合相變材料的混凝土每m3成本高出布設冷卻水管的混凝土51.5元。

5 結(jié)語

在系梁大體積混凝土中摻入高導熱復合相變材料后，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)生的溫度應力，達到抑制混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的效果。