采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法 【技术领域】
本发明属于材料应用技术领域，特别涉及一种降低水泥基材料内部温升，延缓温度峰值出现时间，避免出现温度裂缝的方法。
背景技术
混凝土等水泥基材料浇筑后，水泥的水化热使材料内部温度上升。由于表面和内部的散热条件不同，形成较大的内外温差，使材料面层产生拉应力。在水泥水化初期，水泥基材料的弹性模量较小，抗拉强度较低，温差产生的拉应力容易超过材料的抗拉强度，使材料表面产生裂缝，严重的将出现贯穿性裂缝。裂缝不仅会降低结构的刚度和整体性，而且将加剧钢筋锈蚀和碳化，导致抗冻融、抗疲劳、防渗、防水等性能的降低，严重影响结构的耐久性。所以必须对大体积水泥基材料的内部温升加以控制。
现有的控制水泥基材料内部温升的技术主要有：
1.建立冷却水循环系统
在水泥基材料浇筑过程中布置管道，在水化过程中向管道中提供循环水，将部分水泥的水化热导出，从而调节和控制混凝土内部温度。这种方法是目前最常用的方法，但也存在很多缺点，突出表现在：通水过程中，水温与材料内部存在温差，当温差过大、冷却速度过快时，易产生裂缝，俗称“冷击”；循环水与水泥基材料的温差、通水量在不同时期要有所差别，温度变化不平缓；温控效果受外界温度变化的影响。
2.加入缓凝剂微胶囊
在水泥基材料中掺加以石蜡为壁材、缓凝剂为芯材的微胶囊，在温升过程中石蜡融化使缓凝剂释放，减缓水泥的水化速率，从而降低内部温升速度和温度峰值。但这种方法会使混凝土的早期强度大大降低，影响施工进度；石蜡融化后对水泥基材料长期性能影响的研究还未深入。
3.直接在混凝土中加入相变材料(Phase Change Materials，简称PCM)
相变材料是指在相变过程中能够吸收或放出大量热量，并在此过程中保持温度相对稳定的材料。相变材料是近年来发展迅速的新材料，广泛应用于太阳能储存、工业废热回收、电子器件热管理、供暖和空调系统以及建筑外围护结构等领域。由于PCM潜热高，相变过程中温度变化小，所以可以利用这一特点来控制周围环境温度的变化。直接在混凝土搅拌过程中加入固态相变材料，对水化反应产生的热量有一定的吸收，从而对混凝土内部温度有一定的控制作用，减少混凝土温度裂缝产生的几率。此方法的缺点是：直接加入相变材料的重量有限，降温效果有限；相变材料对水泥基材料的耐久性有潜在危害；而且相变材料在碱性环境下物理化学性质的稳定性还需进一步研究。
【发明内容】
本发明针对上述缺点提供了一种可有效避免温度裂缝的出现，避免直接掺加对水泥基材料性能的影响，温控幅度可控，材料来源广泛，价格低廉的降低水泥基材料内部温升的方法。
本发明的技术方案为：一种采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法，是将相变温度为28～40℃、储能密度为170～290J/g的相变材料在高于相变点的温度下注入管道中，封装后降温到相变点温度下，使相变材料变为固态，在浇筑过程中将含有固态相变材料的管道填埋到水泥基材料中，在水泥水化过程中，材料内部温度升高至相变点时，相变材料发生相变，吸收大量的热，其中相变材料用量按下式计算：
Mp=CρQ(Mc+KMF)αCρ[C1(T-t0)+q-C1′T]+C1(1-α)(Mc+KMF)Q.]]>
下面具体阐述下相变材料用量的计算：
绝热条件下，水泥基材料的最大绝热温升可表示为：
Tmax=(MC+KMF)QCρ---(1)]]>
PCM填埋到水泥基材料中后，在升温过程中吸收的热量为：
Q′＝C1MX(T-t0)+MPq+C1′MP(Tmax′-T) (2)
PCM吸收的这部分热量相当于减少了引起水泥基材料内部温升的热量。预填埋PCM的混凝土最大绝热温升理论计算公式可表示为：
Tmax′=(MC+KMF)Q-[C1Mp(T-t0)+Mpq+C1′Mp(Tmax′-T)]Cρ]]>
所以填埋PCM后的最大绝热温升为：
Tmax′=(Mc+KMF)Q-Mp[C1(T-t0)Cρ+C1′Mp---(3)]]>
加入PCM后，在相同的水泥基材料内部，理论绝热温升的降低幅度(以百分比计)为
α=(1-Tmax′Tmax)×100%---(4)]]>
将式(1)与式(3)带入(4)式得：
α={1-CρQ(Mc+KMF)-CρMp[C1(T-t0)+q-C1′T](C+C1Mp)(Mc+KMF)Q}×100%---(5)]]>
PCM的预填埋量为
Mp=CρQ(Mc+KMF)αCρ[C1(T-t0)+q-C1′T]+C1(1-α)(Mc+KMF)Q---(6)]]>
上述公式中
Mc：单位体积混凝土中水泥的质量；MF：单位体积混凝土中掺合料的质量；
K：指折减系数，对于粉煤灰，K＝0.25，对于矿渣微粉，K＝0.3；
Q：单位水泥的水化热；
Q’：PCM填埋到混凝土中后，升温过程中吸收的热量
C：混凝土的比热； ρ：混凝土的密度；
C1：固态PCM的比热 C1′：液态PCM的比热
Mp：PCM的重量 q：PCM的储能密度
T：PCM的相变温度 t0：混凝土的初始温度
Tmax′：预填埋PCM后混凝土的最大绝热温升；
Tmax：水泥基材料的最大绝热温升；
α：绝热温升降低幅度
本发明相比现有技术的有益效果为：
1.利用预填埋PCM控制水泥基材料内部温升，温控幅度可根据要求来设计PCM的填埋量，可有效控制混凝土内部温度峰值和温升速率，避免了因温升过高引起的混凝土开裂。
2.水泥基材料与PCM的温度变化同步，可有效避免局部温差过大造成的“冷击”。
3.由于选用的PCM的液态密度小于固态密度，所以经降温处理发生相变为固态时，体积不会增大，可有效避免因体积膨胀产生的压应力。
4.PCM经过预先封装，避免了直接掺加对水泥基材料性能造成影响。
5.PCM种类繁多，材料来源广泛，价格低廉，选择范围大。
6.PCM在吸收热量后变为液态，可通过管道导出循环利用，经济又环保。
【附图说明】
图1是采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的控制流程图。
图2是采用PCM控制水泥基材料内部温升的管道布置示意图。
其中：1保温层；2塑料膜；3水泥基材料；4管子；5PCM；A置于PCM中的热电偶；B置于水泥基材料中心的热电偶；C置于水泥基材料侧壁的热电偶。
图3是PCM填埋量对不同水泥用量的混凝土最大绝热温升的影响。
图4是PCM预填埋量与最大绝热温升降低幅度的关系。
图5是预填埋PCM对水泥净浆半绝热温升的影响。
图6是预填埋PCM对水泥砂浆半绝热温升的影响。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做出具体说明。
图1为本发明的技术方案的流程图，参看图1可以看出本发明是在高于相变点的温度时，将液态PCM注入管道或容器中进行封装处理，然后降温至相变点温度以下，使PCM在管道或容器中由液态转变为固态，并在相变点以下的温度贮存备用。使用时再通过一定方式将管道或容器填埋到大体积混凝土中，当混凝土的水化热使得内部温度达到相变温度时，PCM将吸收部分水化热由固态变为液态，使混凝土内部温度峰值和温升速率得到有效降低，避免了因温升过高引起的混凝土开裂；水泥基材料与PCM的温度变化同步，可有效避免局部温差过大造成的“冷击”；PCM在吸收热量后变为液态，可以由阀门开关控制通过管道导出循环利用，经济又环保。
图2是采用本发明所述方法的其中一种管道布置示意图，这种管道布置是将装有一定重量PCM 5的钢管4或聚乙烯塑料管4在水泥基材料中按蛇行均匀布置，特殊部位可根据结构情况适当调整。分别在水泥基材料的中心、边缘部位和PCM材料内部布置热电偶B、C、A进行测温。在管道的两端设有阀门，可以将液态的PCM导出进行循环利用。水泥基材料体可以设有保温层1，保温层1内可以用塑料膜2进行阻隔。
假设水泥最终水化放出的水化热为400J/g，水泥基材料密度2400kg/m3，比热为0.96J/g℃。PCM预填埋量为水泥重量的0～40％时，水泥基材料的最大绝热温升随着PCM预填埋量的增加而降低，如图3所示。PCM的预填埋量水泥基材料最大绝热温升的降低幅度关系如图4所示，PCM预填埋量越大，绝热温升降低的幅度越大。水泥基材料的水泥用量为400kg/m3时，PCM预填埋量为水泥重量的10％～20％时，最大绝热温升下降6.17℃～11.66℃，下降幅度为8.89％～16.79％。所以由图3和图4可以看出要提高PCM对水泥基材料绝热温升的降低幅度，可加大PCM的预填埋量，选择合适的预填埋方法，同时可选择在水泥用量较高的水泥基材料中使用。
一种采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法，是将相变温度为28～40℃、储能密度为170～290J/g的相变材料在高于相变点的温度下注入管道中，封装后降温到相变点温度下，使相变材料变为固态，在浇筑过程中将含有固态相变材料的管道填埋到水泥基材料中，在水泥水化过程中，材料内部温度升高至相变点时，相变材料发生相变，吸收大量的热，其中相变材料用量按下式计算：
Mp=CρQ(Mc+KMF)αCρ[C1(T-t0)+q-C1′T]+C1(1-α)(Mc+KMF)Q.]]>
其中相变材料的相变温度在28～40℃间任选，可以为28℃、30℃、31℃、37℃、40℃包括所述范围内最大和最小值之间的各个数和全部数和/或部分。储能密度为170～290J/g之间的任一数值，包括所述范围内最大和最小值之间的各个数和全部数和/或部分数，如取170J/g、173J/g、180J/g、200J/g、240J/g直到290J/g。
实施例1
采用Na2SO4·10H2O作为预填埋相变材料，其物理性质如表1所示。
表1 PCM的物理性能
分子式 储能 密度 J/g 熔点 ℃ 固态比 热 J/g℃ 液态比 热 J/g℃ Na2SO4·10H2O 241 32.4 1.76 3.30
水泥净浆采用牌号为PO42.5的水泥拌制，水灰质量比为0.3∶1。在半绝热温升条件下，分别在净浆中预填埋为水泥重量的0、3％、6％重量的PCM，净浆内部温升曲线如图5所示。由此图可知：填埋PCM为水泥重量的3％～6％时，相比不填埋PCM水泥净浆的温度峰值降低13℃～20℃，温度峰值出现的时间延长1.5h～2.5h；水泥净浆的半绝热温升曲线随着PCM填埋量的增加而趋于平缓；在温度为32℃左右，温度曲线发生分化。
由于保温箱在水泥水化过程中会有部分热量散失，所以测得的温度为水泥基材料半绝热状态下的温度，温升降低幅度比理论计算值要低。
实施例2
采用Na2SO4·10H2O作为预填埋相变材料，其物理性质如表1所示。水泥砂浆采用PO42.5水泥和硅质河砂拌制，水灰质量比为0.4∶1，灰砂质量比为1∶3。在半绝热温升条件下，分别在水泥砂浆中预填埋占水泥砂浆重量的0、3％、6％质量的PCM，砂浆内部温升曲线如图6所示。由此图可知：填埋PCM为水泥重量的3％～6％时，相比不填埋PCM砂浆的温度峰值降低4℃～6℃，温度峰值出现的时间延长2h～5h；砂浆的半绝热温升曲线随着PCM填埋量的增加而趋于平缓；在温度为32℃左右，温度曲线发生分化。
由于保温箱在水泥水化过程中会有部分热量散失，所以测得的温度为水泥基材料半绝热状态下的温度，温升降低幅度比理论计算值要低。
实施例3
采用Na2HPO4·12H2O作为预填埋相变材料，其物理性质如表2所示。
表2 PCM的物理性能
分子式 储能 密度 J/g 熔点 ℃ 固态比 热 J/g℃ 液态比 热 J/g℃ Na2HPO4·12H2O 279 40 1.56 1.95
水泥净浆采用牌号为PO42.5的水泥拌制，水灰质量比为0.3∶1。在半绝热温升条件下，分别在净浆中预填埋为水泥重量的0、3％、6％重量的PCM，净浆内部温升在填埋PCM为水泥重量的3％～6％时，相比不填埋PCM水泥净浆的温度峰值降低的要大，温度峰值出现的时间也得到延长。
实施例4
采用CaCl2·6H2O作为预填埋相变材料，其物理性质如表3所示。
表3 PCM的物理性能
分子式 储能 密度 J/g 熔点 ℃ 固态比 热 J/g℃ 液态比 热 J/g℃ CaCl2·6H2O 170.0 29.0 1.46 2.13
水泥净浆采用牌号为PO42.5的水泥拌制，水灰质量比为0.3∶1。在半绝热温升条件下，分别在净浆中预填埋为水泥重量的0、3％、6％重量的PCM，净浆内部温升在填埋PCM为水泥重量的3％～6％时，相比不填埋PCM水泥净浆的温度峰值降低的要大，温度峰值出现的时间也得到延长。
实施例5
采用Na2CO4·10H2O作为预填埋相变材料，其物理性质如表4所示。
表4 PCM的物理性能
分子式 储能 密度 J/g 熔点 ℃ 固态比 热 J/g℃ 液态比 热 J/g℃ Na2CO4·10H2O 267 32 1.99 3.34
水泥净浆采用牌号为PO42.5的水泥拌制，水灰质量比为0.3∶1。在半绝热温升条件下，分别在净浆中预填埋为水泥重量的0、3％、6％重量的PCM，净浆内部温升在填埋PCM为水泥重量的3％～6％时，相比不填埋PCM水泥净浆的温度峰值降低的要大，温度峰值出现的时间也得到延长。