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采用预填埋 相变材料降低水泥基材料内部温升的方法

阅读：445发布：2020-12-05

专利汇可以提供采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于材料应用领域，提供了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，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(A)式计算：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。PCM经过预先封装，避免直接掺加对水泥基材料性能的影响，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。，下面是采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法，其特征在于将相变温度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：
$M_{p} = \frac{CρQ (M_{c} + K M_{F}) α}{Cρ [C_{1} ({T - t}_{0}) + q - C_{1}^{'} T] + C_{1} (1 - α) (M_{c} + K M_{F}) Q} .$
2.如权利要求1所述的采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法，其特征在于相变材料的液态密度小于固态密度。
3.如权利要求1所述的采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法，其特征在于在含有固态相变材料的管道在水泥基材料中按蛇行均匀布置。
4.如权利要求3所述的采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法，其特征在于含有固态相变材料的管道两端伸出水泥基材料外，设有阀门控制开关，当相变材料变为液态时可以流出。
5.如权利要求1所述的采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法，其特征在于分别在水泥基材料的中心、边缘部位和相变材料内部设有热电偶。
6.如权利要求1～5任一所述的采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法，其特征在于相变材料为Na2SO4·10H2O、Na2HPO4·12H2O、CaCl2·6H2O、 Na2CO3·10H2O的任一。

说明书全文

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：

M_{p} = \frac{CρQ (M_{c} + K M_{F}) α}{Cρ [C_{1} ({T - t}_{0}) + q - C_{1}^{'} T] + C_{1} (1 - α) (M_{c} + K M_{F}) 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：

T_{\max} = \frac{(M_{C} + K M_{F}) Q}{Cρ} - - - (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：

T_{\max}^{'} = \frac{(M_{C} + K M_{F}) Q - [C_{1} M_{p} ({T - t}_{0}) + M_{p} q + C_{1}^{'} M_{p} (T_{\max}^{'} - T)]}{Cρ}

所以填埋PCM后的最大绝热温升为：

T_{\max}^{'} = \frac{(M_{c} + K M_{F}) Q - M_{p} [C_{1} (T - t_{0})}{Cρ + C_{1}^{'} M_{p}} - - - (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 - \frac{T_{\max}^{'}}{T_{\max}}) \times 100 % - - - (4)

将式(1)与式(3)带入(4)式得：

α = {1 - \frac{CρQ (M_{c} + K M_{F}) - C {ρM}_{p} [C_{1} (T - t_{0}) + q - C_{1}^{'} T]}{(C + C_{1} M_{p}) (M_{c} + K M_{F}) Q}} \times 100 % - - - (5)

PCM的预填埋量为

M_{p} = \frac{CρQ (M_{c} + K M_{F}) α}{Cρ [C_{1} ({T - t}_{0}) + q - C_{1}^{'} T] + C_{1} (1 - α) (M_{c} + K M_{F}) 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：

M_{p} = \frac{CρQ (M_{c} + K M_{F}) α}{Cρ [C_{1} (T - t_{0}) + q - C_{1}^{'} T] + C_{1} (1 - α) (M_{c} + K M_{F}) 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。

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