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:
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:
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:
所以填埋PCM后的最大绝热温升为:
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
将式(1)与式(3)带入(4)式得:
PCM的预填埋量为
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:
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。