采用预填埋相变材料降低水泥基材料内部温升的方法

摘要

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。

说明书

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：

$M_p=\frac{\mathrm{C\rho Q}(M_c+K{M}_F)\alpha }{\mathrm{C\rho }[C_1\left({T-t}_0\right)+q-C_1^{\prime }T]+C_1(1-\alpha )(M_c+K{M}_F)Q}.$

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：

$T_{\max }=\frac{(M_C+K{M}_F)Q}{\mathrm{C\rho }}---\left(1\right)$

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)+M_Pq+C₁′M_P(T_max′-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：

$T_{\max }^{\prime }=\frac{(M_C+K{M}_F)Q-[C_1{M}_p\left({T-t}_0\right)+M_{p}q+C_1^{\prime }{M}_p(T_{\max }^{\prime }-T)]}{\mathrm{C\rho }}$

所以填埋PCM后的最大绝热温升为：

$T_{\max }^{\prime }=\frac{(M_c+K{M}_F)Q-M_p[C_1(T-t_0)}{\mathrm{C\rho }+C_1^{\prime }{M}_p}---\left(3\right)$

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

$\alpha =(1-\frac{T_{\max }^{\prime }}{T_{\max }})\times 100\%---\left(4\right)$

将式(1)与式(3)带入(4)式得：

$\alpha =\{1-\frac{\mathrm{C\rho Q}(M_c+K{M}_F)-C{\mathrm{\rho M}}_p[C_1(T-t_0)+q-C_1^{\prime }T]}{(C+C_1{M}_p)(M_c+K{M}_F)Q}\}\times 100\%---\left(5\right)$

PCM的预填埋量为

$M_p=\frac{\mathrm{C\rho Q}(M_c+K{M}_F)\alpha }{\mathrm{C\rho }[C_1\left({T-t}_0\right)+q-C_1^{\prime }T]+C_1(1-\alpha )(M_c+K{M}_F)Q}---\left(6\right)$

上述公式中

M_c：单位体积混凝土中水泥的质量；M_F：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

M_p：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

T_max′：预填埋PCM后混凝土的最大绝热温升；

T_max：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：

$M_p=\frac{\mathrm{C\rho Q}(M_c+K{M}_F)\alpha }{\mathrm{C\rho }[C_1(T-t_0)+q-C_1^{\prime }T]+C_1(1-\alpha )(M_c+K{M}_F)Q}.$

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。