CN101586339A

CN101586339A - 大体积混凝土温控方法

Info

Publication number: CN101586339A
Application number: CNA2009100528030A
Authority: CN
Inventors: 许永和; 廖晓敏
Original assignee: Shanghai Construction Group Co Ltd
Current assignee: Shanghai Construction Group Co Ltd
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2029-06-09
Also published as: CN101586339B

Abstract

本发明公开了一种采用相变材料循环工艺的大体积混凝土温控方法，第一步，将固态的相变材料加入冷却水中，再将混有相变材料的冷却水注入大体积混凝土的冷却水管进水口；第二步，在冷却水管出水口处将相变材料与水进行分离；第三步，将分离得到的相变材料冷却成固态后循环再利用。加入相变材料可以提高冷却循环水介质的热容，降低水管中水的温度变化梯度，减缓了水温的升高速率，在改善循环水系统的温控效率的同时使大体积混凝土内部温度场更加均匀、和谐。

Description

大体积混凝土温控方法

技术领域

本发明属于大体积混凝土温控领域，尤其涉及循环冷却水管降低大体积混凝土水化温升的工艺。

背景技术

众所周知，大体积混凝土浇筑后，水泥基胶凝材料水化放热引起温升，在混凝土体量大的情况下，聚集在其内部的水化热不易散发，内部温度快速上升，而表面散热相对容易，因而容易形成显著的内外温差，使浇筑面层产生拉应力。对于新浇注混凝土，前期抗拉强度很低，当表面拉应力超过混凝土极限抗拉强度时就会在混凝土表面产生裂缝，严重时将产生贯穿性裂缝。裂缝不仅会降低结构承载力，而且对结构的防水、抗腐蚀等性能都会产生严重的影响。因此，必须控制大体积混凝土的内部温升，以最大限度减少结构开裂。

除了科学设计混凝土材料体系配合比，目前控制水泥基胶凝材料水化温升的主要技术措施有以下几种：

1)循环冷却水管法

利用埋设冷却水循环系统带出混凝土内部热量是工程实践中采用最多的一种方式。冷却水管以其应用的灵活性和实用性等特点，在世界各国混凝土施工中得到广泛的运用。冷却水循环系统的布管方式、管径、管距、冷却水流量及冷却水温度等因素直接影响大体积混凝土的控温效果。

然而，运用冷却水管法存在一些突出的矛盾和缺点。冷却水温越低，冷却水管与混凝土之间的温差越大，冷却效果就越好，但是冷却水管与混凝土之间的温差过大会引起冷却水管周围混凝土拉应力过大，当拉应力超过极限拉应力时混凝土就会开裂，俗称“冷击”；冷却水流量越大，冷却效果越好，但流量的增大，出水口水温将降低，造成冷却系统的制冷设备利用率降低；冷却效果对管距变化很敏感，减小管距可以较大提高冷却效果，但直接导致钢材消耗量增大；流程增大，循环水温度升高，温度场不均衡。

2)直接在混凝土中引入相变材料(简称PCM)法

PCM法是指在PCM物相转变过程中，可以与外界环境进行能量交换(从外界环境吸收热量或者向外界环境放出热量)，从而达到控制环境温度和能量利用的方法。与水的显热储能(水的显热储热容为4.2kJ/kg)相比，PCM具有潜热储能密度高、温度控制恒定、相变温度点选择范围宽及易于控制等优点，因此相变材料可作为很好的储热介质。

目前，将相变材料应用于混凝土的温控技术主要有相变材料直接掺入法和相变材料预填埋法两种方式。

1.相变材料直接掺入法是指直接在混凝土搅拌过程中加入固态相变材料，在混凝土升温过程中，相变材料发生固-液相变吸收水化反应产生的热量，控制温度的上升速度和最高温升值，而在混凝土降温过程中，相变材料发生液-固转变，将存储的热量释放出来，降低混凝土温度下降速度，相变材料的加入使大体积混凝土温度场分布更合理。但该技术的缺点在于：由于相变材料不可回收，因此直接加入相变材料量有限，降温效果也大打折扣；相变材料对混凝土的耐久性有潜在性危害，且相变材料在碱性环境下物理化学性能的稳定性限制了相变材料的选择种类。

2.相变材料预填埋法是指将相变材料预封装，在混凝土浇筑过程中填埋到水泥基胶凝材料中的方法。该方法存在：控温非持续性、PCM不可更换、成本费用高等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在的缺点，提供一种采用相变材料循环工艺的大体积混凝土温控方法，可以提高冷却循环水介质的热容，降低水管中水的温度变化梯度，在改善循环水系统的温控效率的同时使大体积混凝土内部温度场更加均匀、和谐。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种采用相变材料循环工艺的大体积混凝土温控方法，包括如下步骤：

第一步，将固态的相变材料加入冷却水中，再将混有相变材料的冷却水注入大体积混凝土的冷却水管进水口；

第二步，在冷却水管出水口处将相变材料与水进行分离；

第三步，将分离得到的相变材料冷却成固态后循环再利用。

在上述大体积混凝土温控方法中，所述第一步中，所述相变材料以微封装形式加入冷却水中，所述第二步中，所述冷却水管出水口处设置过滤筛，用于将水和微封装的相变材料进行分离。

在上述大体积混凝土温控方法中，所述第一步中，所述固态的相变材料直接加入冷却水中，所述第二步中，所述冷却水管出水口排出相变材料与水的液相混合体，用导流槽以一定的落差将漂浮在水表面上的液态相变材料分离出去。

相变材料PCM掺量的选用原则是，在水-PCM混合介质不会引起管路堵塞的条件下，为实现最佳的平衡温度场的效果，选取PCM尽可能大的掺量，不封装PCM掺量范围为5％～25％(相对循环水的体积百分比)，微封装PCM掺量范围为5％～20％(相对循环水的体积百分比)。

在上述大体积混凝土温控方法中，所述相变材料为固液相变材料，相变温度范围为20℃～40℃。

在上述大体积混凝土温控方法中，所述相变材料是由脂肪酸类、石蜡类、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O、CaCl₂·6H₂O及Na₂CO₃·10H₂O中的一种或两种组成的混合物。

本发明方法的原理是：在混凝土浇筑时，水泥基胶凝材料的水化放热会使冷却水管内的水温上升，从而使其中的相变材料发生固-液相变，吸收大量的热，致使冷却水管内部温度上升趋缓。

本发明的有益效果：

1.加入相变材料PCM可以提高冷却循环水介质的热容，降低水管中水的温度变化梯度，减缓了水温的升高速率，在改善循环水系统的温控效率的同时使大体积混凝土内部温度场更加均匀、和谐。

2.利用PCM控温，可根据大体积混凝土所处的不同外界环境条件和水化内部温度氛围选择具有合适相变温度点及相变潜热的PCM，控温过程中可以更换PCM的种类，实现温控的灵活性。PCM相变材料相变温度可根据气候特性、浇筑龄期进行调节，材料来源广泛。

3.与在混凝土体系中直接加入PCM的方式相比，该方法中PCM可循环利用，因而，成本大大降低，同时避免了PCM可能出现的对混凝土性能的弱化。

附图说明

图1为采用相变材料循环工艺的大体积混凝土温控方法的工艺流程图。

图2为出水口处微封装相变材料与水分离示意图。

图3为出水口处非微封装相变材料与水分离示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作清楚、完整地说明：

实施例1

桥梁工程1的承台大体积混凝土标号为C30，承台厚度5m，冬季施工，环境温度10℃，入模温度15℃。在混凝土中布置冷却水管，管内径25mm，上下布置4层，通水流量7m³/h，通水开始时间为混凝土浇筑完毕起，连续通水15天。

这种采用相变材料循环工艺的大体积混凝土温控方法，请参阅图1，包括如下步骤：

第一步，将常温下固态的相变材料PCM以微封装形式加入循环的冷却水中，将混有相变材料的冷却水作为冷却介质，注入到大体积混凝土的冷却水管的进水口。本实施例中，所述相变材料为C20～C30烷烃与C10～C14中链脂肪酸的混合物(质量比为0.2～0.5∶1)，采用聚乙烯微封装，其熔点为27.5℃-30.0℃，相变潜热为155kJ/kg-165kJ/kg。

本实施例中，所述相变材料PCM掺量范围相对冷却水的体积百分比为10％。

第二步，当混有相变材料的水到达冷却水管出水口处，将相变材料与水进行分离。针对相变材料以微封装形式加入冷却水的情况，本实施例采用如下分离工艺A，如图2所示：在冷却水管出水口位置设置一定孔径的过滤筛，将水和微封装的相变材料进行分离。所述过滤筛的孔径小于封装PCM粒径。另外，分离出来的水可根据需求调配到循环的水中。

第三步，将分离得到的相变材料冷却成固态及分离得到的温水降温后循环再利用。即当将相变材料冷却成固态后，重复第一步，形成循环。所述将相变材料冷却成固态可以通过采用冷却水冷却来实现。

本发明是建立在混凝土冷却水循环系统的基础上。本实施例中，经测试而得：在某时刻进水温度为24.8℃，出水温度为33.2℃。而当在水循环里加入该相变材料10％后，出水温度降低至30.1℃。可以有效减缓冷却水管的温降。因此，通过在混凝土冷却水循环系统的循环水中加入相变材料，可以使冷却水管内的水温上升趋缓，水温变化梯度降低，从而实现最佳的平衡温度场的效果。

实施例2

桥梁工程2承台大体积混凝土，标号为C30，承台厚度7m，夏季施工，环境温度26℃，入模温度32℃。在混凝土中布置冷却水管，管内径25mm，上下布置4层，通水流量7m³/h，通水开始时间为混凝土浇筑完毕起，连续通水15天。经测试而得：在某时刻进水温度为30.9℃，出水温度为39.2℃。而当在水中掺入相变材料10％后，出水温度降低至36.1℃。

本实施例中，本实施例与实施例1的区别还在于：(1)在第一步中，将常温下固态的相变材料直接加入循环的冷却水中，将混有相变材料的冷却水作为冷却介质，注入到大体积混凝土的冷却水管的进水口。所述相变材料为月桂酸与肉豆蔻酸的低共溶物，其熔点为33.5℃～35.5℃，相变潜热为160kJ/kg～170kJ/kg。(2)在第二步中，针对第一步中相变材料直接加入冷却水中的情况，采用如下分离工艺B：请参阅图3，冷却水管的出水口排出相变材料与水的液态混合体，由于液态相变材料相对水的密度较低，因此，液态相变材料漂浮在水表面，所以，可以利用导流槽将相变材料与水分离。

实施例3

某工程基础大体积混凝土，标号为C40，板厚5m，夏季施工，环境温度22℃，入模温度28℃。在混凝土中布置冷却水管，管内径25mm，上下布置4层，通水流量7m³/h。经测试而得：在某时刻进水温度为35.3℃，出水温度为44.8℃，在水中掺入相变材料9％，出水温度降低至40.8℃。

本实施例与实施例1的区别还在于：所述相变材料为C20烷烃，其熔点为40.4℃，相变潜热为213kJ/kg。

本发明建立在混凝土冷却水循环系统的基础上。所述相变材料由脂肪酸类、石蜡类、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O、CaCl₂·6H₂O及Na₂CQ₃·10H₂O中的一种或两种组成的混合物。当温度和混凝土入模温度均较低，相变材料相变温度下限可以适当调低，相变材料种类可以选择相变温度点20～40℃，根据混凝土内部温度发展进行选用和优化；夏季施工环境温度和混凝土入模温度均较高，相变材料相变温度下限需适当调高，相变材料种类可以选择相变温度点30～40℃范畴，同样根据混凝土内部温度发展历程进行PCM种类的调配。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims

1.一种大体积混凝土温控方法，其特征在于，包括如下具体步骤：

第二步，在冷却水管出水口处将相变材料与水进行分离；

第三步，将分离得到的相变材料冷却成固态后循环再利用。

2.根据权利要求1所述的大体积混凝土温控方法，其特征在于：所述第一步中，所述相变材料以微封装形式加入冷却水中；所述第三步中，所述冷却水管出水口处设置过滤筛，用于将水和微封装的相变材料进行分离。

3.根据权利要求2所述的大体积混凝土温控方法，其特征在于：所述第一步中，所加入的相变材料相对冷却水的体积百分比为5％～20％。

4.根据权利要求1所述的大体积混凝土温控方法，其特征在于：所述第一步中，所述固态的相变材料直接加入冷却水中；所述第三步中，所述冷却水管出水口排出相变材料与水的液相混合体，用导流槽以一定的落差将漂浮在水表面上的液态相变材料分离出去。

5.根据权利要求4所述的大体积混凝土温控方法，其特征在于：所述第一步中，所加入的相变材料相对冷却水的体积百分比为5％～25％。

6.根据权利要求1～5任一项所述的大体积混凝土温控方法，其特征在于：

所述相变材料为固液相变材料，相变温度范围为20℃～40℃。

7.根据权利要求6所述的大体积混凝土温控方法，其特征在于：所述相变材料是由脂肪酸类、石蜡类、Na₂SO₄·10H₂O、Na₂HPO₄·12H₂O、CaCl₂·6H₂O及Na₂CO₃·10H₂O中的一种或两种组成的混合物。