CN113831088A - 一种相变大体积混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相变大体积混凝土，组成为水：140～170kg/m3；水泥：300～400kg/m3；粉煤灰：50～150kg/m3；细集料：650～850kg/m3；粗集料1000～1200kg/m3；减水剂：9.0～13.6kg/m3；相变材料：1～5kg/m3；所述的相变材料是高导热纳米级微胶囊相变材料，相变温度49℃；本发明所提供的基于相变材料制备的相变大体积混凝土可有效减缓大体积混凝土内部温升，降低温度梯度，减小大体积混凝土温度裂缝发生的几率；相较于传统大体积混凝土降温方法大大降低施工成本，具有工序简单，性能稳定，可替代传统的冷却水管降温方法，大大减少工期。

Description

一种相变大体积混凝土及其制备方法
技术领域
本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种相变大体积混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土结构温度裂缝是土木工程质量问题的顽症之一，裂缝不仅影响美观，而且严重影响构筑物的使用寿命和安全性，大体积高强度等级(C40以上)混凝土温度裂缝尤为突出。混凝土水化热导致内部形成的温度应力造成混凝土结构开裂，比如很多的大型建筑的基础、桥梁、大坝等都存在不同程度的温度裂缝。
相变材料(PCM)是一种在湿度与温度允许的范围内，在材料变化和结构变化时加以利用材料本身能量的变化，向周围环境释放或者吸收能量，进而在环境温度变化中起到控制温度的一类物质。相变材料按其化学成分可分为无机相变材料、有机相变材料和复合相变材料。目前，国内外主要将相变材料应用于建筑节能、军事隔热、器械保温等领域中，应用于大体积混凝土的案例并不多。大体积混凝土由于浇筑初期水泥水化产生大量的热，而混凝土为热的不良导体，水泥水化产生的热量无法扩散，积聚在混凝土内部与外界环境形成较大的温差，此时混凝土的弹性模量较小，徐变较大，升温引起的压力并不大，但是在后期温度逐渐降低的时候，弹性模量较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力，导致温度裂缝的产生。
传统的大体积混凝土水化热解决方法主要有：选择合适的混凝土材料优化配合比、在制作前将混凝土材料预冷、预埋冷却水管、养护时温度控制等。传统方法存在如下问题：材料预冷法占用堆场面积，影响混凝土浇筑连续性，实际操作难以达到要求；预埋冷却水管法延长工期，通水时间、通水速率、水管布设方式难以精确控制；常规温度控制措施，增加施工难度且温控效果有限。
发明内容
本发明目的在于提供一种相变大体积混凝土及其制备方法，通过相变材料相态的变化实现水化热的储存和释放，在取消冷却水管的情况下，防止大体积混凝土温度裂缝的出现；同时力学性能、抗裂性能和耐久性能优良。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
一种相变大体积混凝土，其组成为：
水：140～170kg/m3；水泥：300～400kg/m3；粉煤灰：50～150kg/m3；细集料：650～850kg/m3；粗集料1000～1200kg/m3；减水剂：9.0～13.6kg/m3；相变材料：1～5kg/m3。
按上述方案，所述的细集料为河砂和机制砂，河砂细度模数2.3～3.0，机制砂细度模数1.6～2.2。
按上述方案，所述的粗集料为普通碎石，5～31.5mm连续级配，表观密度2700～3100kg/m3，吸水率2％～5％，压碎指标7％～13％。
按上述方案，所述的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。
按上述方案，所述的粉煤灰为二级灰。
按上述方案，所述的减水剂为缓凝型聚羧酸系减水剂。
按上述方案，所述的相变材料是高导热纳米级微胶囊，相变温度49℃；按以下方法制备而来：
(1)将石蜡固液相变材料加热熔化后加入交联剂、石墨、增稠剂、抗氧剂混合均匀；其组成按质量百分数计如下：石蜡75％～84％；交联剂2％～4％；石墨9％～12％；增稠剂3％～5％；抗氧剂2％～4％；
(2)所得混合材料放入反应釜中，在130℃～150℃和43MPa～55MPa下反应并固化；
(3)所得固化材料经切粒、风力破碎筛分，通过模板沉积法沉积到片状石墨上，通过范德华力形成石墨-固化材料-石墨的三明治结构；
(4)引入氨基羧酸系高表面张力的黏性材料对三明治结构的表面进行包裹，得到高导热纳米级微胶囊。
上述相变大体积混凝土的制备方法，包括以下步骤：
将水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、相变材料倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂和水，继续拌合60～120s，即得相变大体积混凝土。
大体积混凝土因其较大体积，且混凝土导热系数较低，大体积混凝土内部因水化产生的热量无法及时排除，而大体积外部的温度较低，温差的形成会使混凝土产生较大的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时就会出现温度裂缝。本发明在混凝土的设计制备中采用了高导热微胶囊相变材料，该相变材料的储能密度较高，可达230KJ/g。相变混凝土制备过程采用体积代砂法将微胶囊相变材料等量替代细集料掺入其它集料中，再加入减水剂和水拌合制得相变大体积混凝土。制备的相变大体积混凝土在水泥水化升温过程中，当混凝土内部温度达到相变材料的相变点时，相变材料在微胶囊内由固态转变为液态，吸收混凝土内部水泥水化产生的一部分热量，反之在混凝土降温的过程中，当温度降低到相变点时，相变材料在微胶囊内由液态转变为固态，相变微胶囊材料的加入能有效降低混凝土内部最高温升值和升、降温速度，降低混凝土温度梯度，从而达到机敏控制混凝土内部温度应力，大幅度降低大体积混凝土温度裂纹发生几率的目的。本发明制备的基于相变储能材料的大体积混凝土可以满足强度、耐久性和抑制温度裂缝的要求。
本发明制备大体积混凝土所用的相变材料为纳米级微胶囊相变材料，采用微胶囊法将有机相变材料封装于纳米级微胶囊中，该方法能使相变材料在相变过程中不会发生泄漏，从而保证混凝土性能。该有机相变材料化学性质稳定，无过冷现象，有较大的相变焓，相变过程中体积变化较小。根据《GB/T 50081-2019混凝土物理力学性能试验方法标准》试验得到的掺加相变微胶囊材料的混凝土与普通混凝土相比，无明显降低混凝土强度的情况
相对于现有技术，本发明有益效果在于：
(1)本发明所提供的基于相变材料制备的相变大体积混凝土可有效减缓大体积混凝土内部温升，降低温度梯度，减小大体积混凝土温度裂缝发生的几率。
(2)本发明使用相变微胶囊材料制备的大体积混凝土相较于传统大体积混凝土降温方法大大降低施工成本。
(3)本发明所制备的相变大体积混凝土，具有工序简单，性能稳定，可替代传统的冷却水管降温方法，大大减少工期。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
针对大体积混凝土普遍存在温度裂缝，以及预埋冷却水管成本高、延缓工期等问题。本发明在大体积混凝土材料中引入相变材料，通过相态的变化，实现水化热的储存和释放，其工作原理类似于电池，相变材料通过响应温度变化，实现对水化热能的存储和释放。利用相变材料储能密度高和储放热恒温特性，不但可以降低大体积混凝土的最高升温值，还能降低大体积混凝土升温速度和降温速度，在取消冷却水管的情况下，防止大体积混凝土温度裂缝的出现。采用相变材料制备的相变大体积混凝土，可取消冷却水管的设置，降低工程造价，提高施工进度，具有巨大的实际应用价值。
为此本发明提供了一种相变大体积混凝土，其组成为水：140～170kg/m3；水泥：300～400kg/m3；粉煤灰：50～150kg/m3；细集料：650～850kg/m3；粗集料1000～1200kg/m3；减水剂：9.0～13.6kg/m3；相变材料：1～5kg/m3。
具体实施方式中所用原料按以下标准：
所述的细集料为河砂和机制砂，河砂细度模数2.3～3.0，机制砂细度模数1.6～2.2。
粗集料为普通碎石，5～31.5mm连续级配，表观密度2700～3100kg/m3，吸水率2％～5％，压碎指标7％～13％。
水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。
粉煤灰为二级灰。
减水剂为缓凝型聚羧酸系减水剂。
所述的相变材料是高导热纳米级微胶囊，相变温度49℃；按以下方法制备而来：
(1)将石蜡固液相变材料加热熔化后加入交联剂、石墨、增稠剂、抗氧剂混合均匀；其组成按质量百分数计如下：石蜡75％～84％；交联剂2％～4％；石墨9％～12％；增稠剂3％～5％；抗氧剂2％～4％；
(2)所得混合材料放入反应釜中，在130℃～150℃和43MPa～55MPa下反应并固化；
(3)所得固化材料经切粒、风力破碎筛分，通过模板沉积法沉积到片状石墨上，通过范德华力形成石墨-固化材料-石墨的三明治结构；
(4)引入氨基羧酸系高表面张力的黏性材料对三明治结构的表面进行包裹，得到高导热纳米级微胶囊。
所得高导热纳米级微胶囊有效保证相变材料在液体状态下的稳定性，使得相变材料不会发生泄露，高导热纳米级微胶囊相变材料生产过程中所使用的材料均为绿色环保材料。
实施例1
表1
Figure BDA0003303422830000041
所述水细集料为机制砂和河砂，掺配质量比为1：1，细度模数为1.6～3.0；所述粗集料为5～31.5mm连续级配碎石，表观密度2700～3100kg/m3；所述相变材料为微胶囊相变材料，采用体积代砂法替代等体积的机制砂。
按照表1配比将胶凝材料、细集料、粗集料和相变材料倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂和水，继续拌合50～120s，即得基于相变材料制备的相变混凝土。其物理性能技术指标列于表5。
实施例2
表2
Figure BDA0003303422830000042
Figure BDA0003303422830000051
所述水细集料为机制砂和河砂，掺配质量比为1.2：1，细度模数为1.6～3.0；所述粗集料为5～31.5mm连续级配碎石，表观密度2700～3100kg/m3；所述相变材料为微胶囊相变材料，采用体积代砂法替代等体积的机制砂。
按照表2配比将胶凝材料、细集料、粗集料和相变材料倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂和水，继续拌合50～120s，即得基于相变材料制备的相变混凝土。其物理性能技术指标列于表5。
实施例3
表3
Figure BDA0003303422830000052
所述水细集料为机制砂和河砂，掺配质量比为1.5：1，细度模数为1.6～3.0；所述粗集料为5～31.5mm连续级配碎石，表观密度2700～3100kg/m3；所述相变材料为微胶囊相变材料，采用体积代砂法替代等体积的机制砂。
按照表3配比将胶凝材料、细集料、粗集料和相变材料倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂和水，继续拌合50～120s，即得基于相变材料制备的相变混凝土。其物理性能技术指标列于表5。
实施例4
表4
Figure BDA0003303422830000053
所述水细集料为机制砂和河砂，掺配质量比为1.3：1，细度模数为1.6～3.0；所述粗集料为5～31.5mm连续级配碎石，表观密度2700～3100kg/m3；所述相变材料为微胶囊相变材料，采用体积代砂法替代等体积的机制砂。
按照表4配比将胶凝材料、细集料、粗集料和相变材料倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂和水，继续拌合50～120s，即得基于相变材料制备的相变混凝土。其物理性能技术指标列于表5。
表5实施例1～4制备得到的相变混凝土的技术指标
Figure BDA0003303422830000061

Claims (8)

1.一种相变大体积混凝土，其特征在于组成为：
水：140～170kg/m3；水泥：300～400kg/m3；粉煤灰：50～150kg/m3；细集料：650～850kg/m3；粗集料1000～1200kg/m3；减水剂：9.0～13.6kg/m3；相变材料：1～5kg/m3。
2.如权利要求1所述的相变大体积混凝土，其特征在于所述的细集料为河砂和机制砂，河砂细度模数2.3～3.0，机制砂细度模数1.6～2.2。
3.如权利要求1所述的相变大体积混凝土，其特征在于所述的粗集料为普通碎石，5～31.5mm连续级配，表观密度2700～3100kg/m3，吸水率2％～5％，压碎指标7％～13％。
4.如权利要求1所述的相变大体积混凝土，其特征在于所述的水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥。
5.如权利要求1所述的相变大体积混凝土，其特征在于所述的粉煤灰为二级灰。
6.如权利要求1所述的相变大体积混凝土，其特征在于所述的减水剂为缓凝型聚羧酸系减水剂。
7.如权利要求1所述的相变大体积混凝土，其特征在于所述的相变材料是高导热纳米级微胶囊，相变温度49℃；按以下方法制备而来：
(1)将石蜡固液相变材料加热熔化后加入交联剂、石墨、增稠剂、抗氧剂混合均匀；其组成按质量百分数计如下：石蜡75％～84％；交联剂2％～4％；石墨9％～12％；增稠剂3％～5％；抗氧剂2％～4％；
(2)所得混合材料放入反应釜中，在130℃～150℃和43MPa～55MPa下反应并固化；
(3)所得固化材料经切粒、风力破碎筛分，通过模板沉积法沉积到片状石墨上，通过范德华力形成石墨-固化材料-石墨的三明治结构；
(4)引入氨基羧酸系高表面张力的黏性材料对三明治结构的表面进行包裹，得到高导热纳米级微胶囊。
8.权利要求1-7任一项所述相变大体积混凝土的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
将水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、相变材料倒入混凝土搅拌机中干拌30～60s，再加入减水剂和水，继续拌合60～120s，即得相变大体积混凝土。
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