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相变轻骨料对高强度大体积混凝土温度控制与抗裂性能的影响及机理

期刊:journal of building engineeringDOI:10.1016/j.jobe.2024.110498

《Journal of Building Engineering》2024年研究:相变轻骨料对高强度大体积混凝土温控抗裂的影响与机制

作者及机构
本研究由东南大学材料科学与工程学院/江苏省土木工程材料重点实验室的Chaoming Pang(通讯作者)、Yunrui Mao、Chunpeng Zhang、Xinyi Song,以及中交路桥国际有限公司的Zhao Liu合作完成,发表于2024年8月的《Journal of Building Engineering》第97卷(文章编号110498)。

学术背景
高强度大体积混凝土(High-Strength Mass Concrete, HSMC)因胶凝材料用量高,水化热总量大,易产生温度应力导致开裂,威胁结构耐久性。传统控裂方法(如低热水泥、冷却水管)存在局限性,尤其对C50–C60高强度混凝土效果不足。相变材料(Phase Change Materials, PCMs)虽能调控温度,但有机PCMs在碱性环境中易泄漏,微胶囊技术又会导致强度损失。为此,本研究提出新型宏观封装相变轻骨料(PCCLA)保温细轻骨料(TIFLA),探究其对C55高强度大体积混凝土的温控与抗裂性能的影响机制,并基于实际桥梁塔柱工程进行模拟验证。

研究流程与方法
1. 材料制备
- PCCLA:以石蜡为芯材,经15%水玻璃溶液界面处理后,用水泥基外壳(35%水泥+60%粉煤灰+5%石灰)包裹,制成非烧结型芯壳结构轻骨料(直径6–10 mm,石蜡占比11%)。
- TIFLA:采用烧结陶粒(粒径0.16–5.0 mm)作为对比。
- 混凝土设计:以C55基准混凝土(C55Con)为对照组,掺入50–80 kg/m³的PCCLA或TIFLA(半饱和状态预湿),保持水胶比0.32,测试其工作性、力学性能及耐久性。

  1. 性能测试

    • 工作性与力学性能:依据中国国家标准GB/T 50080-2019测试坍落度、流动度;立方体抗压(100 mm³)、劈裂与弯曲强度(100×100×400 mm³)。
    • 水化过程表征:使用CCR-2电阻率仪监测水泥浆体电阻率变化;TAM Air等温量热仪测定水化放热速率;绝热温升试验(400 mm圆柱体)记录中心温度。
    • 温控性能:通过热导率与比热容测试分析骨料对混凝土热性能的影响。
    • 抗裂性评估:ASTM C1581环形约束试验模拟开裂风险;干燥收缩试验(100×100×400 mm³)记录28天收缩率。
  2. 工程模拟

    • 模型构建:基于长江某桥梁矩形塔柱(尺寸11.983 m×8.983 m×5 m),建立1/4对称模型,分析4个关键节点(内部与表面)的温度与应力发展。
    • 参数设定:考虑环境温度波动(15–28°C)、木模板保温(1 cm厚)及冷却水管(4层布置)的影响,计算峰值温度与内外温差。

主要结果
1. 工作性与力学性能
- PCCLA与TIFLA均能改善混凝土工作性(坍落度提升5–15 mm),且PCCLA因其球形度更优效果更显著。
- 早期强度:PCCLA组3天抗压强度较基准组提高5%(36.7 MPa vs 35.1 MPa),归因于石蜡相变吸热后的原位自养护效应。
- 长期强度:56天抗压强度损失可控(PCCLA组71.5 MPa,降幅6.5%),氯离子扩散系数降低43–56%。

  1. 温控机制

    • 绝热温升:80 kg/m³ PCCLA使峰值温度降低5.3°C(降幅9.8%),优于TIFLA(1.5°C)。
    • 热性能:PCCLA热导率降低26–32%(1.20 W/m·K vs 基准1.77 W/m·K),比热容提升至1.02 kJ/kg·K。
    • 水化延缓:PCCLA延长溶解阶段至8小时,但硬化阶段电阻率增速更快,加速凝结。
  2. 工程模拟验证

    • 温度场:PCCLA使塔柱内部峰值温度降低8.7°C(14.8%),内外温差减少6.3°C(25.4%)。
    • 应力场:表面节点最大拉应力降低24.1%(0.83 MPa),显著降低开裂风险。

结论与价值
1. 科学价值:揭示了PCCLA通过“相变储热-降低温峰-延缓水化”的协同机制,为高强度大体积混凝土温控提供了新材料路径。
2. 应用价值:仅需掺加50–80 kg/m³ PCCLA即可满足工程温控标准(内外温差≤25°C),且无需复杂冷却措施,适用于桥梁、核电等重大工程。
3. 创新性
- 首创非烧结型宏观封装PCCLA,解决了PCMs泄漏与界面兼容性问题;
- 结合半饱和预湿工艺,平衡了内养护与强度损失矛盾;
- 通过多尺度测试(电阻率、绝热温升、环形开裂)与工程模拟,系统验证了材料-性能-应用的闭环逻辑。

亮点
- PCCLA的“双峰相变”(41.1°C固-固、57.6°C固-液)精准匹配混凝土水化放热曲线;
- 实际工程模拟中,PCCLA的温控效果较实验室绝热试验更显著(峰值降温9.9°C vs 5.3°C),凸显其工程适用性。

其他发现
干燥收缩试验表明,TIFLA因吸水率更高,早期收缩抑制优于PCCLA,但过量掺加(80 kg/m³)会导致后期收缩率上升,需优化掺量。

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