《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)与保温细轻骨料(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。
性能测试
工程模拟
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%。
温控机制
工程模拟验证
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。