相变材料在桥梁系梁工程中的应用研究

杨海春，刘望奇，李涛涌，钟 龙，唐 辉

(1. 广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523710；2. 湖北大学 材料科学与工程学院，武汉 430062)

随着建筑行业的迅猛发展，大体积混凝土的应用也日趋广泛[1]。大体积混凝土尺寸较大，且混凝土为热的不良导体，水泥水化反应产生的热能无法得到快速释放，就会在混凝土内部和表面形成温差，产生温度应力，当产生的温度应力超过混凝土能够承受的极限抗拉强度时，就可能在混凝土内部或表面产生温度裂缝[2-4]。大体混凝土温度裂缝控制方法主要有预埋冷却水管法、保温材料覆盖法、循环蓄水控制法和相变材料(PCM)控制法[5]。

目前工程项目主要采取预埋冷却水管的降温方式以应对大体积混凝土结构在施工过程中易产生温度裂缝的问题，虽然采用预埋冷却水管的降温方式可以切实地达到降低混凝土内部温升的目的，但是其通水时间、通水速率、水管布设方式等都要经过大量计算分析才能得出，且在实际工程中往往无法严格实施，导致效果大打折扣；在与预埋冷却水管连接的地方可能会出现压浆不够致密而留有缝隙的问题，因而水、空气、有害的离子等容易直接侵入到混凝土内部，金属管因此遭到锈蚀，降低了工程结构稳定性；预埋冷却水管方式加大了施工难度、延缓工期。

相变材料(Phase Change Materials，简称PCM)是国内外专家近些年来在材料学科及资源再利用方面研发出的新型功能材料，在近似等温或者等温情况下，利用材料的相态变化吸收或释放能量，从而达到调控温度的目的[6]。相变材料主要分为无机类、有机类和共晶混合类[7-8]，将相变储能材料掺入大体积混凝土中，能有效地降低大体积混凝土温升数值，降低混凝土升温及降温速率，抑制大体积混凝土温度裂缝产生[9-10]。

相变材料的封装方法目前主要有：多孔材料吸附法、熔融共混法和微胶囊法[11-12]。多孔材料吸附法是采用加压加热、真空、溶液等浸渍技术手段，利用多孔材料具有大量孔洞的特性，将相变材料吸入并固定[13]。熔融共混法的主要原理是利用“相似相溶”的化学原理，将一种具有良好共溶性且熔点高的物质作为支撑，熔点低的物质作为相变材料基体，通过利用溶剂进行共混或者将其加热熔融后共混制备成复合型相变储能材料[14]。微胶囊封装法是将液体或固体相变材料用一类膜体材料裹住，得到类似于胶囊的微小粒子。目前主要利用悬浮聚合法、界面聚合法、原位聚合法及乳液聚合法制备微胶囊[15]。

1 工程概况

某跨河景观大桥位于某市某区北河中，该景观大桥主墩(15#、16#墩)单个承台尺寸为16.5 m(顺桥向)×56.278 m(横桥向)，厚为5.0 m。为提高承台的整体性，利用系梁将2个主墩承台连接起来，系梁部位采用实心砼。系梁长为13.41 m，宽为8 m，与承台等厚，均浇筑C40混凝土。连接承台部位的系梁共2根，单根系梁需浇筑约525.6 m3混凝土，系梁体积较大，在施工中应考虑相应的温度控制措施。

2 试验设计

2.1 试验方案

本试验将高导热复合相变材料采用质量代砂法按一定比例掺入胶凝材料中，与其他混凝土原材料混合搅拌均匀后，制备得到高导热相变控温混凝土。主墩承台系梁共有2根，其中1根系梁采用相变材料法进行温控，另外1根系梁则采用布设冷却水管法进行温控。采用内埋式温度计和应力应变计对冷却水管系梁及相变材料系梁的温度及应力应变进行监控，对比分析布设冷却水管方式和掺入高导热复合相变材料方式的控温效果优劣。

2.2 系梁温度及应力监控点布设

系梁温度监控布设采用如图1所示布设方式：共选取6个点，其中预埋3个温度传感器、3个应力应变传感器(可测温)。

图1 系梁温度及应力监控布设方案示意

2.3 原材料及配合比

2.3.1原材料

本试验所用原材料为P·O 42.5普通硅酸盐水泥、S95级矿粉、Ⅱ级粉煤灰、机制砂、水洗砂、连续级配碎石、缓凝型聚羧酸系减水剂、自来水、高导热复合相变材料。

该相变材料采用油脂基固液相变材料为基体材料与石墨等复合制备而成，其基本性能见表1。

表1 高导热复合相变材料基本性能

2.3.2配合比

配合比见表2所示。

表2 相变混凝土配合比 kg/m3

3 数据采集及分析

3.1 系梁工程图

系梁实体浇筑共分为南岸与北岸两根系梁，其中北岸为布设冷却水管进行控温的系梁，南岸为掺入相变材料进行控温的系梁。冷却水管系梁与相变材料系梁尺寸、构造完全一致，分别位于河北岸与南岸，对称放置。相变材料系梁与冷却水管系梁浇筑为同时进行，浇筑过程约9 h。系梁拆模前采用顶部蓄水方式养护，约3 d后拆模，拆模后即采用持续洒水方式养护。图2为布设冷却水管的系梁现场示意，图3为掺入相变材料的系梁现场示意，2种系梁均无明显温度裂缝，具有良好的抗裂效果。

图2 北岸冷却水管系梁示意

图3 南岸相变材料系梁示意

3.2 抗压强度

从表3可以看出，掺入相变材料后其3 d、7 d强度降低有轻微程度降低，当龄期达到28 d、60 d后强度相差较小。掺入相变材料后相变材料系梁强度较冷却水管系梁强度有所降低，其中3 d强度降低1.1 MPa，7 d强度降低1.4 MPa，28 d强度降低0.8 MPa，60 d强度降低0.2 MPa。

表3 系梁抗压强度 MPa

抗压强度降低值：7 d>3 d>28 d>60 d。分析其原因：当水泥水化早期放热达到相变材料的相变点的时，相变材料会吸收部分水泥水化放出的热量，使混凝土内部温度有所降低，而在一定的程度范围内温度的升高能促进水泥的水化，相变材料的掺入致使混凝土内部温度降低，导致水泥早期水化进程减缓，继而使混凝土早期强度降低。

3.3 温度曲线

本试验共测试6个位置的温度。

系梁内部中心温峰：相变材料系梁温峰为72.2℃，冷却水管系梁温峰为74.1℃，相变材料系梁内部中心温峰较冷却水管系梁内部中心温峰降低1.9℃(如图4所示)。

图4 内部中心温度曲线示意

系梁侧表面中心温峰：相变材料系梁温峰为63.4℃，冷却水管系梁温峰为64.7℃，相变材料系梁侧表面中心温峰较冷却水管系梁侧表面中心温峰降低1.3℃(如图5所示)。

图5 侧表面中心温度曲线示意

系梁底部中心温峰：相变材料系梁温峰为68.7℃，冷却水管系梁底部中心温峰为69.8℃，相变材料系梁底部中心温峰较冷却水管系梁底部中心温峰降低1.1℃(如图6所示)。

图6 底部中心温度曲线示意

系梁上表面中心温峰：相变材料系梁温峰为66.1℃，冷却水管系梁温峰为66.6℃，相变材料系梁上表面中心温峰较冷却水管系梁上表面中心温峰降低0.5℃(如图7所示)。

图7 上表面中心温度曲线示意

系梁上表面侧边中间温峰：相变材料系梁温峰为59.6℃，冷却水管系梁温峰为59.8℃，相变材料系梁上表面侧边中间温峰较冷却水管系梁温峰降低0.2℃(如图8所示)。

图8 上表面侧边中间温度曲线示意

系梁上表面边角温峰：相变材料系梁温峰为46.7℃，冷却水管系梁温峰为48.2℃，相变材料系梁上表面边角温峰较冷却水管系梁上表面边角温峰降低1.5℃(如图9所示)。

图9 上表面边角温度曲线示意

综上所述，掺入相变材料后混凝土的温度曲线较布设冷却水管的混凝土温度曲线要更为缓和；掺入相变材料的混凝土温峰普遍更低；掺入相变材料的混凝土升降温过程有明显平缓。

3.4 里表温差

通过图10(中心—上表面温差)、图11(中心—侧表面温差)、图12(中心—底面温差)可知：

图10 中心—上表面温差示意

图11 中心—侧表面温差示意

图12 中心—底面温差示意

中心—上表面温差：相变系梁最大温差为23.3℃，冷却水管系梁最大温差为25.7℃，相变材料系梁最大温差较冷却水管系梁最大温差降低2.4℃。

中心—侧表面温差：相变系梁最大温差为23.9℃，冷却水管系梁最大温差为29.7℃，相变材料系梁最大温差较冷却水管系梁最大温差降低5.8℃。

中心—底面温差：相变系梁最大温差为14.9℃，冷却水管系梁最大温差为17℃，相变材料系梁最大温差较冷却水管系梁最大温差降低2.1℃。

综上所述，掺入相变材料的混凝土其里表温差最大值均低于布设冷却水管的混凝土，且温差曲线较为平缓，能有效的降低混凝土最大里表温差值。

3.5 应力

由图13(内部中心应力)、图14(侧表面中心应力)、图15(底部中心应力)可知：

图13 内部中心应力示意

图14 侧面中心微应变及应力示意

图15 底部中心微应变及应力示意

内部中心应力：相变系梁内部中心最大收缩应力为4.33 MPa，冷却水管系梁最大收缩应力为5.30 MPa，相变材料系梁内部中心最大收缩应力较冷却水管系梁内部中心最大收缩应力降低0.97 MPa。

侧表面中心应力：相变材料侧表面中心最大收缩应力为4.6 MPa，冷却水管系梁侧表面中心最大收缩应力为6.1 MPa，相变材料系梁侧表面中心最大收缩应力较冷却水管系梁侧表面中心最大收缩应力降低1.5 MPa。

底部中心应力：相变系梁底部中心最大收缩应力为4.9 MPa，冷却水管系梁最大收缩应力为5.2 MPa，相变材料系梁底部中心最大收缩应力较冷却水管系梁底部中心最大收缩应力降低0.3 MPa。

由应力曲线图可知，各位置掺入相变材料后的混凝土应力均小于布设冷却水管的混凝土应力，且达到最大应力之后，降低速率快于布设冷却水管的混凝土，能有效降低混凝土内部温度应力。

4 成本对比

系梁冷却水管成本：冷却水管原材料共计4 131.2元、人工费300元、泵通水摊销100元，共计4 531.2元。

系梁相变材料成本：高导热复合相变材料价格为20元/kg，系梁相变材料费用共计32 184元。

采用冷却水管方式每m3约增加8.5元，采用相变材料方式每m3约增加60元，与布设冷却水管方式相比，掺入高导热复合相变材料的混凝土每m3成本高出布设冷却水管的混凝土51.5元。

5 结语

在系梁大体积混凝土中掺入高导热复合相变材料后，相变材料对混凝土的早期强度有轻微程度的降低，对后期强度几乎没有影响。相变材料的相变过程能有效的吸收部分水泥水化产生的部分热量，降低混凝土温峰，延缓温峰到达的时间，延缓升降温速率，降低混凝土里表温差，从而减小因混凝土里表温差产生的温度应力，达到抑制混凝土温度裂缝产生的效果。