專利名稱：：采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于材料應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種降低水泥基材料內(nèi)部溫升，延緩溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間，避免出現(xiàn)溫度裂縫的方法。
背景技術(shù)：
：混凝土等水泥基材料澆筑后，水泥的水化熱使材料內(nèi)部溫度上升。由于表面和內(nèi)部的散熱條件不同，形成較大的內(nèi)外溫差，使材料面層產(chǎn)生拉應(yīng)力。在水泥水化初期，水泥基材料的彈性模量較小，抗拉強(qiáng)度較低，溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力容易超過材料的抗拉強(qiáng)度，使材料表面產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重的將出現(xiàn)貫穿性裂縫。裂縫不僅會降低結(jié)構(gòu)的剛度和整體性，而且將加劇鋼筋銹蝕和碳化，導(dǎo)致抗凍融、抗疲勞、防滲、防水等性能的降低，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的耐久性。所以必須對大體積水泥基材料的內(nèi)部溫升加以控制?，F(xiàn)有的控制水泥基材料內(nèi)部溫升的技術(shù)主要有1.建立冷卻水循環(huán)系統(tǒng)在水泥基材料澆筑過程中布置管道，在水化過程中向管道中提供循環(huán)水，將部分水泥的水化熱導(dǎo)出，從而調(diào)節(jié)和控制混凝土內(nèi)部溫度。這種方法是目前最常用的方法，但也存在很多缺點(diǎn)，突出表現(xiàn)在通水過程中，水溫與材料內(nèi)部存在溫差，當(dāng)溫差過大、冷卻速度過快時(shí)，易產(chǎn)生裂縫，俗稱"冷擊"；循環(huán)水與水泥基材料的溫差、通水量在不同時(shí)期要有所差別，溫度變化不平緩；溫控效果受外界溫度變化的影響。2.加入緩凝劑微膠嚢在水泥基材料中摻加以石蠟為壁材、緩凝劑為芯材的微膠嚢，在溫升過程中石蠟融化使緩凝劑釋放，減緩水泥的水化速率，從而降低內(nèi)部溫升速度和溫度峰值。但這種方法會使混凝土的早期強(qiáng)度大大降低，影響施工進(jìn)度；石蠟融化后對水泥基材料長期性能影響的研究還未深入。3.直接在混凝土中加入相變材料(PhaseChangeMaterials,簡稱PCM)相變材料是指在相變過程中能夠吸收或放出大量熱量，并在此過程中保持溫度相對穩(wěn)定的材料。相變材料是近年來發(fā)展迅速的新材料，廣泛應(yīng)用于太陽能儲存、工業(yè)廢熱回收、電子器件熱管理、供暖和空調(diào)系統(tǒng)以及建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。由于PCM潛熱高，相變過程中溫度變化小，所以可以利用這一特點(diǎn)來控制周圍環(huán)境溫度的變化。直接在混凝土攪拌過程中加入固態(tài)相變材料，對水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量有一定的吸收，從而對混凝土內(nèi)部溫度有一定的控制作用，減少混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的幾率。此方法的缺點(diǎn)是直接加入相變材料的重量有限，降溫效果有限；相變材料對水泥基材料的耐久性有潛在危害；而且相變材料在堿性環(huán)境下物理化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性還需進(jìn)一步研究。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對上述缺點(diǎn)提供了一種可有效避免溫度裂縫的出現(xiàn)，避免直接摻加對水泥基材料性能的影響，溫控幅度可控，材料來源廣泛，價(jià)格低廉的降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法，是將相變溫度為28~40°C、儲能密度為170~290J/g的相變材料在高于相變點(diǎn)的溫度下注入管道中，封裝后降溫到相變點(diǎn)溫度下，使相變材料變?yōu)楣虘B(tài)，在澆筑過程中將含有固態(tài)相變材料的管道填埋到水泥基材料中，在水泥水化過程中，材料內(nèi)部溫度升高至相變點(diǎn)時(shí)，相變材料發(fā)生相變，吸收大量的熱，其中相變材料用量按下式計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>。下面具體闡述下相變材料用量的計(jì)算絕熱條件下，水泥基材料的最大絕熱溫升可表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>PCM填埋到水泥基材料中后，在升溫過程中吸收的熱量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(2)PCM吸收的這部分熱量相當(dāng)于減少了引起水泥基材料內(nèi)部溫升的熱量。預(yù)填埋PCM的混凝土最大絕熱溫升理論計(jì)算公式可表示為所以填埋PCM后的最大絕熱溫升為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>加入PCM后，在相同的水泥基材料內(nèi)部，理論絕熱溫升的降低幅度(以百分比計(jì))為"=(卜^4x100%(4)將式(1)與式(3)帶入(4)式得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>%(5)(Q+C^)(Mc+碼)gPCM的預(yù)填埋量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>上述公式中Mc:單位體積混凝土中水泥的質(zhì)量；AG:單位體積混凝土中摻合料的質(zhì)量；〖指折減系數(shù)，對于粉煤灰，K=0.25,對于礦淹微粉，〖=0.3;2:單位水泥的水化熱；升溫過程中吸收的熱量P:混凝土的密度；液態(tài)PCM的比熱《PCM的儲能密度化混凝土的初始溫度0':PCM填埋到混凝土中后:C:混凝土的比熱；C1:固態(tài)PCM的比熱Mp:PCM的重量r:PCM的相變溫度T;ax:預(yù)填埋PCM后混凝土的最大絕熱溫升；rmax:水泥基材料的最大絕熱溫升；":絕熱溫升降低幅度本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)的有益效果為1.利用預(yù)填埋PCM控制水泥基材料內(nèi)部溫升，溫控幅度可根據(jù)要求來設(shè)計(jì)PCM的填埋量，可有效控制混凝土內(nèi)部溫度峰值和溫升速率，避免了因溫升過高引起的混凝土開裂。2.水泥基材料與PCM的溫度變化同步，可有效避免局部溫差過大造成的"冷擊"。3.由于選用的PCM的液態(tài)密度小于固態(tài)密度，所以經(jīng)降溫處理發(fā)生相變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，體積不會增大，可有效避免因體積膨脹產(chǎn)生的壓應(yīng)力。4.PCM經(jīng)過預(yù)先封裝，避免了直接摻加對水泥基材料性能造成影響。5.PCM種類繁多，材料來源廣泛，價(jià)格低廉，選擇范圍大。6.PCM在吸收熱量后變?yōu)橐簯B(tài)，可通過管道導(dǎo)出循環(huán)利用，經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。圖1是采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的控制流程圖。圖2是采用PCM控制水泥基材料內(nèi)部溫升的管道布置示意圖。其中1保溫層；2塑料膜；3水泥基材料；4管子；5PCM;A置于PCM中的熱電偶；B置于水泥基材料中心的熱電偶；C置于水泥基材料側(cè)壁的熱電偶。圖3是PCM填埋量對不同水泥用量的混凝土最大絕熱溫升的影響。圖4是PCM預(yù)填埋量與最大絕熱溫升降低幅度的關(guān)系。圖5是預(yù)填埋PCM對水泥凈漿半絕熱溫升的影響。圖6是預(yù)填埋PCM對水泥砂漿半絕熱溫升的影響。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做出具體說明。圖1為本發(fā)明的技術(shù)方案的流程圖，參看圖1可以看出本發(fā)明是在高于相變點(diǎn)的溫度時(shí)，將液態(tài)PCM注入管道或容器中進(jìn)行封裝處理，然后降溫至相變點(diǎn)溫度以下，使PCM在管道或容器中由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，并在相變點(diǎn)以下的溫度貯存?zhèn)溆谩Ｊ褂脮r(shí)再通過一定方式將管道或容器填埋到大體積混凝土中，當(dāng)混凝土的水化熱使得內(nèi)部溫度達(dá)到相變溫度時(shí)，PCM將吸收部分7jc化熱由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，使混凝土內(nèi)部溫度峰值和溫升速率得到有效降低，避免了因溫升過高引起的混凝土開裂；水泥基材料與PCM的溫度變化同步，可有效避免局部溫差過大造成的"冷擊"；PCM在吸收熱量后變?yōu)橐簯B(tài)，可以由閥門開關(guān)控制通過管道導(dǎo)出循環(huán)利用，經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。圖2是采用本發(fā)明所述方法的其中一種管道布置示意圖，這種管道布置是將裝有一定重量PCM5的鋼管4或聚乙烯塑料管4在水泥基材料中按蛇行均勻布置，特殊部位可根據(jù)結(jié)構(gòu)情況適當(dāng)調(diào)整。分別在水泥基材料的中心、邊緣部位和PCM材料內(nèi)部布置熱電偶B、C、A進(jìn)行測溫。在管道的兩端設(shè)有閥門，可以將液態(tài)的PCM導(dǎo)出進(jìn)行循環(huán)利用。水泥基材料體可以設(shè)有保溫層l，保溫層l內(nèi)可以用塑料膜2進(jìn)行阻隔。假設(shè)水泥最終水化放出的水化熱為400J/g,水泥基材料密度2400kg/m3,比熱為O.96J/g°C。PCM預(yù)填埋量為水泥重量的0~40%時(shí)，水泥基材料的最大絕熱溫升隨著PCM預(yù)填埋量的增加而降低，如圖3所示。PCM的預(yù)填埋量水泥基材料最大絕熱溫升的降低幅度關(guān)系如圖4所示，PCM預(yù)填埋量越大，絕熱溫升降低的幅度越大。水泥基材料的水泥用量為400kg/n^時(shí)，PCM預(yù)填埋量為水泥重量的10%~20%時(shí)，最大絕熱溫升下降6.17°C~11.66°C，下降幅度為8.89%~16.79%。所以由圖3和圖4可以看出要提高PCM對水泥基材料絕熱溫升的降低幅度，可加大PCM的預(yù)填埋量，選擇合適的預(yù)填埋方法，同時(shí)可選擇在水泥用量較高的水泥基材料中使用。一種采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法，是將相變溫度為28~40。C、儲能密度為170~290J/g的相變材料在高于相變點(diǎn)的溫度下注入管道中，封裝后降溫到相變點(diǎn)溫度下，4吏相變材料變?yōu)楣虘B(tài)，在澆筑過程中將含有固,態(tài)相變材料的管道填埋到水泥基材料中，在水泥水化過程中，材料內(nèi)部溫度升高至相變點(diǎn)時(shí)，相變材料發(fā)生相變，吸收大量的熱，其中相變材料用量按下式計(jì)算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>其中相變材料的相變溫度在28-4(TC間任選，可以為28。C、3(TC、31°C、37°C、40。C包括所述范圍內(nèi)最大和最小值之間的各個(gè)數(shù)和全部數(shù)和/或部分。儲能密度為170290J/g之間的任一數(shù)值，包括所述范圍內(nèi)最大和最小值之間的各個(gè)數(shù)和全部數(shù)和/或部分?jǐn)?shù)，如取170J/g、173J/g、180J/g、200J/g、240J/g直到290J/g。實(shí)施例1釆用Na2SO4*10H2O作為預(yù)填埋相變材料，其物理性質(zhì)如表1所示。表1PCM的物理性能_<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>水泥凈漿采用牌號為P042.5的水泥拌制，水灰質(zhì)量比為0.3:1。在半絕熱溫升條件下，分別在凈漿中預(yù)填埋為水泥重量的0、3%、6%重量的PCM，凈漿內(nèi)部溫升曲線如圖5所示。由此圖可知填埋PCM為水泥重量的3°/。~6%時(shí)，相比不填埋PCM水泥凈漿的溫度峰值降低13T~20°C，溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間延長1.5h~2.5h;水泥凈漿的半絕熱溫升曲線隨著PCM填埋量的增加而趨于平緩；在溫度為32。C左右，溫度曲線發(fā)生分化。由于保溫箱在水泥水化過程中會有部分熱量散失，所以測得的溫度為水泥基材料半絕熱狀態(tài)下的溫度，溫升降低幅度比理論計(jì)算值要低。實(shí)施例2采用Na2S04'10H20作為預(yù)填埋相變材料，其物理性質(zhì)如表l所示。水泥砂漿采用P042.5水泥和珪質(zhì)河砂拌制，水灰質(zhì)量比為0.4:1,灰砂質(zhì)量比為1:3。在半絕熱溫升條件下，分別在水泥砂漿中預(yù)填埋占水泥砂漿重量的0、3%、6%質(zhì)量的PCM，/砂、漿內(nèi)部溫升曲線如圖6所示。由此圖可知填埋PCM為水泥重量的3%~6%時(shí)，相比不填埋PCM砂漿的溫度峰值降低4°C~6。C,溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間延長2h-5h;砂漿的半絕熱溫升曲線隨著PCM填埋量的增加而趨于平緩；在溫度為32。C左右，溫度曲線發(fā)生分化。由于保溫箱在水泥水化過程中會有部分熱量散失，所以測得的溫度為水泥基材料半絕熱狀態(tài)下的溫度，溫升降低幅度比理論計(jì)算值要低。實(shí)施例3采用Na2HP04121120作為預(yù)填埋相變材料，其物理性質(zhì)如表2所示。分子式Na2SO4*10H2O表2PCM的物理性能_<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>水泥凈漿采用牌號為P042.5的水泥拌制，7jc灰質(zhì)量比為0.3:1。在半絕熱溫升條件下，分別在凈漿中預(yù)填埋為水泥重量的0、3%、6%重量的PCM，凈漿內(nèi)部溫升在填埋PCM為水泥重量的3%~6%時(shí)，相比不填埋PCM水泥凈漿的溫度峰值降低的要大，溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間也得到延長。實(shí)施例4采用CaCl26仏0作為預(yù)填埋相變材料，其物理性質(zhì)如表3所示。表3PCM的物理性能_<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>水泥凈漿采用牌號為P042.5的水泥拌制，水灰質(zhì)量比為O.3:1。在半絕熱溫升條件下，分別在凈漿中預(yù)填埋為水泥重量的0、3%、6%重量的PCM，凈漿內(nèi)部溫升在填埋PCM為水泥重量的3%~6%時(shí)，相比不填埋PCM水泥凈漿的溫度峰值降低的要大，溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間也得到延長。實(shí)施例5采用Na2C(V10H2O作為預(yù)填埋相變材料，其物理性質(zhì)如表4所示。表4PCM的物理性能_<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>水泥凈漿采用牌號為P042.5的水泥拌制，水灰質(zhì)量比為0.3:1。在半絕熱溫升條件下，分別在凈漿中預(yù)填埋為水泥重量的0、3%、6%重量的PCM,凈漿內(nèi)部溫升在填埋PCM為水泥重量的3%~6%時(shí)，相比不填埋PCM水泥凈漿的溫度峰值降低的要大，溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間也得到延長。權(quán)利要求1.一種采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法，其特征在于將相變溫度28～40℃、儲能密度為170～290J/g的相變材料在高于相變點(diǎn)的溫度下注入管道中，封裝后降溫到相變點(diǎn)溫度下，使相變材料變?yōu)楣虘B(tài)，在澆筑過程中將含有固態(tài)相變材料的管道填埋到水泥基材料中，在水泥水化過程中，材料內(nèi)部溫度升高至相變點(diǎn)時(shí)，相變材料發(fā)生相變，吸收大量的熱，其中相變材料用量按下式計(jì)算2.如權(quán)利要求1所述的采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法，其特征在于相變材料的液態(tài)密度小于固態(tài)密度。3.如權(quán)利要求1所述的采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法，其特征在于在含有固態(tài)相變材料的管道在水泥基材料中按蛇行均勻布置。4.如權(quán)利要求3所述的采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法，其特征在于含有固態(tài)相變材料的管道兩端伸出水泥基材料外，設(shè)有閥門控制開關(guān)，當(dāng)相變材料變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)可以流出。5.如權(quán)利要求1所述的釆用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法，其特征在于分別在水泥基材料的中心、邊緣部位和相變材料內(nèi)部設(shè)有熱電偶。6.如權(quán)利要求1~5任一所述的采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法，其特征在于相變材料為Na2S04.10H2O、Na2HP04-12H20、CaCl2-6H20、Na線10H20的任一。全文摘要本發(fā)明屬于材料應(yīng)用領(lǐng)域，提供了一種采用預(yù)填埋相變材料降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法，將相變溫度為28～40℃、儲能密度為170～290J/g的相變材料在高于相變點(diǎn)的溫度下注入管道中，封裝后降溫到相變點(diǎn)溫度下，使相變材料變?yōu)楣虘B(tài)，在澆筑過程中將含有固態(tài)相變材料的管道填埋到水泥基材料中，在水泥水化過程中，材料內(nèi)部溫度升高至相變點(diǎn)時(shí)，相變材料發(fā)生相變，吸收大量的熱，其中相變材料用量按(A)式計(jì)算根據(jù)要求來設(shè)計(jì)PCM的填埋量，可有效控制混凝土內(nèi)部溫度峰值和溫升速率，避免了因溫升過高引起的混凝土開裂。PCM經(jīng)過預(yù)先封裝，避免直接摻加對水泥基材料性能的影響，材料來源廣泛，價(jià)格低廉的降低水泥基材料內(nèi)部溫升的方法。文檔編號E04G21/02GK101187265SQ20071019097公開日2008年5月28日申請日期2007年11月30日優(yōu)先權(quán)日2007年11月30日發(fā)明者王瑞興,錢春香,高桂波申請人:東南大學(xué)