复合相变材料对水泥浆抗裂性能的分析研究

引言近年来，不同的桥梁建筑和大规模的复杂工程不断出现，使大体积混凝土的应用更加广泛。大体积混凝土在浇筑过程中易产生大量的水化热，从而导致混凝土产生温度裂缝[1]。因此，如何防止大体积混凝土因水化热产生温度裂缝，已成为大型建设工程中着重关注的问题[2]。对于大体积混凝土产生的温度裂缝，传统的控制措施虽然在一定程度上能起到一定的作用，但是其施工操作较复杂，且工程造价相对较高。在大体积混凝土中添加相变材料是一种新的控制温度裂缝的措施，其原理是利用相变材料的相变潜热来吸收混凝土水化热所产生的热量，以此达到降低混凝土内部温度，控制温度裂缝的目的。相变材料（PhaseChangeMaterial，PCM）是一种随外界温度变化的材料，当其状态发生变化时，PCM可以吸附或释放能量来改变其自身的状态。这种物态变化过程其实是另外一种物理上的变化过程，即相变过程。因此，在相变过程中相变材料会伴随着大量吸热和放热反应[3-5]。对于在混凝土中掺入相变材料的控温措施，已开展了一些研究，并取得了部分研究成果。张永娟等[6]制备出复合相变储热材料，将其掺入砂浆中，当掺量为1%～3%时，储热降温的效果显著，但在50℃时耐久性明显下降。史巍等[7]将复合相变材料掺入混凝土中发现，混凝土内部温度最高温度有所降低，温度升高的速率和温度降低的速率明显下降，这就可以说明相变材料的加入可以降低混凝土内部温度，防止混凝土温度裂缝的产生。但是研究者们同时也发现相变材料降低了混凝土的抗压强度。谈志平等[8]也将相变材料掺入混凝土中，也有相似的研究结论，混凝土因水化热出现的温度峰值推迟了72h，最高温度值也降低了7℃。由此可知，相变材料的加入可降低大体积混凝土产生温度裂缝的概率。根据相变材料对水泥基胶凝材料抗裂方面的研究成果，本研究利用响应面法考察了不同温度、不同水灰比及不同复合相变材料掺量的复合相变材料对水泥浆体开裂的影响。1、材料与方法

1.1试验材料切片石蜡（PA），熔点56～58℃，上海懿洋仪器有限公司生产；膨胀珍珠岩（EP），信阳华弘珍珠岩有限公司生产，其主要成分见表1；山东鲁城生产的基准水泥，其基本性能见表2。表1

膨胀珍珠岩的主要化学成分%表2

水泥的基本物理性能1.2复合相变材料的制备在70℃恒温水浴锅中放入加入了石蜡-硬脂酸的烧杯，搅拌30min使其熔化，将膨胀珍珠岩缓慢倒入烧杯中，搅拌30min，然后放入真空皿中，抽取真空-0.08MPa，放入烘箱，温度设置为70℃，保温2h后取出，即为复合相变材料。

1.3圆环试验方法根据限制收缩圆环试验法[9]测试水泥基胶凝材料的抗裂性。限制应力收缩的圆环试验过程为：在钢板底座上套有2个内径尺寸不同的钢环，将水泥浆体置于钢环中进行振捣，然后放入烘箱中，在一定温度下观察其裂缝的产生情况，记录开裂时间，并在24h后取出，采用混凝土裂缝探测仪测量水泥净浆裂缝宽度，并用响应面设计进行分析。

1.4响应面试验方法在单因素试验分析的结果基础上，依据Box-Behnken试验设计原理，以水泥浆体裂缝宽度为响应值，利用Design-Exert12软件，设置出不同温度A（20～60℃）、不同水灰比B（0.3～0.5）、不同复合相变材料掺量C（0%～10%）做为试验主要依据的考察因子（自变量），自变量的高、中、低水平分别以-1、0、1代表，Box-Behnken试验及水平因素设计见表3。

表3

Box-Behnken试验及水平因素设计2、结果与分析

2.1回归模型的建立及方差分析在单因素试验结果的基础上，依据Box-Behnken试验法设计的响应面原理，以水泥浆体裂缝宽度为设计响应值，利用Design-Expert12软件对温度、水灰比、复合相变材料掺量三因素设计响应面法。本试验采用响应面法共三因素三水平，共17个试验点，包括5个零点和12个析因点。试验方案及结果见表4。表4

Box-Behnken试验方案及结果表5

响应面试验回归模型方差分析图1

响应值的预测值与实测值对比2.2响应面分析响应面图可以直观地反应出温度、水灰比和复合相变材料掺量与水泥基胶凝材料开裂宽度交互作用，利用DesignExpert软件作图，得到温度、水灰比、复合相变材料掺量与响应值水泥基胶凝材料裂缝宽度关系的交互作用显著和极显著地交互性三维响应面图，三维响应面图是指将其中1个变量控制在中心水平的情况下，得到另外2个变量对响应值的影响关系，如图2～图4所示。由图2可知，当复合相变材料掺量处于最佳水平时，固定水灰比，随着温度的升高，其水泥基胶凝材料的裂缝宽度呈上升趋势；固定温度，随着水灰比的增大，其水泥基胶凝材料的裂缝宽度呈下降趋势。由此表明，在复合相变材料掺量一定的情况下，温度越高，水灰比越小，对水泥基胶凝材料的裂缝宽度影响越大。图2

温度和水灰比对水泥基胶凝材料裂缝宽度影响的响应面由图3可知，当水灰比处于最佳水平时，固定温度，随着复合相变材料掺量的增大，其水泥基胶凝材料的裂缝宽度呈下降趋势；固定复合相变材料掺量，随着温度的增长，其水泥基胶凝材料的裂缝宽度逐渐增大。由此表明，在水灰比一定的情况下，温度越高，复合相变材料掺量越高，对水泥基胶凝材料的裂缝宽度影响越大。图3

温度和复合相变材料掺量对水泥基胶凝材料裂缝宽度影响的响应面由图4可知，当温度处于最佳水平时，固定复合相变材料掺量，虽然不太明显，但仍可以看出随着水灰比的增大，其水泥基胶凝材料的裂缝宽度呈下降趋势；固定水灰比，随着复合相变材料掺量的增大，其水泥基胶凝材料的裂缝宽度呈下降趋势。由此表明，在温度一定的情况下，水灰比越小，复合相变材料掺量越高，对水泥基胶凝材料的裂缝宽度影响越大。图4

水灰比和复合相变材料掺量对水泥基胶凝材料裂缝宽度影响的响应面结论

本研究将温度、水灰比、复合相变材料掺量作为水泥基胶凝材料裂缝宽度的主要影响因素，采用Box-Behnken设计了17组试验，通过对结果的分析，得出以下结论：（1）温度对水泥基胶凝材料的影响较大，在60℃时，无论水灰比的大小，是否掺入复合相变材料，水泥基胶凝材料均产生了一定大小的裂缝；40℃时，水灰比及复合相变材料掺量不同时，对水泥基材料裂缝宽度的大小均有一定的影响；20℃时，水灰比及复合相变材料掺量的大小对水泥基胶凝材料的裂缝宽度的大小影响较小。（2）复合相变材料掺量是本试验设计下影响水泥基胶凝材料裂缝宽度的最重要因素，与此同时，温度也是影响水