袁曉文， 孫振浩， 陳 俊， 黃嘉樂

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098）

引 言

多孔水泥混凝土是以水泥為膠結(jié)材料，由特殊級(jí)配骨料、水和外加劑按一定比例和工藝配制而成的混合料［1］。多孔水泥混凝土具有大量的連通孔隙，其排水、降噪、抗滑等優(yōu)勢(shì)明顯，在城市非機(jī)動(dòng)車道中得到了大量應(yīng)用［2-3］。但是，連通空隙導(dǎo)致多孔水泥混凝土在低溫季節(jié)受環(huán)境溫度影響明顯大于普通密實(shí)混凝土，其在季凍區(qū)的結(jié)霜、結(jié)冰和積雪問題突出［4-6］。尤其是水分進(jìn)入多孔混凝土內(nèi)部后，孔隙水凍結(jié)時(shí)體積膨脹，凍脹力造成混凝土損傷，反復(fù)凍融下極易損壞［7-8］。因此，亟需提升季凍區(qū)路面多孔水泥混凝土的凍融耐久性。

為了提高多孔水泥混凝土的凍融耐久性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。許多學(xué)者將引氣劑、粉煤灰、乙烯-醋酸乙烯酯乳膠和聚乙烯纖維等外加劑摻入到多孔水泥混凝土中，發(fā)現(xiàn)上述材料的添加均有利于提高多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度，減少凍融損傷［9-11］。但目前的研究主要通過摻加外加劑的方式來提升抵抗凍融損傷的能力，而調(diào)節(jié)多孔水泥混凝土內(nèi)部溫度的研究相對(duì)較少。

近些年研究人員將相變材料摻加到路面材料中，使路面材料不易受環(huán)境溫度影響，減少低溫病害［12-15］。Farnam等［16］制備石蠟相變水泥混凝土，通過融雪化冰試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)石蠟相變材料可在凍結(jié)溫度處釋放熱量，融雪效果較好。于本田等［17］將正十四烷作為相變材料，膨脹石墨為載體制備復(fù)合相變材料，加入到水泥混凝土中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相變材料的摻入可有效提升相變水泥混凝土的抗凍性能。周雪艷等［18］對(duì)十四烷相變?yōu)r青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)十四烷能顯著改善瀝青混合料低溫抗裂性能。然而，目前對(duì)路面低溫相變材料的研究多集中在將相變材料摻加到普通水泥混凝土及瀝青混合料中，而對(duì)多孔水泥混凝土的研究較少。

本文選用十四烷制備復(fù)合相變材料，對(duì)五組不同摻量的相變多孔水泥混凝土進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確定了相變材料合理?yè)搅?，分別對(duì)干燥和飽水相變多孔水泥混凝土進(jìn)行20～-20 ℃的降溫試驗(yàn)，得到內(nèi)部溫度變化曲線，分析了復(fù)合相變材料摻量、試件潮濕狀態(tài)對(duì)相變多孔水泥混凝土調(diào)溫效果的影響。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 復(fù)合相變材料的制備

表1為建筑材料中常用的低溫相變材料，其中十二烷-十四烷和辛酸-癸酸的相變溫度低于路表凝冰溫度，多元醇和月桂酸甲酯相變溫度雖符合實(shí)際需求，但這兩種材料的相變潛熱與十四烷相比過低。因此本文選擇十四烷作為多孔水泥混凝土低溫相變材料，其基本物理性質(zhì)如表2所示。

表1 常用低溫相變材料匯總［19］

表2 十四烷的基本物理性質(zhì)

為了避免液態(tài)十四烷摻入到水泥混凝土材料中影響水泥的水化，本文選擇白炭黑對(duì)其進(jìn)行吸附，并利用10%濃度的癸二酸二異辛酯凝膠（癸二酸二異辛酯溶于無水乙醇中）進(jìn)行封裝。其中，白炭黑、十四烷、凝膠的質(zhì)量比為1∶3∶5，制得的復(fù)合相變材料如圖1所示。

圖1 復(fù)合相變材料粉末

1.2 多孔水泥混凝土原材料及配合比設(shè)計(jì)

本文制備多孔水泥混凝土的原材料包括：P.O42.5普通硅酸鹽水泥、粒徑為4.75～9.5 mm的玄武巖碎石集料、聚羧酸高性能減水劑、水?？紤]到摻入復(fù)合相變材料后多孔水泥混凝土強(qiáng)度會(huì)降低，本文將10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的水泥替換為硅灰，以增強(qiáng)多孔水泥混凝土的強(qiáng)度［20］。設(shè)計(jì)的多孔水泥混凝土配合比如表3所示。

表3 多孔水泥混凝土材料配合比

1.3 相變多孔水泥混凝土試件的制備

首先將玄武巖集料和50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的水低速拌合30 s；然后加入水泥、硅灰、減水劑和復(fù)合相變材料拌合40 s；隨后加入剩下的水繼續(xù)拌合50 s。將混合料澆筑到高10 cm、內(nèi)徑10 cm的模具中，鐵棒插搗15～20次；利用手持式振動(dòng)機(jī)（頻率50 Hz，振幅1.0 mm）振實(shí)混合料45 s，成型相變多孔水泥混凝土立方體試件，拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

將復(fù)合相變材料分別以1%，2%，3%，4%和5%的摻量摻加到多孔水泥混凝土中，制得相變多孔水泥混凝土，置于溫度為20 ℃，相對(duì)濕度為95%環(huán)境中分別養(yǎng)護(hù)7 d和28 d，利用UTM萬能試驗(yàn)機(jī)在加載速率為20 mm/min下，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

2.2 干燥相變多孔水泥混凝土調(diào)溫緩凝效果測(cè)試

用于溫度測(cè)量的相變（摻量為0%，1%，2%，3%）多孔水泥混凝土試件，在制備過程中，其上表面中心處預(yù)留一個(gè)深度為5 cm，直徑為4 mm的孔，便于熱電偶插入到內(nèi)部。溫度測(cè)試前將試件置于20 ℃環(huán)境溫度下保溫48 h，隨后放置于-20 ℃冰箱中開始降溫試驗(yàn)，溫度測(cè)試間隔為每分鐘1次。

2.3 飽水相變多孔水泥混凝土調(diào)溫緩凝效果測(cè)試

相變多孔水泥混凝土在飽水受凍情況下的降溫測(cè)試，需要對(duì)相變多孔水泥混凝土進(jìn)行飽水處理。具體飽水處理步驟如下：首先利用橡膠薄膜和塑料軟膜裹覆相變多孔水泥混凝土試件外表面，并在其試件頂部預(yù)留圓口；隨后將上述試件浸沒在水中放入真空干燥箱，控制真空度小于97.5 kPa，靜置15 min，得到飽水相變多孔水泥混凝土試件，如圖2所示。

圖2 飽水相變多孔水泥混凝土試件

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗壓強(qiáng)度

圖3為復(fù)合相變材料摻量0，1%，2%，3%，4%和5%的多孔水泥混凝土養(yǎng)護(hù)7d和28d后的抗壓強(qiáng)度。從圖中可以看出，隨著復(fù)合相變材料摻量的增加，養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的相變多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度均不斷下降。這表明復(fù)合相變材料摻入到水泥混凝土中，會(huì)影響水泥混凝土強(qiáng)度。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度

圖4為相比于普通多孔水泥混凝土，5種摻量下相變水泥混凝土強(qiáng)度下降程度。從圖中可得，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d，摻量3%相變水泥混凝土相較于摻量0%相變水泥混凝土，抗壓強(qiáng)度損失40%以上；養(yǎng)護(hù)齡期為28d，摻量3%相變水泥混凝土相較于摻量0%相變水泥混凝土仍然保持著80%以上的抗壓強(qiáng)度。考慮到相變摻量4%水泥混凝土在養(yǎng)護(hù)齡期為7d和28 d時(shí)，強(qiáng)度損失率分別達(dá)到了49.9%和23.2%，為了確保降溫試驗(yàn)中的相變水泥混凝土擁有足夠的強(qiáng)度，本文后續(xù)降溫試驗(yàn)中相變材料摻量設(shè)為1%，2%，3%。

圖4 強(qiáng)度損失率

3.2 干燥試件調(diào)溫緩凝效果

圖5（a）為20～-20 ℃降溫過程中干燥多孔水泥混凝土內(nèi)部溫度的變化曲線。由圖可知，在多孔混凝土受凍過程中，其內(nèi)部溫度逐漸降低，且降幅呈先快后慢的特點(diǎn)。在4組混凝土（相變材料摻量為0，1%，2%，3%）中，隨著相變材料摻量的增大，受凍過程中同一時(shí)刻混凝土內(nèi)部溫度越高，尤其是在-5～-10℃范圍內(nèi)，摻量3%相變混凝土內(nèi)部溫度為-5 ℃，高出未使用十四烷混凝土5.9 ℃，表明十四烷在低溫條件下能釋放相變潛熱，具有良好的緩凝效果。

圖5（b）為降溫過程中不同摻量相變水泥混凝土的溫差，其中平均溫差指各個(gè)時(shí)刻相變混凝土與未使用十四烷混凝土溫度差值的平均值，最大溫差指在受凍過程中，相變混凝土與未使用十四烷混凝土溫度差值的最大值。在受凍過程中，相變混凝土的平均溫差和最大溫差均隨著相變材料摻量的增加，呈不斷增大的趨勢(shì)。摻量3%相變水泥混凝土的平均溫差為2.2 ℃，最大溫差可達(dá)6.8 ℃。這說明相變材料的摻入能夠?qū)炷羶?nèi)部溫度的調(diào)節(jié)效果顯著。

圖5 干燥相變多孔水泥混凝土的調(diào)溫緩凝效果

3.3 飽水試件調(diào)溫緩凝效果

圖6（a）為飽水多孔水泥混凝土進(jìn)行20～-20 ℃降溫試驗(yàn)得到的內(nèi)部溫度變化曲線。圖中可以看出降溫過程中，多孔混凝土內(nèi)部溫度變化曲線先快速下降到達(dá)冰點(diǎn)“平臺(tái)期”，隨后緩慢下降。4組混凝土（相變材料摻量為0，1%，2%，3%），隨著相變材料摻量的增加，相變混凝土溫度到達(dá)冰點(diǎn)的時(shí)間延長(zhǎng)。與未摻十四烷混凝土相比，摻量3%相變混凝土溫度到達(dá)冰點(diǎn)的時(shí)間延長(zhǎng)了17 min，具備顯著的緩凝效果。

由圖6（b）可以看出，相變混凝土在飽水狀態(tài)下與未摻十四烷混凝土的溫度差異與圖5（b）類似，平均溫差和最大溫差均隨著復(fù)合相變材料摻量的增加而不斷增大。但相變水泥混凝土在飽水狀態(tài)下的最大溫差與干燥狀態(tài)下對(duì)比進(jìn)一步增大，相變材料摻量3%的水泥混凝土最大溫差甚至超過了7 ℃，這表明復(fù)合相變材料在飽水狀態(tài)下，能夠正常釋放其存儲(chǔ)的大量相變潛熱，具有良好的調(diào)溫性能。

圖6 飽水相變多孔水泥混凝土試件的調(diào)溫緩凝效果

3.4 相變多孔水泥混凝土試件降溫速率分析

為評(píng)價(jià)相變混凝土與未摻十四烷混凝土的受溫度影響程度，根據(jù)圖5（a）和圖6（a）內(nèi)部溫度變化曲線，計(jì)算了水泥混凝土在干燥狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的降溫速率，如圖7所示。

圖7（a）和（b）分別給出了干燥和飽水相變混凝土在受凍環(huán)境下的降溫速率。圖中可以看出，隨著相變材料摻量的增加，相變混凝土在受凍過程中的降溫速率隨之降低。這是由于在降溫過程中，相變材料釋放出了大量的相變潛熱，降低了多孔水泥混凝土的溫度變化速率。

圖7 水泥混凝土受凍過程中的降溫速率

4 結(jié) 論

1） 隨著復(fù)合相變材料摻量的增加，養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的相變多孔水泥混凝土的抗壓強(qiáng)度均不斷下降。養(yǎng)護(hù)28 d的相變多孔水泥混凝土（摻量3%）的強(qiáng)度損失率為14.3%。

2） 在降溫過程中，相較于干燥狀態(tài)下的普通混凝土，同一時(shí)刻下?lián)搅繛?%的相變混凝土溫度較高，表明相變材料的摻入能調(diào)節(jié)受凍混凝土內(nèi)部溫度。

3） 隨著復(fù)合相變材料摻量的增加，飽水多孔水泥混凝土中孔隙水達(dá)到冰點(diǎn)的時(shí)間越長(zhǎng)，與普通混凝土相比，摻量3%相變混凝土溫度到達(dá)冰點(diǎn)的時(shí)間延長(zhǎng)了17 min。

4） 多孔水泥混凝土加入復(fù)合相變材料后，降低了相變混凝土在降溫過程中的降溫速率。