馬芹永， 白 梅

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心， 安徽 淮南 232001)

霧霾、極端天氣和全球變暖等一系列環(huán)境問題使得人們越來越重視能源的合理利用和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展.混凝土作為全世界使用最廣泛的建筑材料，對環(huán)境產(chǎn)生了巨大影響.因此，發(fā)展綠色混凝土成為當(dāng)務(wù)之急和實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的有力舉措.相變儲能混凝土作為綠色混凝土的一種，是將相變儲能材料添加到混凝土中所制備的具有較好儲能性能的新型混凝土，可使建筑物自動調(diào)節(jié)溫度、改善室內(nèi)舒適度，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[1].

近年來，對相變儲能混凝土的研究主要集中在儲能性能和基本力學(xué)性能2個方面.張東等[2]對相變儲能混凝土的制備方法和儲能性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)用“兩步法”制備的相變儲能混凝土具有較好的儲能能力；楊玉山等[3]研究的相變儲能混凝土儲能效果明顯優(yōu)于普通混凝土，但是抗壓強度較低，不能用于重結(jié)構(gòu)；馬芹永等[4]制備的相變儲能混凝土具有較高的抗壓強度，但能否在承重結(jié)構(gòu)中使用，尚需考慮其斷裂性能[5].

本文利用干燥膨脹珍珠巖吸附硬脂酸丁酯，并用石灰石粉末改性，制備出珍珠巖基相變骨料(PBPCA)，再將其等體積取代混凝土中的部分砂，制備了珍珠巖基相變骨料混凝土(PBPCAC).該相變儲能混凝土具有較高抗壓強度，較大比熱容和儲能能力[4].在此基礎(chǔ)上，通過三點彎曲梁斷裂試驗研究其斷裂過程以及不同PBPCA摻量下混凝土的拉壓比、臨界有效裂縫長度、起裂斷裂韌度和失穩(wěn)斷裂韌度.

1 試驗

1.1 原材料

八公山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；95級硅粉，45μm篩余(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中所涉及篩余、水膠比等除特別說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)為1.7%；石灰石粉末，CaCO3含量為99.0%，化學(xué)純；中砂，細度模數(shù)為2.6；石子，粒徑為5～10mm的連續(xù)級配碎石；相變材料為純度99.0%以上的工業(yè)級硬脂酸丁酯；膨脹珍珠巖，粒徑為0.1～1.5mm，吸水率85.0%，1MPa條件下體積損失率為38.0%；減水率17.0%的聚羧酸高效減水劑；普通自來水.

1.2 試樣制備

先在20℃條件下，將膨脹珍珠巖烘干后吸附硬脂酸丁酯(硬脂酸丁酯的吸附率為75.0%)，靜置3h；再用石灰石粉末包裹，靜置，篩去多余石灰石粉，即可制備出PBPCA.

吸附了硬脂酸丁酯的膨脹珍珠巖表現(xiàn)為憎水性，用石灰石粉末包裹可發(fā)揮較好的改性效果，使其表現(xiàn)為親水性，以此改善膨脹珍珠巖與水泥砂漿的黏結(jié)界面[6].PBPCA的粒徑為0.5～2.0mm，密度為518kg/m3，測得其相變溫度為18℃，相變焓為52J/g.

混凝土設(shè)計強度等級為C40，基準(zhǔn)配合比m(水泥)∶m(硅粉)∶m(石子)∶m(砂)=1.00∶0.11∶2.57∶1.20，水膠比為0.34，減水劑按膠凝材料總質(zhì)量的0.4%外摻.

未添加PBPCA的普通混凝土編號為C-00，用PBPCA等體積取代10%和15%砂所制備的PBPCAC編號分別為PC-10和PC-15.在混凝土制作過程中，先將PBPCA與砂攪拌均勻，再按普通混凝土的制作步驟制備PBPCAC.每組混凝土制作5個100mm×100mm×400mm的小梁試件，用于斷裂特性試驗，預(yù)制裂縫深度為40mm.此外，每組混凝土成型6個100mm×100mm×100mm的立方體試塊，測試其28d齡期的抗拉強度和抗壓強度.

1.3 試驗方法

混凝土斷裂試驗采用WAW-600微機控制電液伺服萬能試驗機，加載速率為0.05mm/min，加載方式如圖1所示.在三點彎曲小梁試件中部安裝高精度夾式引伸計，測量裂縫口張開位移(CMOD)，在三點彎曲梁試件裂縫口尖端按圖2所示布置4個電阻應(yīng)變片(型號為BX120-10AA)，來判定混凝土的起裂情況.試驗在環(huán)境溫度為10℃的實驗室進行，此時硬脂酸丁酯處于固態(tài).

圖1 三點彎曲梁加載圖Fig.1 Illustration of three-point bending test(size:mm)

圖2 電阻應(yīng)變片布置圖Fig.2 Arrangement diagram of the electric resistance strain gauges(size:mm)

2 珍珠巖基相變骨料混凝土的儲能性能

利用差示掃描量熱(DSC)法分別測定C-00，PC-10和PC-15混凝土的相對比熱容.DSC測試在氣流量為100mL/min的氮氣氣氛條件下進行，溫度變化速率為5℃/min，溫度變化范圍為-10～50℃.圖3為3組混凝土的相對比熱容.

圖3 3組混凝土的相對比熱容Fig.3 Relative specific heat capacity of concretes

由圖3可知，PBPCAC的相對比熱容值明顯高于普通混凝土，升溫過程中，25℃時PC-10和PC-15混凝土的相對比熱容值分別為1.033，1.217，分別比普通混凝土提高了3.30%和21.70%；降溫過程中，25℃時PC-10和PC-15混凝土的相對比熱容值分別為1.050,1.228kJ/(kg·K)，分別比普通混凝土提高了5.00%和22.80%.

以PBPCAC在25℃時的相對比熱容值為例，計算20～30℃時各組混凝土的單位體積相對儲能量，利用C-00，PC-10和PC-15混凝土密度值2350.25，2331.38，2319.28kg/m3，計算得到升溫過程中PC-10和PC-15混凝土的單位體積相對儲能量分別為2.409×104，2.822×104kJ/m3，其中PC-15混凝土的單位體積相對儲能量比普通混凝土提高了20.09%；降溫過程中，PC-10和PC-15組混凝土的單位體積相對儲能量分別為2.447×104，2.849×104kJ/m3，其中PC-15混凝土的單位體積相對儲能量比普通混凝土提高了21.33%.

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 珍珠巖基相變骨料混凝土斷裂試驗現(xiàn)象

圖4為3組混凝土的荷載-裂縫口張開位移(P-CMOD)曲線.

圖4 3組混凝土P-CMOD曲線Fig.4 P-CMOD curves of concretes

圖5 混凝土裂縫擴展形態(tài)Fig.5 Crack propagation shape of concretes

由圖4可見，普通混凝土的斷裂過程主要分為裂縫產(chǎn)生階段、裂縫發(fā)展階段和裂縫失穩(wěn)階段[7]；PBPCAC的斷裂過程與普通混凝土相似，同樣分為以上3個階段.

以PC-15混凝土的P-CMOD曲線為例，分析PBPCAC的斷裂過程.圖4中點O為初始加載點；點A為裂縫產(chǎn)生點，對應(yīng)起裂荷載(Pini)和初始裂縫長度(a0)；點B為裂縫失穩(wěn)點，對應(yīng)失穩(wěn)荷載(Pun)、臨界有效裂縫長度(ac)和臨界裂縫口張開位移(CMODun).

OA段：裂縫產(chǎn)生階段，0≤P

AB段：裂縫發(fā)展階段，Pini≤P

BC段：裂縫失穩(wěn)階段，P=Pun時裂縫失穩(wěn).普通混凝土試件的裂縫口張開位移由CMODun擴展到0.2mm大約需要30s，而PBPCAC大約需要15s.PBPCA的摻加相當(dāng)于在硬化水泥漿中引入了孔隙，硬化水泥漿強度降低，所以PBPCAC的裂縫失穩(wěn)階段經(jīng)歷的時間變短.

3.2 雙K斷裂參數(shù)的確定與計算方法

圖6 珍珠巖基相變骨料混凝土P-ε曲線Fig.6 P-ε curves of PBPCAC

3.3 珍珠巖基相變骨料摻量對混凝土雙K斷裂參數(shù)的影響

表1為混凝土斷裂參數(shù)計算結(jié)果.ac是試件發(fā)生失穩(wěn)斷裂破壞時對應(yīng)的裂縫長度，其值越大，試件的韌性就越好.由表1可見：當(dāng)PBPCA的摻量(體積分?jǐn)?shù)，下同)為10%時，PBPCAC的ac值幾乎與普通混凝土的一致；當(dāng)PBPCA的摻量增加到15%時，PBPCAC的ac值略有降低.從整體上看，PBPCA的摻量對混凝土的臨界有效裂縫長度影響很小.

表1 混凝土斷裂參數(shù)計算結(jié)果Table 1 Calculated results for fracture parameters of concrete

Note:There are four PC-15 PCESAC specimens, because one of the five specimens is broke during production process; The mark “*” means that the data is not available.

由表1可知，PBPCA的摻量對混凝土的斷裂韌度影響較小.由于PBPCA等體積取代混凝土中的砂所引起的混凝土骨料體積變化非常有限，所以PBPCAC的斷裂韌度與普通混凝土的相同，這與張立新等[10]的研究結(jié)果一致.另外，PC-10混凝土的失穩(wěn)裂斷韌度比普通混凝土有所提高，可能是因為試件數(shù)量較少，數(shù)據(jù)離散性大造成的，還有待進一步的研究.由表1還可見，PBPCAC的起裂荷載與失穩(wěn)荷載之比(Pini/Pun)高于普通混凝土，PBPCA的摻量越大，該值越大，即試件越難開裂，這與PBPCAC試件起裂所用時間較長的試驗結(jié)果一致.

混凝土的拉壓比(ft/fc)可以反映混凝土的韌性，ft/fc越大，韌性越大.PC-10和PC-15混凝土的ft/fc分別為0.071和0.076，其值在普通混凝土ft/fc范圍內(nèi)[11]，所以摻加PBPCA后造成的混凝土韌性損失很小.

4 結(jié)論

(1)珍珠巖基相變骨料混凝土的斷裂過程與普通混凝土相似，分為裂縫產(chǎn)生、裂縫發(fā)展和裂縫失穩(wěn)3個階段，但其裂縫產(chǎn)生過程較普通混凝土長，裂縫失穩(wěn)過程較普通混凝土短.

(2)珍珠巖基相變骨料的摻加對混凝土的臨界有效裂縫長度影響較小，當(dāng)其摻量為15%時，臨界有效裂縫長度小幅降低；珍珠巖基相變骨料混凝土的斷裂韌度與普通混凝土基本相同.

(3)與普通混凝土相比，珍珠巖基相變骨料混凝土不易起裂，起裂斷裂韌度與失穩(wěn)斷裂韌度的比值與普通混凝土一致，拉壓比在普通混凝土范圍之內(nèi).說明珍珠巖基相變骨料的摻加明顯改變混凝土的延性和韌性.

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