摘要
本课题将相变材料(Phase Change Materials，PCM)与轻集料(Lightweight Aggregate,LWA)复合后应用到水泥基材料中，利用PCM在发生液-固相变时提供的潜热来试图提高水泥基材料的抗冻性。主要内容分为三大部分：第一部分为相变砂浆体系的设计与制备。优选出性能适宜的PCM和LWA，将PCM吸附在LWA内部，对LWA-PCM体系的稳定性进行一系列的表征评估，再对LWA-PCM的表面进行封装包覆，以防止PCM的渗漏；最后将封装后的LWA-PCM(相变骨料)掺入水泥基材料中，分析其对水泥基材料力学性能的影响。第二部分为相变砂浆在冻融循环作用下的热响应。通过纵向比较量热法(Longitudinal Guarded Comparative Calorimeter，LGCC)试验分析了相变砂浆在不同相变骨料掺量和不同饱水度的情况下温度和热流等参数的变化趋势，并进一步通过对热流曲线的积分，定量分析了砂浆在降温过程中的放热量，同时分析了PCM对相变砂浆临界饱水度和热惰性的影响。第三部分通过声发射(Acoustic Emission，AE)技术分析了PCM对水泥基材料抗冻性的改善机理，通过将不同的AE信号识别区分，揭示了其中不同信号源的发生机理。主要结论如下： (1)石蜡型相变材料(OP3E)因其有最高的相变潜热和较合适的相变点而被选取为本课题的PCM，其相变点为3℃左右，稍高于纯水的冰点；而NT-A因其孔径分布和吸收率均比较理想且对砂浆的强度影响较小而被选取为PCM的载体。包覆材料对LWA-PCM的封装可以很好的避免PCM的泄漏，而在两种包覆材料中，渗透结晶型防水材料(CC)的包覆效果比较好；这个封装过程是很有必要的，否则PCM会与水泥水化产物(氢氧化钙)发生化学反应，生成新的物质，使PCM的相变潜热降低，而PCM可以和NT-A和P稳定共存。 (2)相变骨料的掺入使砂浆试块在冻融循环过程中水的吸热峰减小，即PCM抑制了部分水的结冰。在砂浆试块饱水度为100%的情况下，掺入30%的相变骨料不足以完全抑制砂浆试块内部水的结冰，而掺入50%的相变骨料可以抑制水的集中结冰。掺入30%的相变骨料掺量可以使砂浆的临界饱水度提升至90%以上，而在高饱水度(95%以上)的情况下仍然会在一次冻融循环下发生破坏；此时PCM的放热量并不足以影响水的冰点，主要通过抑制砂浆试块温度的降低来改善抗冻性。掺入50%的相变骨料掺量可以使砂浆的临界饱水度提升至95%以上，在完全饱水(饱水度为100%)的情况下虽然有部分水集中结冰，但是结冰量相比于空白砂浆要少很多。 (3)相变骨料的掺入可以提高砂浆的热惰性，从而提高水泥基材料抵抗外界温度变化的能力，提高其抗冻性能。PCM这种提高水泥基材料热惰性的能力随相变骨料掺量的增加而增加。 (4)PCM先于水发生相变，并产生大量AE信号，水的相变同样也会有AE信号的产生。通过关联分析和峰值频率分布分析可以较好的将PCM相变信号、水结冰信号和膨胀微裂缝扩展信号识别区分开来。 (5)通过关联分析和分布分析发现，水结冰相变产生AE信号的同时会由于膨胀而产生微裂缝扩展的信号，掺入相变骨料可以在一定程度上抑制这种微裂缝扩展信号的产生。掺入相变骨料后，由于PCM的放热对水结冰的延缓抑制作用，相变砂浆中微裂缝扩展的AE信号能量有所较少，说明冻融循环过程中产生的微裂缝减少，砂浆抗冻性得到提高。
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