mPCMs/NanoSiO₂复合改性水泥基复合材料的抗冻性及机理研究

Phase change materials can absorb or release a large amount of latent heat by changing its material phase, which is of great significance for improving the frost resistance and service life of hydraulic concrete structures in cold region. Cement-based composites modified by micro-encapsulated phase change materials (mPCMs) will be adopted in this project to investigate the effect of mPCMs on the frost resistance and mechanism of concrete in cold region. The second modification of cement-based composites will be carried out by adding nanoSiO₂ to improve the material strength, which may be reduced by adding mPCMs. The thermal properties of mPCMs/NanoSiO₂ modified cement-based composite will be studied;to find out its engineering application characteristics, the real-time strength of concrete will be investigated by simulating the freeze-thaw condition of engineering site;by NMR microstructure analysis, water phases and migration in concrete during freezing and thawing will be explored, and internal pore distribution and pore diameter changing under different freeze-thaw cycles will be analyzed to obtain the law of frost resistance for mPCMs/NanoSiO₂ modified cement-based composites in engineering application;industrial CT scanning will be used to analyze the evolution of internal mesoscopic structures and the deterioration mechanism of concrete during the freeze-thaw process, which can provide basic support for its engineering application and in-depth research.

相变材料可通过其相态变化吸收或释放大量潜热，对提高寒区水工混凝土结构抗冻性及服役寿命具有重要意义。本课题拟采用微胶囊相变材料 (Microencapsulated phase change materials，mPCMs)改性水泥基复合材料，研究mPCMs对寒区混凝土抗冻性能的影响规律及其抗冻机理。通过加入纳米SiO₂二次改性水泥基复合材料，改善mPCMs加入引起的材料强度降低。研究mPCMs/NanoSiO₂复合改性水泥基复合材料对热学性能的改善；通过模拟工程现场冻融，研究混凝土的实时强度变化规律，摸索其工程应用特性；通过核磁共振系统测试，研究冻结融化过程中水分相态及迁移演化机制，分析不同冻融循环次数下内部孔隙分布及孔径变化，掌握其工程应用过程中的抗冻规律；通过工业CT扫描分析冻融过程中材料内部细观结构变化规律，研究其劣化机制，为工程应用及深入研究提供基础支撑。

本项目采用微胶囊相变材料（mPCMs）对混凝土进行改性，通过快速冻融试验和热物理性能测试，评价相变混凝土的宏观抗冻性能；通过工业CT无损检测，研究冻融过程中相变混凝土内部孔隙结构的演化，并对其进行渗流模拟分析，探索相变混凝土内部细观劣化规律。掺入纳米材料二氧化硅进行二次改性，改善抗冻性提高带来的材料强度损失。此外，研究了最优掺量mPCMs/NanoSiO₂复合改性混凝土和普通混凝土的热-力学性能、控温抗冻效果、不同温度梯度下实时强度随外界温度改变的变化规律以及内部孔隙结构分布随冻融次数的演化规律和在冻融循环作用下分形损伤特性演化模型的预测。结果表明，mPCMs的掺入可以有效抑制混凝土热量扩散和温度变化，有利于保温抗冻，混凝土的抗冻性能得到明显改善，与普通混凝土相比，掺量为10%时，冻融寿命约提高117%；随着相变材料掺量的增加，混凝土内部孔隙度增加越少，总体孔隙分布偏向较大孔隙。当mPCMs掺量超过10%后，孔隙结构在冻融过程中较稳定；mPCMs的掺入会使混凝土强度降低，在保证一定力学性能的条件下，mPCMs优化掺量选为10%，加入纳米材料进行补强，发现纳米材料最优掺量为1.5%，强度改善率为11.68%。在温控环境下，10mPCMs/1.5NS复合改性混凝土与普通混凝土相比在冻结（15℃~-15℃）过程中温降速率明显较低。在不同梯度下实时抗压过程中，普通混凝土在冻结（10℃~-10℃）环境下，实时抗压强度值变化较大，10mPCMs/1.5NS复合改性混凝土实时抗压强度值变化较小。经过冻融循环作用，普通混凝土和10mPCMs/1.5NS复合改性混凝土内部孔隙度增长，分形维数增加，但10mPCMs/1.5NS复合改性混凝土的增长速度小于普通混凝土。随着冻融循环次数的增加，10mPCMs/1.5NS复合改性混凝土的抗压强度损失较少且下降幅度较小，其抗冻性能和力学性能均优于普通混凝土。根据不同冻融循环作用后10mPCMs/1.5NS复合改性混凝土的分形损伤变量D试验数据进行回归分析，获得不同冻融循环次数下分形损伤变量D随轴压应变的关系曲线和分形损伤变量演化预测模型。