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1 要关注混凝土行业发展中的一些问题 访天津市混凝土协会秘书长闻德荣先生 本刊记者王洛宾 闻德荣先生是从 1972 年就开始从事混凝土科研 生产工作的老专家 他于 1975 年参加组建了全国混凝土预制技术情报网,1987 年参加组建了全国混凝土协会并任历届常务理事 ; 于 1991 年参加组建了天津市混凝土协会且任历届秘书长, 现被聘中国建筑业协会混凝土分会顾问 专家组专家 40 多年来, 闻德荣先生将全部的精力都倾注到混凝土行业的生产 科研和管理工作上, 为推动我国混凝土行业的科学发展做出了突出贡献 作为我国混凝土行业 30 多年发展史的见证人和参与者, 他对我国目前混凝土行业管理的体制和末来发展做了深入地思考, 提出了一些新的看法和建议 2010 年 11 月, 本刊记者专程赶赴天津, 采访了闻德荣秘书长 记者 : 混凝土行业近几十年发展速度很快, 目前已深入到国民生产的方方面面, 在我国加强基础建设尤其是新农村建设的现在, 混凝土和预拌混凝土的概念已遍布城乡 对于这个行业的整体概念与认识, 您能简单介绍一下吗? 闻德荣 : 混凝土行业的发展与建筑业的发展息息相关 作为建筑业发展的重要组成部分, 它是工业化社会最重要的基础, 是建筑业中的一个重要的 特殊的专业, 关系着我国工程建设的可持续发展 也是末来若干年内将持续发展的一个行业 水泥 外加剂 矿物掺合料是建筑工程中的原材料, 混凝土是建筑工程施工中的中间产品, 硬化后的混凝土制品 构件及其构筑物是建筑工程的最终产品 我国现行的管理分类是将其他属于建材业和建筑业, 混凝土这一中间产品因与施工密切相关页划归建筑业, 但因应用水泥而又在许多方面进行建材业管理 美国混凝土协会 (ACI) 认为混凝土是世界上应用最广的人造产品, 是仅次于水应用最广的物质, 提出 从广义上确定, 混凝土行业应包括 : 原材料 加工制作 产品运输及其施工 所以, 我们一直认为从行业划分上看, 混凝土行业应是区别于建筑业和建材业的一个相对独立的行业, 主要是加工制作 产品运输, 甚至延伸到施工应用 但在我国, 建筑业和建材业分别对混凝土行业进行管理, 既分割又重又重叠的管理为建筑工程的发展带来了许多弊端 记者 : 您长期从事混凝土行业的生产 科研和管理工作, 请您向我们的读者尤其是行业外的读者介绍一下我国混凝土行业的整体发展现状和末来发展趋势 闻德荣 : 近 30 年来, 我国混凝土行业随着国家建设步伐的加快而高速发展 例如预拌混凝土方面, 据不完全统计, 至 2009 年底, 我国己纳入全国混凝土协会行业统计的预拌混凝土企业约 3500 家, 年总产值约 2500 亿元, 年设计生产能力超过 18 亿 m 3, 年实际产量达到 7.8 亿 m 3 我国目前城市预拌混凝土用量占混凝土总用量的比例已达到 65% 以上, 接近经济发达国家水平, 预拌混凝土的人均占有量也己达到或超过经济发达国家水平 在预拌混凝土行业高速发展的同时, 我国混凝土预制构件行业也取得了快速发展, 随着近年来我国基础设施建设投资的拉动, 以及市政建设中地铁隧道用混凝土预制盾构管片 磁悬浮列车轨道构件 预应力混凝土管桩 大口径混凝土排水管 输水管 港口海洋混凝土构件 高架 大跨度桥梁构件等高精构件的市场需求加大, 加之现代建筑设计理念和市场的变化, 我国混凝土预制构件行业通过自主研发或引进国外先进工艺设备和技术, 开发生产高精度 高技术含量 高科技附加值的混凝土预制构件产品, 依靠科技进步使企业摆脱了困境,

2 混凝土预制构件行业开始走出底谷, 重新充满了生机与活力 近年来的国家重点工程如三峡大坝 西气东输 青藏铁路 北京奥运场馆 东海大桥 杭州湾大桥 上海金茂大厦 广州西塔等一大批投资规模大 技术要求高 举世瞩目的特大 型工程项目的建设, 都凝聚着混凝土行业人的聪明才智和奋斗精神, 也培养和造就了数以万 计的管理和技术人才 这些成绩的取得, 是我国混凝土行业全体从业人员共同努力的结果 我国混凝土行业产业规模及技术发展水平都达到了前所未有的高度, 混凝土新材料 新 品种的研制开发 新工艺及新技术的推广都达到了较高的水平, 取得了十分可喜的成就, 大大缩小了与国际先进水平的差距 企业现有的设计生产能力 生产设备 技术储备都为行 业的进一步发展奠定了良好的基础 从全国混凝土行业的发展形势看, 预拌混凝土行业持续发展但增速减缓, 增长速度由 2003 年年增长 53.96% 的高峰不断下降,2009 年总量仍年递增 17.5%, 预制混凝土总量也在 不断增长, 仅混凝土排水管 输水管年产量已超过 3500 万 m, 预应力管桩约 万 m, 大跨度桥梁构件 盾构混凝土管片 轨枕等都有较大增长, 而且新产品不断出现, 技术含量 向更高层次发展 我国混凝土行业的发展, 根据国家区域发展的总体战略, 东部发达地区的重点是优化产 业结构 提升总体竞争能力, 那么强化行业整合重组 提高产业集中度 提升管理和技术创 新水平即成为发展的主题 中 西部地区则是加快发展速度 加大投资力度, 加强基础设施 的建设, 稳步提升区域发展的能力, 这即为中 西部的混凝土行业发展带来了机遇 随着国 家总体发展战略的实施, 全国预拌混凝土年产量排名前十位的省市也在发生变化,2001 年 至 2004 年上海排名第一, 以后逐年下降,2009 年己排名第五 ; 江苏省 2001 年排名第四, 2005 年开始始终排名第一 ; 北京的排名从第三逐降到第六 ; 山东从第八升至第四 ; 安徽由 十名以外升至第八, 四川也升至第十 而前十名总产量占全国总量的比重在下降, 由 84% 降至 75% 可以肯定的是, 我国混凝土产业在将来的几十年中仍将得到较大的发展, 科学技术的创 新与进步 新工艺与新材料的应用将会大大提升行业整体的科技含量, 在节能减排 绿色环 保的整体要求下, 我国末来混凝土的发展趋势是科技创新 技术进步带动产业整体发展 记 者 : 目前, 混凝土行业因其与建筑业 建材业和跨行业特性, 它的其处境有点尴尬 混凝土的质量与混凝土企业和施工企业相关, 但配制与施工又分属两方, 一些建设质量事故 的原因认定上很难处理 这也是我们采访中经常遇到的一个问题 闻德荣 : 这个问题是目前我国混凝土行业发展中需要关注的最重要的一个 我国虽然在 重大工程中混凝土生产施工技术取得非凡成绩, 但在大量工程建设中混凝土的耐久性却不如 人意, 甚至出现 新的不如老的 楼倒倒 楼脆脆, 这些问题并不完全在于技术, 而 重要的在于行业政策及管理的科学 正确及企业管理水平的提高 这些问题必需给予高度关 注, 否则科学发展 可持续发展将难以实现 近几年来, 我一直在思考关于政府管理及政策制订方面的一些问题 从目前的生产实践 中看, 一些问题已严重影响了产业的良性发展 具体体现在以下几年方面 一是行业资质门槛低致使行业结构不合理的问题 住房与城乡建设部关于混凝土专业资质标准修订工作多年, 各地协会也都向其提出了修 订意见, 建议提高准用门槛, 设立一级专业资质, 并希望将总包施工企业中的混凝土专业施 工纳入资质管理, 切实禁止现场搅拌, 对转包 分包加强监管等 许多专家也在多个研究会 上提出, 因目前相关资质标准不科学, 门槛低, 致使整个产业中中小企业过多, 行业结构不 十分合理, 从而造成了诸如资源浪费, 恶性竞争和有些企业混凝土质量不高等现象, 这十分 不利于行业的发展 二是机构重叠 行政监管不利 政府公信力频遭诟病

3 十七大报告提出 理顺关系 优化结构 加大机构整合力度, 探索实行职能有机统一的大部门体制 着力解决机构重叠 职责交叉 政出多门问题 等理念 就我们这个行业来讲, 由于行业分类不十分科学, 国民经济行业分类与代码(GB/T ) 中, 混凝土行业的行业分类应属于 E 门类建筑业中的其他建筑业, 而却划入 C 门类制造业中, 因此出现了 建筑业 建材业 的交叉重复管理, 导致机构重叠 管理层次多, 缺乏统一管理 政策出台不规范 我们的一些省市协会就发现, 某些地方部门歪曲政策精神, 扩大政策外延, 随意行使行政立法 执法权 对已取得资质的企业, 现有多个部门插手管理, 监督检查频繁, 企业应接不暇, 建设监督管理部门对无资质生产却缺乏明确监管, 无资质的混凝土企业成为管理真空 如天津市建委于 2003 年 2005 年先后下达过加强混凝土企业资质管理的文件, 本市施工总承包企业所属的预拌混凝土搅拌站基本都按要求取得了预拌混凝土专业增项资质, 通过了环保评估批准和土地规划使用行政许可, 纳入了市建委的全面监控, 而外地进津及本市部分市政施工总承包企业所属的一些 内部供应 ( 实为现场搅拌 ) 站及现场预制构件和无资质挂靠生产企业均末办理增项资质及环保评估 土地规划许可, 因此也末纳入市建委的监督和管理, 大多均末达到预拌混凝土国家资质标准要求, 设备简易 无试验室 计量控制无记载 专业人员少 质量控制系统不完善, 产品质量难以保证, 但这些站又是以总包名义承揽了大型 重要工程, 很多又进行了分包 转包, 以 内部供应 为名进行现场搅拌, 给城市环境保护和建筑工程质量埋下重大隐患, 这也使己取得资质的企业不能充分发挥作用, 造成资源严重浪费 目前天津市京沪高速 地铁等一些重要工程沿线己建起一些现场搅拌 ( 所谓内部供应 ) 并仍在增加, 这不附合商务部 公安部 建设部 交通部商攺发 [2003]341 号文 关于限期禁止在城市城区现场搅拌混凝土的通知 中的要求, 同时这些站均末办理环保 土地等批准手续, 也末纳入监管, 如无严格监察 监督执法管理, 此种形势将会加剧, 将使资质管理失去控制 另外, 发改委投资立项 工商注册 环保评估 规划 土地许可 资质审批缺乏联动机制, 致使无资质建设生产难以控制 政府公信力频遭诟病, 行业不能健康发展 第三, 社会管理和政策支持缺失公平性 由于混凝土行业归类不科学, 造成企业纳税的不公平 如取得建筑业资质的混凝土企业却按制造业 6% 征收增值税, 建筑施工总包内部供应的混凝土或取得建筑业增项混凝土资质的混凝土即按建安税 3%, 同样的行业生产, 却面对不同的税率, 这对混凝土行业的科学 健康发展缺失公平性 其结果就是造成市场混乱 竞争无序, 先进技术无法推广应用, 工程质量难以保证 第四, 产能过剩 市场竞争秩序混乱, 缺乏宏观控制 从 20 世纪 90 年代末开始, 国内外大量资金涌入到预拌混凝土行业中, 投资者的盲目乐观 部分地区过度建站给我国预拌混凝土行业带来了诸多弊端, 发展较早地区的城市预拌混凝土市场需求量不到设计能力的 50%, 供大于求导致过度竞争, 市场转为买方市场, 过度竞争的结果使得一些企业为了生存忽视产品质量 使用劣质原材料 偷逃税款 垫资供应 低价进行恶意竞争, 造成了混凝土市场的竞争秩序混乱, 也在客观上助长了拖欠款现象的蔓延, 行业发展缺乏宏观控制, 致使混凝土行业不能健康发展 记者 : 这是各个省尤其是东部发达省市都可能面临的一个现状, 希望有关部门能够重视并提出合理的改革意见 针对企业来讲, 由于企业增加迅速, 企业管理水平也良莠不齐 我在您的一个报告中也看到您提出 加强企业管理水平, 批评了企业 重经营 轻技术 的倾向 您对些怎么理解? 闻德荣 : 我认为混凝行业企业管理质量极待提高 由于混凝土行业发展快, 专业人员缺少, 且流动性大, 管理人员 技术人员素质跟不上混凝土行业的飞速发展和现代混凝土工程

4 技术不断进步对混凝土行业提出的越来越高的要求, 这将对混凝土行业的和谐发展 可持续发展提出了严峻的挑战, 而企业在办理资质申报中技术人员数量满足要求, 但在实际运营中技术人员不到位, 实际在岗人员专业水平差, 且流动频繁 企业注重营销人员去抢占市埸, 和催要债款, 而并末充分重视提高企业的核心竞争力, 并末在营销战略 人员素质 技术创新上下功夫 我们协会通过对天津市 84 家预拌混凝土企业和 12 家混凝土预制构件企业综合评价调查, 发现很多企业在基础管理 生产经营管理 技术管理 质量管理 设备管理 环保与安全方面存在的问题较多 尤其在机械设备管理和生产计量控制系统管理有重大缺失, 素质亟待提高, 必须引起严重关注计量控制系统管理, 多数企业领导及操作人员认为计量控制台的电脑既为自动控制, 所以操作人员只会简单的电脑操作, 即可上岗, 而质检人员也不能认真抽检计量误差, 使生产计量数据不能进行生产过程质量控制, 而成为自身产品不合格的证据 2008 年底我们抽查了 67 家混凝土生产企业, 从全年存储生产记录中随机抽取 5 盘生产计量记录 :14 家 5 盘的所有记录全部超差, 占 25%;9 家 5 盘的所有记录无超差, 占 16%; 34 家 5 盘中部分记录超差, 占 59% 其中最大误差率矿粉-100%, 砂子 +86% 2009 年, 我们随机抽样, 多数企业仍被查出计量超差纪录, 有的还相当严重, 让我们痛心的是这些混凝土都已流入市场并应用于部分工程, 为工程留下严重隐患 当前, 由于部分计量控制台电脑屏幕设计不合理, 操作人员并不能及时直观地看到原材料累计计量误差率, 不能正确判断产品质量是否合格, 更不能做到真正的修正计量误差 因此控制台实际上失去控制意义, 仅是操作台 我们认为, 过度地依靠控制台页不实地取样试验, 实际生产与配合比设计相差很大, 严品质难以保证 因此我们再次呼吁引起关注, 企业管理水平不能提高, 人员素质和职业修养得不到提高, 混凝土产品质量就得不到保证, 否则混凝土行业不能健康发展 虽然我们已拥有世界最先进的技术和辉煌的业绩, 但我们不希望在混凝土工程中存在严重隐患而使耐久性得不到保证, 这也是实现国家可持续发展的一个基础 记者 : 混凝土技术 杂志创刊以来, 我们一直期望所有混凝土行业的科技 管理和经营者能够在这个平台上畅所欲言, 不光是在技术上进行探讨, 也要在企业管理 行业管理方面进行有益的研究和交流 作为杂志的顾问, 您对 混凝土技术 的要求和期望是什么? 闻德荣 : 第一期杂志和第二期杂志和都看了, 每期都有进步, 对一个刚创刊的杂志, 有许多工作要做, 作者队伍的建设 扩大发行 与企业的交流, 以及杂志的制作和采写等, 我认为这本杂志又为我们行业开辟了一个重要的交流平台, 要多关注企业业单位的优秀科技工作者尤其是年轻的科技工作者, 让他们读到杂志, 并为杂志撰写有创新和实际应用的稿件, 把这种创新通过 混凝土技术 杂志向业内交流学习提高 祝愿 混凝土技术 杂志越办越好! 记者 : 谢谢闻秘书长接受我们的采访

5 闻德荣简历 闻德荣 1939 年出生,1963 年天津大学建筑学专业毕业, 曾从事科研 教学工作 1972 年开始从事混凝土科研 生产工作 ;1975 年参加组建了全国混凝土预制技术情报网 1987 年参加组建了全国混凝土协会, 任历届常务理事 ;1991 年参加组建了天津市混凝土协会, 任历届秘书长 ; 现被聘中国建筑业协会混凝土分会顾问 专家组专家 主要著作有 粉煤灰陶粒混凝土大板工艺及应用 热模方桩新工艺 天津市混凝土行业现状及发展 我国商品混凝土发展现状浅析 发挥预制构件行业优势为墙改节能作出新贡献 我国混凝土行业空前发展的 2003 年 以科学发展观推动混凝土行业和谐发展 等

6 粉煤灰 矿粉双掺法在武广客运专线预制箱梁中的应用 励建益 1 2 3, 另本春, 史顺才 (1. 浙江省慈溪市振宇混凝土有限公司, 浙江慈溪 ; 2. 中铁四局集团试验检测中心, 安徽合 肥 ; 3 北京城建亚泰预拌混凝土有限公司, 北京 ) 摘要 : 本文通过试验介绍了粉煤灰 矿粉双掺复配的优化设计机理 ; 经过原材料优化选择 基准配合比的选定和试配确定了 C50 预应力混凝土箱梁高性能混凝土的配合比, 并成功应用于武广客运专线工程实际, 取得了良好的效果 关键词 : 粉煤灰 ; 矿粉 ; 双掺法 ; 混凝土配合比 ; 预制箱梁 The application of fly ash, slag double-mix method in precast box girder of the Wuhan-Guangzhou passenger line Li Jianyi 1,Ling Benchun 2,Shi Shuncai 3 (1.Zhenyu Concrete Co., Ltd.,Zhejiang, Cixi ;2. Test Center of Bureau of China Railway Group Four, Anhui Hefei ; 3.Yatai Ready-mixed concrete Co., Ltd. Beijing Urban Construction, Beijing ) Abstract: This paper describes optional design mechanisms of double-mixing fly ash and slag by testing; after optimizing selection of raw materials, slecting the basic mix proportion and tring mix,we assertained concrete mix proportion of C50 high-performance concrete in prestressed box girder of the Wuhan-Guangzhou passenger line, and applied in engineering practice successfully, and achieved good results. Keywords: passenger line; double-mixe method; precast box girder; concrete 1 概述 我国客运专线建设采用以耐久性为设计基本要素的高性能混凝土, 规定结构物按耐久性设计, 确保混凝土结构物达到正常的使用寿命 混凝土设计的重点是保证混凝土的耐久性 工作性 适用性 强度 经济性 武广客运专线预应力混凝土箱梁的技术性能要求为 : (1) 混凝土有抗裂 抗氯离子渗透 抗冻 耐蚀 抗碱集料反应等耐久性要求 ;

7 (2) 复合矿物掺和料 聚羧酸系高性能外加剂的使用, 纳入了箱梁高性能混凝土技术标准 在配制混凝土时, 加入较大量矿物掺和料, 不仅能节约水泥 降低混凝土的水化温升, 而且能改善混凝土的工作性, 增进混凝土的后期强度, 改善混凝土的内部结构, 提高混凝土的抗裂性及耐久性的作用, 尤其是矿物掺和料对碱 集料反应的抑制作用 ; 本文重点研究了矿粉和粉煤灰之间的最佳配比, 以及在最佳配比下配制高性能混凝土的技术, 该研究成果已经在武广客运专线 C50 高性能混凝土箱梁中得以成功应用 2 复合矿物掺合料优化设计 2.1 试验配合比 矿粉 - 粉煤灰复合比例 采用矿渣粉为 S95 级, 粉煤灰为 Ⅰ 级 将矿粉 - 粉煤灰按不同比例复合掺入混凝土中, 优选二者在混凝土中的最佳复合比例, 其配合比见表 1(SL-FA 表示 : 矿粉 - 粉煤灰 ) 表 1 矿粉 - 粉煤灰的配合比 编号 矿粉 (%) 粉煤灰 (%) SL-FA SL-FA SL-FA SL-FA SL-FA 掺复合矿物掺合料混凝土配合比 采用 4 组配合比进行研究, 各组配合比如下表 2 所示 其中 :OPC 组以 P.O 42.5 为胶 凝材料,28 天实测强度为 48MPa, 并作为基准组 :PSL PFA 组分别单掺矿粉 粉煤灰等 取代部分水泥 ; 以矿粉和粉煤灰复合矿物掺合料为 OPC-I 组, 并分别掺入混凝土中取代部 分水泥 表 2 掺复合矿物掺合料混凝土配合比 复合矿物掺合 每立方米混凝土中材料的用量 (Kg) 复合矿物掺合料掺量 %( 以编号水胶比减水料组成总胶结材质量水泥矿物掺合料砂石子剂 % 计 ) 水 OPC 基准组 PSL 矿粉 PFA 粉煤灰 OPC-I 矿粉 ~ 粉煤灰 30~

8 2.2 掺复合矿物掺合料试验数据分析 本研究通过评价混凝土工作性 力学性能和混凝土耐久性三方面性能确定耐久性混凝土 复合矿物掺合料最佳比例 复合矿物掺合料对工作性的影响 (1) 矿粉 - 粉煤灰比例与新拌混凝土性能相关性分析 表 3 矿粉 - 粉煤灰比例与混凝土拌和物性能及容重 矿粉 : 粉煤灰 坍落度 (mm) 扩展度 (mm) 30min 坍损 (mm) 60min 坍损 (mm) 表观密度 (kg/m 3 ) 100: : : : : 图 1 矿粉 - 粉煤灰的比例对混凝土坍落度及其损失 扩展度影响 从图 1 可以看出, 单掺矿粉的混凝土坍落度和扩展度均最小 随着矿粉在复合矿物掺合 料中比例减小, 粉煤灰的比例增加, 坍落度 扩展度增大, 超过一定比例时, 又下降 另由 图 1 可知复合矿物掺合料的配比变化对混凝土坍落度损失影响较小 复合矿物掺合料对力学性能的影响 矿粉 - 粉煤灰复合比例与混凝土力学性能相关性分析 表 4 矿粉 - 粉煤灰复合比例与混凝土力学性能和电通量 矿粉 : 粉煤灰 7d 强度,MPa 28d 强度,MPa 56d 强度,MPa 28d 电量,C 56d 电量,C 100: : : : :

9 图 2 矿粉 - 粉煤灰的比例对混凝土力学性能的影响从图 2 中可以看出, 单掺矿粉混凝土的抗压强度高于单掺粉煤灰混凝土的抗压强度, 随着矿粉比例的降低, 抗压强度亦有所降低, 但在 时 56 天的抗压强度最高 复合矿物掺合料对电通量的影响 矿粉 - 粉煤灰复合比例与混凝土电通量分析 图 3 混凝土电通量随矿粉 - 粉煤灰复合比例的变化从图 3 可知, 单掺矿粉和粉煤灰的混凝土的电通量均高于复掺矿粉 - 粉煤灰混凝土电通量, 而且在矿粉 - 粉煤灰比例为 左右时, 混凝土的 56 天电通量接近最小, 即混凝土的抗氯离子渗透性能接近最佳 综合矿粉 - 粉煤灰复合矿物掺合料配制混凝土的工作性 强度和耐久性试验结果可知, 采用本实验所用的 S95 级矿渣粉和 Ⅰ 级粉煤灰, 复合矿物掺合料优化配比为 : 矿粉为 时, 对改善混凝土的工作性 力学性能和抗氯离子渗透性均有明显的改善, 此比例为矿粉 - 粉煤灰体系最佳复合比例 2.3 复合矿物掺合料改善混凝土性能机理 矿物掺合料辅助减水机理矿物掺合料辅助减水机理 : 其一, 水泥浆的流动性与其屈服应力 τ 0 密切相关, 屈服应力 τ0 愈小, 流动性愈好, 表现为混凝土拌和物坍落度大 矿物掺合料可显著降低水泥浆屈服应力, 因此可改善混凝土的工作性 ; 其二, 矿物掺合料是超细粉, 颗粒的棱角大都被磨圆,

10 颗粒形貌比较接近鹅卵石 矿物掺合料的颗粒最可几直径在 10µm 以下, 圆度在 0.2~0.7 范围, 颗粒直径愈小, 圆度愈大, 即颗粒形状愈接近球体 矿物掺合料颗粒直径显著小于水泥且圆度较大, 它在水泥浆中具有滚珠效果, 可增大水泥浆的流动性 其三, 矿物掺合料具有较高的比表面积, 使浆体的需水量增大, 只有与减水剂复合作用时, 前述优势才得到发挥, 使浆体工作性获得进一步改善, 表现出辅助减水效果 微集料填充效应一是自紧密堆积效应, 混凝土体系可理解为连续级配的颗粒堆积体系, 粗集料间隙由细集料填充, 细集料间隙由水泥颗粒填充, 水泥颗粒之间的间隙, 则需更细的颗粒来填充 矿物掺合料的微小颗粒, 可起到填充水泥颗粒间隙的微集料作用, 使混凝土形成细观层次的自紧密体系 实验结果表明 : 掺矿物掺合料混凝土表观密度较未掺矿物掺合料的基准混凝土大 二是形状因子效应, 矿物掺合料颗粒的形状和表面粗糙度对紧密堆积及界面粘结强度的提高有紧密相关 这两方面的物理和化学作用, 使掺复合矿物掺合料的混凝土具有更致密的结构和优良的界面粘结性能, 表现出良好的物理力学性能 矿物掺合料改善混凝土耐久性机理由上述分析可知, 掺复合矿物掺合料的混凝土可形成致密的内部结构, 显著改善了混凝土拌和物的泌水性, 避免混凝土内形成连通的毛细孔 因此掺复合矿物掺合料可改善混凝土的抗渗性和抗碳化性能 3 C50 箱梁高性能混凝土的配合比设计 武广客运专线 C50 箱梁 ( 预应力混凝土 ) 预制梁采用高性能混凝土技术, 首先必须满足 混凝土泵送施工, 坍落度经时损失小, 不离析泌水, 其次要满足设计强度, 保证混凝土内在 质量和外观美的要求, 同时还要满足耐久性的要求, 包括抗裂 抗冻融 抗渗 抗氯离子 电通量等, 本研究中配合比设计是生产 C50 预制梁的关键 3.1 原材料 水 泥 : 海螺 P.O 42.5 粗集料 :5~25 mm 连续级配碎石细集料 : 中砂粉煤灰 : 广东台山 I 级 灰矿粉 :S95 外加剂 : 高效减水剂 LEX-9H 粉煤灰 矿粉 水泥的物理性质分别见表 5~7 表 5 粉煤灰技术指标 名称 细度 (%) 需水量比 (%) 烧失量 (%) 含水率 (%) 活性指数 (%) 28d 粉煤灰 表 6 矿粉技术指标

11 名称 比表面积 (m 2 /kg) 需水量比 (%) 烧失量 (%) 含水率 (%) 矿粉 表 7 水泥技术指标 泥品种 水 标准稠度用 水量 (%) 安定性 抗折强度抗压强度凝结时间 (min) (MPa) (MPa) 初凝终凝 3d 28d 3d 28d P 合格 C50 预应力混凝土预制梁的技术要求 (1)C50 箱梁混凝土胶凝材料总量不超过 500 kg/m 3 ; (2) 使用环境及要求 :T2 环境, 设计年限为 100 年 ; (3) 最大水胶比不应超过 0.35; (4) 各种材料带入的碱含量和不大于 3.0 kg/m 3 ; (5) 各种材料带入的氯离子总量不大于胶凝材料总量的 0.06%; (6) 电通量要求小于 1000C 3.3 C50 混凝土配合比表 8 单方混凝土材料用量 编号 水胶比 材料用量 (kg/m 3 ) 水泥粉煤灰矿粉砂石水外加剂 计算容 重 kg/m 3 L L L 混凝土拌和物性能表 9 混凝土拌和物性能 编号 坍落度 (mm) 扩展度 (mm) 含气量 (%) 常压泌水 率 (%) 凝结时间 ( 小时 : 分 ) 初凝 终凝 L :21 12:33 L :34 12:45 L :39 12: C50 硬化混凝土性能 表 10 C50 硬化混凝土性能

12 编号 抗压强度 (MPa) 弹性模量 28d 1d 7d 28d (MPa) 电通量 ( 库仑 ) 抗裂性 L 无裂纹 L 无裂纹 L 无裂纹 从上表可以看出, 采用矿渣粉和粉煤灰复合的矿物掺和料 聚羧酸系高性能减水剂配制的混凝土, 具有复合矿物掺合料用量大 坍落度损失小的特点, 根据武广客运专线现场灌注桩 墩 台 (C30) 和桥梁 (C50) 检验结果, 其 28d 强度 C30 实测强度大于 40MPa,C50 实测强度大于 60MPa, 混凝土 56d 氯离子渗透电通量小于 1000C,56d 抗冻融性指标大于 F200 以及 F300, 混凝土的碱集料膨胀值小于 0.1%, 因此采用矿渣粉和粉煤灰复合的矿物掺和料 聚羧酸系高性能减水剂是武广客运专线高性能混凝土的最佳选择 4 工程应用 在以上试验研究的基础上, 我们进行了实际工程应用, 具体质量和技术控制如下 : 梁场搅拌站在搅拌前根据集料含水率检测结果确定施工配合比, 对出机混凝土按规定频率进行坍落度 含气量 泌水率 出机温度等指标检测 施工现场混凝土实际泵送距离 100~200m, 混凝土坍落度在 1h 内基本没有损失, 混凝土和易性好, 易泵送, 易振捣, 混凝土初凝时间为 8~12h, 满足了武广客运专线预应力箱梁浇筑工艺的要求 混凝土浇注按照腹板 底板 面板的顺序对称浇注, 采用纵向分段 斜向分层, 连续浇筑的方式, 分层厚度 300 mm 浇筑时间不得超过混凝土初凝时间并不得超过 6h 混凝土出机温度不大于 30, 夏季采用冷却水及集料遮阳等降温处理, 气温较高时泵管采用麻布覆盖洒水的方式, 并防止输送过程中混凝土坍落度损失过大 箱梁配筋密集, 结构相对复杂, 在浇注过程中适当增加振捣人员及设备的数量, 尤其加强层与层间的振捣, 振捣标准以混凝土表面的水平不再显著下沉 不再出现气泡 表面不再泛浆为准 在浇筑腹扳时严格控制混凝土坍落度, 避免从底板泛浆 拆模后, 及时喷涂混凝土养护剂或覆盖洒水, 养护时间 14d 经过现场实践, 采用矿渣粉和粉煤灰复合的矿物掺和料 聚羧酸系高性能减水剂配制的现场灌注桩 墩 台 C30 混凝土, 桥梁用 C50 预制预应力箱梁混凝土, 均达到了武广客运专线设计的要求, 业主和监理非常满意 5 结论 (1) 掺矿粉 - 粉煤灰复合矿物掺合料配制的混凝土的工作性 强度 耐久性试验结果 表明 : 采用复合矿物掺合料的最佳复合比矿粉 : 粉煤灰 =50 50, 可以明显改善混凝土的工 作性 力学性能和抗氯离子渗透性能, 此比例为矿粉 - 粉煤灰体系

13 (2) 武广客运专线工程应用效果表明 : 采用粉煤灰和矿粉双掺法配制的高性能混凝土, 具有良好的工作性 坍落度经时损失小 不离析泌水 施工性能良好 ; 硬化后的混凝土具有良好的抗冻 抗渗 抗氯离子渗透以及抗碱 集料反应等耐久性能 (3) 本研究试验和工程应用进一步验证了 : 采用粉煤灰和矿粉复合双掺技术, 可以充分利用超细矿物掺和料各自的优点, 使混凝土结构内部更加密实 孔结构更加合理, 充分发挥了微集料效应 参考文献 [1] 科技基 [2005 ]101 号, 客运专线高性能混凝土暂行技术条件. [2] 铁建设 [2005 ]157 号, 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定. [3] 铁科技函 [2004 ]120 号, 客运专线预应力混凝土预制梁暂行技术条件. [4] 冯乃谦. 高性能混凝土结构 [M]. 北京 : 机械工业出版社,2004. [5] 吴中伟, 廉慧珍. 高性能混凝土 [M]. 北京 : 中国铁道出版社,1999. 作者简介 : 励建益 (1978-), 男, 浙江慈溪人, 浙江省慈溪市振宇混凝土有限公司工程师 通讯地址 : 浙江省慈溪市逍林镇北工业园区 (315300)

14 机制砂在高性能混凝土中的应用实践 戴海洪 1 1 2, 周峰, 黄清林 (1. 安吉芽芽水泥制品有限公司, 浙江安吉 ; 2. 浙江芽芽控股集团, 浙江嘉兴 ) 摘要 : 简述机制砂的特性, 通过试验优化配比, 采用全机制砂新拌混凝土配制 C50 高性能混凝土, 泵送施工顺利, 力学性能及耐久性能满足规范要求 为机制砂在高性能混凝土中的应用提供了实践经验 关键词 : 机制砂 ; 高性能混凝土 ; 应用 Sand in Application of the High Strength and High Performance Concrete Dai Haihong, Zhou Feng, Huang Qinglin (1.Anji Yaya Cement Products Co., Ltd, Zhejiang Anji ; 2.Zhejiang Yaya Holdings, Zhejiang Jiaxing ) Abstract: Outlined the characteristics of sand, optimum combination in experiment, make sand fresh concrete preparation of high strength and high performance concrete, and pumping the construction smooth, mechanical properties and durability to meet the regulatory requirements. Key words: sand; high strength and high performance; concrete; application 0 概述 近年来, 由于天然中粗砂资源紧缺, 目前大多数天然中粗砂是从江西赣江船运到上海黄 浦江上中转的, 而且价格受环境影响猛涨, 另外由于安吉独特的地理位置, 水路运输不方便, 一般都要通过中转, 无疑增加了混凝土的成本 安吉本身周边是山, 石矿资源比较丰富, 所 以为了解决天然中砂采购成本高且比较麻烦, 我们通过多次试验论证, 全部采用机制砂来拌 制混凝土, 能满足高强高性能混凝土的要求 1 机制砂的特性 (1) 机制砂必须用质地坚硬, 母材强度 80MPa, 且不含对混凝土有害的化学成分的岩石, 经机械轧制而成 (2) 机制砂颗粒粗糙, 石粉含量高, 这势必减弱混凝土的流动性, 增加需水量, 在相同的条件下, 配制相同坍落度的混凝土, 机制砂比天然砂需水量增加 5-10kg/m 3 (3) 机制砂的颗粒级配不良, 颗粒分布往往表现为中间少, 两头多, 大于 5.00mm 和小于 0.08mm 颗粒 ( 石粉 ) 均超过 10%,2.5mm 的累计筛余量 35% 2 机制砂混凝土的特性 (1) 由于机制砂级配不良往往易导致新拌混凝土粘聚性 保水性差, 易离析 泌水, 并降低和易性和流动性, 使混凝土强度 耐久性降低, 而且早期收缩增大, 混凝土硬化后其 表面水波纹严重, 影响混凝土结构物的感观质量 (2) 机制砂泵送混凝土, 其粗骨料用量宜小于 1000 kg/m 3, 相应砂率要求增大, 宜在

15 40-45% 之间, 往往要靠增加胶凝材料用量来改善其工作性能 (3) 机制砂颗粒粗糙 多棱角 表面积大, 与水泥胶结性能好, 因此混凝土的抗压强 度相对有了提高 3 混凝土配合比试验 3.1 技术措施根据机制砂混凝土的特点, 如何去改善这一现状, 使新拌混凝土具有良好的工作性, 并在硬化后具有高强度 CEC207:2006 高性能混凝土应用技术规程 配合比设计的一般规 定要求 : 在满足混凝土结构的要求, 确保其施工的工作性性能以及混凝土的强度和耐久性要 求, 高性能混凝土的胶凝材料总量不宜超过 600 kg/m 3, 根据我们现有的原材料, 通过对比 试验, 我们采用以下技术手段 : (1) 选择合适的砂率 ; (2) 通过增加胶凝材料的用量, 来改善新拌混凝土的工作性能 ; (3) 选用减水率高的减水剂, 增加外加剂的掺量, 降低用水量 3.2 原材料的性能指标水泥 : 安吉南方水泥厂生产 P 水泥, 其技术生能指标见表 1; 粉煤灰 : 浙江长兴电厂产的粉煤灰 (Ⅱ 级 ), 其技术性能指标见表 2; 矿粉 : 江苏沙钢厂产的 S95 矿粉, 其技术性能指标见表 3; 细集料 : 采用安吉自产的机制砂, 其技术性能指标见表 4; 粗集料 : 浙江湖州新开元产的碎石, 其技术性能指标见表 5; 外加剂 : 浙江五龙生产聚羧酸系高效减水剂 ZWL-V, 含固量为 25%, 减水率为 26% 水泥品种 表 1 标准稠度用 水量 (%) 水泥物理性能指标抗折强度抗压强度凝结时间 (min) 安定性 (MPa) (MPa) 初凝终凝 3d 28d 3d 28d P 合格 表 2 粉煤灰性能指标 名称 级别 需水量比 (%) 烧失量 (%) SO 3 (%) Cl - (%) 含水率 (%) 活性指数 (%) 7d 28d 粉煤灰 Ⅱ 级 表 3 矿粉性能指标 名称 比表面积 (m 2 /kg) 需水量比 (%) 烧失量 (%) SO 3 (%) Cl - (%) 含水率 (%) 活性指数 (%) 7d 28d 矿粉 S 表 4 细集料技术性能指标 砂子品种 细度模数 表观密度 (kg/m 3 ) 紧密密度 (kg/m 3 ) 吸水率 (%) 含泥量 (%) 泥块含量 (%) 石粉含量 (%) 坚固性 (%)

16 机制砂 表 5 粗集料技术性能指标 最大粒径 表观密度 堆积密度 紧密密度 吸水率 含泥量 泥块含量 针片状含 压碎指标 (mm) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (kg/m 3 ) (%) (%) (%) 量 (%) 值 (%) C50 泵送混凝土试配论证根据现有的原材料, 对 C50 泵送混凝土进行试配论证 表 6 为试配配合比设计, 其中 粉煤灰为超量取代, 超量系数为 1.3 表 6 C50 泵送混凝土配合比 试验 编号 设计强度 等级 1m 3 混凝土各材料质量 (kg) 水泥水中砂碎石矿粉粉煤灰外加剂 1 C C C 对以上配合比分别进行拌合物坍落度测定 7d 和 28d 抗压强度测定及抗渗试验, 试验结果列于表 7 表 7 混凝土坍落度 抗压强度及抗渗试验结果抗压强度 (MPa) 抗渗等级编号设计强度等级坍落度 (mm) 7d 28d 28d 后 1 C P16 2 C P20 3 C P22 经过试配调整后, 确定 C50 泵送混凝土配合比见表 8 表 8 C50 泵送混凝土配合比各材料质量

17 设计强 度等级 混凝土各材料质量 (kg/m 3 ) C50 水泥水砂碎石粉煤灰矿粉 S95 减水剂 C 工程应用 按表 8 中配合比混凝土公司进行组织生产, 对拌制好的出厂混凝土进行检测, 坍落度为 210mm, 混凝土和易性好 ; 经过 30min 运输到现场, 测得混凝土坍落度为 185mm, 采用拖泵施工, 泵送性良好, 施工顺利, 受到施工单位 监理人员及业主的好评 28d 后对现场混凝土的强度进行检测, 均满足设计要求 在此实践经验的基础上, 本研究继续开展了对较低强度等级的混凝土进行试验与工程实践的探讨, 结果表明 : 全用机制砂替代天然黄砂拌制新混凝土的工作性能良好, 能满足规范与设计要求 更好地解决了以往在机制砂中掺细砂组织生产的麻烦, 一年多来的实践证明, 全机制砂的使用能够保证新拌混凝土的抗压强度 抗渗性能 以及抗碳化性能 抗冻性, 能达到工程设计要求 5 结论 5.1 通过全机制砂 C50 的最优配合比的试验及工程应用, 全用机制砂替代天然黄砂拌制新混凝土的工作性能良好, 各项性能指标均能满足工程设计要求 5.2 自产机制砂的质量稳定可靠, 可操作性强, 可较好解决以往在机制砂中掺细砂组织生产的麻烦 5.3 本工程实践表明 : 采用全机制砂, 可降低生产成本, 和以往的天然砂对比, 每立方混凝土可节约 10 多元钱, 经济效益可观 作者简介 : 戴海洪 (1972-), 男, 浙江桐乡人, 现为安吉芽芽水泥制品有限公司总经理 通讯地址 : 浙江省安吉县递铺镇马家渡 (313300)

18 R60 强度代替 R28 强度大体积混凝土的施工技术 黄清林 1, 陶能四 2 (1 浙江芽芽控股集团, 浙江嘉兴 ;2 嘉兴矗娃建材有限公司, 浙江嘉兴 ) 摘要 : 本文通过用 R60 强度代替 R28 强度的大体积混凝土的施工技术全面地进行介绍, 探讨施工应用过程中的技术要点 关键词 :R60 代替 R28; 强度 ; 大体积混凝土 ; 施工技术 Construction Technology of R60 Instead of R28 in Mass Concrete Huang Qinglin 1, Tao Nengsi 2 (1. Zhejiang Yaya Holding Group, Jiaxing, Zhejiang , 2. Jiaxing Chuli Building Materials Co., Ltd., Jiaxing, Zhejiang ) Abstract: In this paper, Construction technology of R60 instead of R28 in mass concrete was comprehensively described, and the technical points in the construction and application process were researched. Keywords: R60 instead of R28; strength; mass concrete; construction technology. 1 工程概况 嘉兴中成大厦中港名都大酒店建筑面积 95000m 2, 由地下两层, 地上 41 层的酒店 ( 高 168 米 ) 和 20 层的酒店式公寓以及四层裙楼组成 基础类型为桩承台基础 筏板基础 底板全长 89m 宽 83m, 设计混凝土等级 C35P8, 设计底板由后浇带分割成 4 块, 其混凝土方量分别为 2232m 3 (1 块 ) 1469 m 3 (2 块 ) 918 m 3 (3 块 ) 7213 m 3 (4 块 ), 混凝土总方量 m 3 底板 1-3 块基本厚度 850mm, 局部桩承台厚 mm 第 4 块底板厚度大部分为 2800mm 3200mm 3800mm 5400mm( 电梯井 ) 6900mm( 核心筒 ) 本块东西向长 60 米 南北向长 44 米, 主楼筏板位于此块 2 设计要求 防水混凝土采用保温保湿养护, 混凝土中心温度与表面温度之差不大于 25, 混凝土表面温度与大气温度之差不应大于 25 ; 防水混凝土浇筑终凝后应立即进行养护, 养护时间不得少于 14d 3 规范要求 混凝土浇筑温度不宜大于 35 ; 混凝土内外温差不应大于 25 ; 混凝土降温速率不宜大于 2 /d 4 工程的重点与难点 (1) 混凝土设计强度等级 C35, 抗渗等级 P8, 当地无矿渣水泥, 改用普通硅酸盐水泥, 水化热值高, 对大体积混凝土施工不利 ; (2) 浇筑时间在 9 月份, 混凝土的入模温度难以控制在理想的温度, 不利于大体积混凝土的质量控制 ; (3) 同一基础内基础底板厚度变化多 落差大, 有

19 强度 C35 R60P8 等厚度, 给温度控制带来较大的困难, 特别是不同厚度的底板如何控制好温度及其下降速率 防止产生有害的裂缝, 这是重点, 也是施工的难点 5 材料选择 水泥 :PO 42.5 芽芽水泥, 碱含量不大于 0.6% 7 天的水化热不宜大于 270KJ/ kg 石子 : 杭州獐山碎石, 含泥量小于 1% 砂 :( 天然 ) 赣江中砂, 细度模数大于 2.3, 含泥量小于 2% 水 : 自来水 粉煤灰 :Ⅱ 级 烧失量 8% 细度模数 20 矿粉 :S95( 浙江嘉善产三鼎牌 ) 膨胀剂 :HEA 江西生产, 掺量 12%,14d 膨胀率 聚丙乙烯抗裂纤维 : 杭州生产 掺量 1.2 kg /m 3 外加剂 : 湖州绿色建材生产的 LS 高效减水剂 6 技术准备 6.1 大体积混凝土配合比 配合比设计原则 本工程大体积混凝土配合比采用 R60 代替 R28, 作为混凝土强度的设计依据 ; 混凝土配合比通过计算和试配确定并应对其进行优化 ; 配合比原则 : 最小的水泥用量 最大堆集密度 合理的水胶比 配合比各要素 : 1 混凝土到工作面的坍落度应低于 120±20mm; 到达现场前坍落度损失不应大于 30mm/h, 为此需对其进行预估和运输中坍落度损失的测定 ; 2 水泥用量宜控制在 300 kg以内 ; 3 水用量不宜大于 190 kg /m 3 ; 4 粉煤灰掺量不宜超过水泥用量的 20%, 矿粉掺量不宜超过水泥用量的 30%, 且两种 掺合料总量不宜超过水泥重量的 50%; 5 水胶比不宜大于 0.55; 6 混凝土的初凝时间应控制在 6-8h 之间, 终凝时间应控制在 : 初凝 ( 后 )+(2-3)h; 配合比 混凝土配合比 ( kg ) 水泥 PO42.5 HEA 粉煤灰矿粉 S95 外加剂 LS 水 碎石 中砂 坍落度 (mm) ±30 备注 每立方混凝土外掺 1.2 kg抗裂纤维 和易性混凝土强度 (MPa) 抗渗性能限制膨胀率 ( 10-4 ) R7 R28 R60 R60 7d 14d 好 P

20 6.2 大体积混凝土施工准备 (1) 准备原则 : 施工组织严密 职责明确 设备可靠 保障有力 ; (2) 提出施工阶段的综合抗裂措施 ; (3) 大体积混凝土模板 钢筋工程 预埋管件等工作完成验收 ; (4) 场内道路结实 畅通 ( 含场外道路 ); (5) 施工现场的供水 供电满足混凝土连续施工的需要 ; (6) 商品混凝土供应商供应能力不低于单位时间所需量的 1.2 倍且有备用拌站 ; (7) 大体积混凝土施工用设备性能和数量满足混凝土连续施工的需要 ; (8) 混凝土的测温 监控设备配置 布置完成并有专人负责测温 ; (9) 保温材料齐备 ; (10) 技术交底完成, 作业班组及相关人员交接班制度完备 大体积混凝土施工拟采取的温控 防裂措施 : (1) 采用 60 天龄期强度作为强度评价指标, 以便更好地减少水泥用量, 降低早期混凝 土的水化热 ; (2) 减少单位体积的水泥用量, 试验表明, 水泥用量每增减 1 kg, 水化热温度相应降低 0.1, 本工程大体积混凝土中掺入粉煤灰和矿粉 ; (3) 添加膨胀剂 HEA, 在最初 14d 潮湿养护中, 使混凝土的体积膨胀, 补偿混凝土早期 失水收缩产生的收缩裂缝, 添加比例 12%; (4) 添加聚丙乙烯抗裂纤维, 掺量 1.2 kg /m 3 ; (5) 适当添加混凝土减水剂 缓凝剂以调整 延长混凝土的凝结时间, 延缓水化热的峰 值时间 ; (6) 选用水化热低 凝结时间长的水泥, 优先采用中热硅酸盐水泥 ; (7) 在混凝土的各种原料中, 石子比热虽小, 但所占重量最大, 因此对混凝土的出机温 度影响最大的是石子的温度, 砂温度次之 为降低砂石温度, 混凝土企业应预先将砂 石入 库, 使用前 1-2 天应凉水降温 ; (8) 散装水泥提前储备, 避免新出厂的水泥温度过高以降低混凝土的出机温度 ; (9) 水在混凝土中的重量最小 但比热最大, 所以有条件的情况下宜采用深地下水, 当 水温不能满足要求时, 应在水中加冰 (10) 对混凝土垫层进行压光处理, 以减少地基的约束作用 ; (11) 增加抗裂配筋, 在第四块底板施工中面板上增配 Ф6@150 钢筋网片, 以减少混凝土 的温度应力 ; (12) 第四块 3800mm 5300mm 5400mm 6900mm 厚的底板分两次浇筑, 其中 3800mm 预先浇 1 米,5300mm 5400mm 6900mm 厚底板先浇 1.7 米, 浇筑后插筋 Ф14@500(Ⅱ 级 ) 长 1000mm (13) 混凝土浇筑前掌握气象信息, 避免恶劣天气对浇筑的影响, 在基坑每块施工前在 东南 西南角各设一台大功率排风机以便散热, 同时在基坑四周土钉墙围护上浇水降温 ; (14) 混凝土浇筑中采用斜面分层,1-3 块层高 450mm 两层到顶面 ; 第 4 块浇筑采用全 面分层, 层高 500mm (15) 混凝土浇筑中应及时清除混凝土表面的泌水, 在基坑四周增设 mm 的集水井 4~5 个, 排水沟连通 (16) 混凝土浇筑中应对混凝土进行二次振捣, 排除混凝土因泌水在钢筋和粗骨料下产 生的水分和空隙, 提高混凝土与钢筋的握裹力, 防止混凝土沉落而出现的裂缝, 增加混凝土 的密实度, 由于混凝土的抗拉强度与抗压强度正相关, 也即提高了抗裂性能 ; (17) 温控 : 本工程 1-3 块采用人工测温, 第 4 块采用电子测温, 按信息化施工要求执行 ;

21 (18) 混凝土浇筑完成 12 小时后进行保温养护, 本工程底板施工 1-3 块采用保温养护, 第 4 块采用蓄水养护, 蓄水高度 80mm (19) 养护时间 : 大体积抗渗混凝土不少于 14d 6.3 施工组织 大体积混凝土的拌制 (1) 大体积混凝土的拌制由商品搅拌站进行, 拌站应对供料能力进行备份, 备份拌站 应符合原材料 配合比 材料计量等级相同, 制备工艺和质量检验水平基本相同的原则 ; (2) 拌站预拌前应根据混凝土的强度等级 运输距离 运输设备 环境温度等调整混 凝土的设备参数以保证混凝土的连续供应和混凝土符合设计要求 ; (3) 拌制用水泥 7 天的水化热不宜大于 270KJ/KG, 入罐温度不应大于 60 ; (4) 所用粗 细骨料含泥量如超标应进行水洗 ; (5) 拌制可采用 三冷法 可以采用二次投料方法, 使混凝土不易离析, 泌水性大为 降低 ; (6) 拌制混凝土应满足施工工艺对坍落度损失 入模温度 ( 小于 30 ) 的要求 大体积混凝土的运输 (1) 混凝土运输采用搅拌运输车 ; (2) 搅拌运输车在装料前应将罐内的积水排尽 ; (3) 搅拌运输车单程运输时间当气温小于 25 时应不大于 120min, 当气温大于 25 时 应小于 90 分钟 ; (4) 当运输过程中出现离析坍落度损失不满足要求时, 搅拌运输车应进行快速搅拌, 搅拌时间应不小于 180s; 6.4 混凝土浇筑 浇筑条件 : (1) 工安全 技术交底完成并履行手续 ; (2) 天气条件符合大体积混凝土施工要求 ; (3) 混凝土浇筑需要的工具 移动电箱 振捣器 抹平机 小型水泵准备完成 ; (4) 备用发电机调试完成, 备接线路符合要求 ; (5) 施工运输道路 水 照明布设完成 ; (6) 测温管 ( 或测温元件 ) 埋设完成, 标高 轴线复核正确 ; (7) 防水层已喷水湿润, 基坑内 ( 承台 ) 积水排除 ; (8) 保温 保湿材料备齐 ; (9) 防水混凝土的抗压 抗渗试模备齐, 人员落实 ; (10) 联络通讯工具准备就绪, 与城管 交通部门已协调并办理好必要的手续 混凝土浇筑 (1) 混凝土浇筑 1-3 块采用斜面分层或 ( 分段分层 ), 第 4 块采用全面分层 分层厚度 1-3 块 400mm, 第 4 块采用全面分层 层厚度 500mm; (2) 混凝土浇筑从一边开始, 沿板块的长方向自一端向另一段进行, 保持混凝土沿基 础全高均匀上升 ; (3) 浇筑时要在下一层混凝土初凝之前浇筑上一层混凝土, 避免产生冷缝, 并将表面 泌水排走, 严禁在浇筑过程中任意加水 ; (4) 第 4 块浇筑时先浇深坑部分的混凝土,( 框筒电梯井及 8 轴 A 轴处积 水井 ) 浇筑厚度 1.7 米, 浇筑完成后进行养护并绑扎上层钢筋,4-5d 后再浇上部混凝土 ; (5) 振捣混凝土应使用高频振动器, 斜面推进时振动棒应在坡脚与坡顶处插振 ; (6) 振动混凝土时, 振动器应均匀地插拔, 振动棒移动间距宜为 400mm 左右, 插入下

22 层混凝土 mm, 每点振动时间 10-15s 以混凝土泛浆不再溢出气泡为准, 不可过振和漏 振, 下料时不得直接冲击测温元件及引出线, 振捣不得触及温度监控元件及引出线 ; (7) 混凝土浇筑终了以后 3-4h 在混凝土接近初凝之前进行二次振捣后按标高线用刮尺 刮平并予抹压, 抹压应至少进行两次, 最后一次搓压应在泌水结束 混凝土初凝前完成 ; (8) 当混凝土面积较大时可分段进行表面处理 ; (9) 混凝土硬化后的表面裂缝可灌注水泥素浆刮平 7 大体积混凝土的养护及温控 7.1 基本措施混凝土初凝后应及时采取保温养护措施, 养护时间不少于 14d 保温覆盖层的拆除应分 层逐步进行, 当混凝土表面温度与环境温度差小于 25 时可全部拆除 养护中如遇气温骤 降的天气应加强覆盖保温措施 ; 本施工 1-3 块采用常规的保温措施, 即采用一层薄膜加一层麻袋保温 ( 承台处加厚为二 层麻袋 ), 并采用人工测温的办法指导施工, 当温度超出警戒值报警时, 采取加厚保温层的 办法解决 本工程第 4 块大体积混凝土采用蓄水保温法施工 7.2 蓄水保温法 : (1) 由于水的导热系数为 0.6W/m K, 因而有一定的隔热保温效果, 可以推迟混凝土 内部水化热温度的迅速散失, 这样控制混凝土表面温度与中心温度的差值, 可以防止混凝土 表面发生龟裂 (2) 本工程第 4 块混凝土浇筑初凝后覆盖薄膜及麻袋进行保温, 混凝土终凝后在第 4 块四周砌筑 3 皮 12 砖墙 ( 内水泥砂浆粉光 ) 放水保温, 蓄水厚度 150mm 7.3 大体积混凝土的测温 温度计测温 大体积混凝土 1-3 块温度监测采用温度计测温, 测温自混凝土浇筑始至撤保温层后即混 凝土内部温度与外界温度之差连续 24h 小于 25 时为止, 同时不少于 20d (1) 在施工块内大面积底板 承台 积水井 电梯处布置测点, 测位每块不少于 6 处, 各点分别布置在板底 200 板中间 以及距混凝土表面 100 处 测温管可用水 管做成, 下端封闭, 上端开口, 管口高出混凝土面 ; (2) 测温时间间隔, 混凝土浇筑后 1-3d 为 2h,4-7d 为 4h, 其后为 8h; (3) 温度变化情况应及时反馈, 温差达 25 降温速率大于 2 时应报警 ; (4) 测温管端应用软木塞封堵, 允许在放置或取出温度计时打开 温度计应系线绳垂 吊到管底, 停留不少于 3min 后取出迅速查看温度 ; (5) 测温应形成记录 (6) 由于玻璃温度计容易破损, 因此施工中应多准备一些, 以便测温需要 电子测温 大体积混凝土第 4 块由于需同时浇筑不同截面厚度的混凝土, 根据浙江省规范 规 定, 温度监测采用电子测温 监测设备 监测设备采用上海市建筑科学研究院科研产品网络化温度监测系统, 系统采用测量精度 为 0.2 的数字温度传感器, 测量工作范围 大体积混凝土温度网络化监测系统由温 度传感器 信号测量装置 应用软件及计算机四大部分组成, 并采用连线方式组建监控网络 监测方法

23 系统采用电感方式, 能定时在线监测各测点温度, 并自动记录, 测量数据及其变化趋势 以图表两种方式实时显示 运行期间的自动监测系统是一个基于网络的远程实时在线监测与 分析系统, 现场测量数据可通过普通电话线远距离传回应用工程师办公室, 以便随时提供各 种需要的信息 测点布置 设置环境温度测点 2 个, 混凝土测点每 200m 2 设置一个, 对混凝土上 中 下三层部 位设置温度监测点, 距板底 200mm 板表面 mm 框筒 电梯井处需水平加密, 间距 1000mm, 各传感器分别附着于 Ф16 的钢筋支架上 测温元件安装前应在水下 1 米处经过 24h 浸泡不损坏, 附着于钢筋上的传感器应与钢筋隔离 ( 绝热 ), 测量元件的引出线应集中 布置并加以保护 测试工况 监测自混凝土浇筑开始至浇筑后 30d 止 监测报警温差设置在 25 在混凝土浇筑过 程中, 水化热升温过程中, 数据采集时间间隔为 1~4h 左右 8.1 质量控制措施 严把混凝土验收关 混凝土进场必须对混凝土和易性 车单资料验收, 不符合要求的混凝土不得使用, 以确 保商品混凝土供应过程质量 严把混凝土振捣关 振捣手的素质是保证振捣质量的关键 对关键部位 施工难度大的部位由优秀振捣手或 技术水平相对较高的振捣手亲自操棒, 其余部位每个作业面上都有优秀振捣手带班, 振捣时 振到混凝土表面振出浆而不再下沉为止 严把混凝土浇筑关 严格控制混凝土分层浇筑厚度, 要按照结构长成杯检查要求, 根据振捣器的型号 有效 半径对竖向构件混凝土的分层厚度进行计算, 浇筑时严格按浇筑厚度下混凝土, 为了准确控 制配备标尺杆和手把灯 严格控制新旧混凝土接搓时间 应认真计算分层混凝土的用量, 使新旧混凝土接槎在规定时间内完成, 确保旧混凝土初 凝前被新混凝土覆盖, 不会出现冷缝 严把混凝土抹面关 为避免厚度较大的混凝土因沉降产生裂缝, 要坚持在混凝土初凝和终凝之间进行二次抹 面, 防止开裂 严格控制上人 上料时间, 防止上人过早, 严禁脚印 把好施工缝关, 防止出现冷缝 施工缝处理时要注意剔除表面浮浆及松散混凝土, 剔到实处露出石子后用水冲洗 湿润, 并不得有明水 混凝土强度达到 1.2N/mm 强化混凝土施工试验工作 才允许接搓 混凝土标准试块的制作 养护和试验根据设计要求的各种不同构件模板的拆模时间, 制 作不同强度的混凝土同条件试块, 并制作铁笼子, 放在在施工层上进行同条件养护 场内每 车测试混凝土坍落度, 及时记录混凝土浇筑温度 试块 本工程混凝土方量均大于 1000m 3, 因此试块以 200m 3 取一组 ; 每 500m 3 留置一组抗渗 9 结语 通过有效控制, 施工要求按制定方案执行, 各环节配合密切, 混凝土浇筑效果达到预期 目的 R60 天强度通过试块检测与现场检测均达到规范要求与设计要求

24 作者简介 : 黄清林 (1973 ), 男, 江西吉安人, 高级研究员, 主要从事商品混凝土与混凝土制品生产技术管理 通讯地址 : 浙江省嘉兴市七星镇大树村电子邮箱 :hql0818@163.com

25 缓凝剂对混凝土塑性裂缝的影响 付晓生 ( 辽宁新风集团凌新化工有限公司, 辽宁辽阳 ) 摘要 : 本文通过工程实例分析缓凝剂对混凝土塑性收缩裂缝的影响 关键词 : 缓凝剂 ; 混凝土 ; 塑性收缩裂缝 Inftuenec of retarder on plastic shrinkage cracking of concrete Fu Xiaosheng (Liaoning Xinfeng Group Lingxin Chemical Co., Ltd., Liaoning Liaoyang ) Abstract: Based on the actual engineering constraction,the analysis of inftuenec of retarder on plastic shrinkage cracking of concrete Key words: retarder; concrete; plastic shrinking crack 1 问题的提出 1.1 技术背景辽宁地区 6 月的六月中旬, 白天高温 大风 气候干燥 某民用建筑现浇楼板出现了较 多的裂缝 施工方与供应商品混凝土单位的人员经研究商讨, 认为是外加剂的质量问题, 要 求外加剂生产单位在供应给商砼公司的泵送剂中增加缓凝组分 1.2 工程现场状况现浇板厚 180mm, 采用商砼公司供应的 C30 混凝土, 混凝土初始坍落度 mm, 和易性好, 经约 1.5h, 摸浇筑, 坍落度 mm, 和易性 流动性好 混凝土浇筑 0.5-1h 后即开始有裂缝产生, 一天之内基本稳定, 裂缝形状不规则 长度 深度表现不一, 有中间 宽 两端细 呈龟裂状 混凝土终凝后, 开始进行浇水养护 但此时裂缝基本都已形成 裂缝原因分析 : 由于施工期内白天风大 高温 混凝土失水太快, 所以塑性裂缝产生得 多, 而在夜间浇筑的混凝土裂缝就少许多 2 技术方案及试验 2.1 试验方案为了查明裂缝产生原因和检验增加缓凝组分后的实际效果, 施工单位, 商砼公司和外加 剂厂家相关人员共同在施工现场进行了一组摸拟试验 在木模板 ( ) m 中浇筑厚 180mm 的混凝土板三块 : A: 正常供应的商品混凝土, 浇筑后即用塑料布覆盖, 保湿养护 B: 正常供应的商品混凝土, 终凝后进行浇水养护 C: 正常供应的商品混凝土中添加一定量的缓凝剂, 终凝后进行浇水养护 试验结果表明 : A: 混凝土硬化后表面无裂缝 B: 与 A 的凝结硬化时间基本同步, 硬化后共产生裂缝 56 条, 裂缝总长 :256mm 裂缝最 宽 0.5mm 最深 4mm

26 C: 混凝土浇筑 45h 后表面有一层硬壳形成, 而内部仍保持塑性状态, 完全硬化后, 混凝 结表层疏松粗糙 共有裂缝 85 条, 裂缝总长 528mm, 裂缝最宽处达 14mm 最深达 8mm 2.2 试验结果分析根据以上实验可知 : (1) 裂缝主要产生于混凝土完全硬化前, 是由于表面失水而产生的塑性收缩裂缝 (2) 缓凝剂的掺入, 延长了混凝土的凝结时间, 便混凝土更长时间地保持塑性状态相 应地增加了混凝土失水时间和失小数量不但使塑裂缝的数量增加, 同时也延长了塑性裂缝 向纵深发展的时间 3 裂缝产生机理及预防措施 3.1 裂缝产生机理混凝土拌和物颗粒之间完全充满水, 在温度 风速 空气湿度等外界条件影响下, 水从 浆体向表面移动 散失, 表面脱水产生毛细管负压力, 随着失水量增加, 毛细管负压力增大, 产生收缩力, 当收缩力大于基体的抗拉强度时, 便会产生龟裂即塑性收缩裂缝 3.2 裂缝预防措施 : 塑性收缩裂缝主要是由于失水过快引起的收缩大于混凝土表面抗拉强度引起的, 所以主 要的预防措施是 : (1) 尽量在夜间进行浇筑混凝土, 在混凝土浇筑后即时用塑料布覆盖, 进行保湿养护, 防止或减少表面失水 (2) 混凝土应选用合适的原材料和配合比, 在满足施工的条件下, 尽可能缩短混凝土 的凝结时间, 减少失水时间和失水数量 提高混凝土硬化前的抗拉强度 (3) 在混凝土初凝前后进行二次抹浆 可以抹去已生成的裂缝, 破坏毛细管结构, 提 高混凝土表层的密实度, 减缓混凝土内部水份的蒸发速度 在总结和分析的基础上, 在夏季实际工程中采取以上预防措施, 圆满解决了混凝土塑性 开裂的问题 4 结论 虽然混凝土塑性收缩裂缝在实际工程中较为常见, 如果不能正确分析原因和采取正确有 效的预防措施, 不仅不能消除裂缝, 只而且可能使塑性收缩裂缝 雪上加霜 作者简介 : 付晓生, 男, 总工程师 通讯地址 : 辽宁省辽阳县首山镇胜利街 40 号 (111200) 电子邮箱 fxsheng751017@163.com

27 膨润土基纳米复合相变材料的研究进展与应用前景 薛永丽 1 王立久孙丹 ( 大连理工大学建设工程学部, 辽宁大连 ) 摘 要 : 膨润土基纳米复合相变材料是一种具有广阔应用前景的建筑节能材料 本文在对国内外相变材料 研究现状进行介绍和分析的基础上, 对膨润土基纳米复合相变材料的制备和其在建筑节能领域的研究趋势和应用前景进行了论述, 并提出了优化其制备工艺方案的必要性和方法 关键词 : 纳米复合相变材料 ; 正交试验设计 ; 建筑节能 Review on Studying-Progress and Application of Bentonite Nano-Composite Phase Change Material Wang Lijiu, Xue Yongli,Sun Dan (School of Civil Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian ) Abstract: Bentonite nano-composite PCMs play important roles in the energy saving buildings because they absorb and release latent heat during the phase change processes.based on the introduction and analysis of the latest researches of phase change materials, in this paper the production principle, preparation technology, the trend of studying and application of the bentonite nano-composite PCMs are discussed systematically. In the meantime the necessity and method of advanced technique are brought forward. Key words:nano-composite PCMs;Orthogonal design ;energy saving in building 0 引言 据有关部门统计, 目前我国建筑能耗占社会总能耗的 25%-40%, 并且仍将保持增长, 故如何高效 合理地进行建筑节能已成为人们日益关心的问题 膨润土基纳米复合相变材料结合了有机相变材料储能性能和膨润土显热性能于一体, 较好地克服了相变材料的缺陷与不足, 拓宽相变材料的应用范围, 对解决当今的能源问题具有深远意义, 目前已成为国内外研究热点 作者简介 : 薛永丽 (1984 ), 女, 内蒙古鄂尔多斯人, 大连理工大学建材研究所硕士研究生通讯地址 : 大连理工大学土木水利学院综合实验 1# 楼 219 室 (116024) 电子邮件 : yonglixue@163.com

28 1 研究进展 1.1 国外研究进展面对全球能源的日益紧张, 相变材料的储热性能和应用方面的研究在世界发达国家迅速崛起并得到不断发展, 其研究和应用涉及材料学 太阳能 工程热物理 空调和采暖及工业废热利用等众多领域 相变储能理论是生长于上述诸多领域中的新学科, 它的发展经历了一个从无到有, 从简单现象到深刻理论和应用的发展过程 美国在相变储能领域的研究一直处于领先地位, 早在二战期间 Telkes 博士就利用 [1] Na2SO4 10H2O 建造了世界上第一座被动式太阳房 ; 美国的罗斯阿拉莫斯实验室在墙体中加入装有相变材料 Chliarolithe 的聚乙烯平行管, 构成厚度为 8.1cm 的相变墙体, 与厚 40cm 的砖石墙进行对比, 证明即使在多云天气, 相变墙体可使室内环境更舒适. 日本仅次于美国, 东京科技大学工业和工程化学系的 Yoneda 等人研究了一系列可供建筑物取暖的硝酸共晶盐 ( 熔点 59.1 );Y Hirayama [2] 等人用模拟方法研究建筑围护结构热容对房间热性能的影响, 证明了相变建筑围护结构对建筑物热性能有较大的影响, 它可以降低室内温度波动, 提高舒适度, 节约能源 加拿大 Concordia 大学建筑研究中心的 Feldman D. [3] 等人对大量的相变材料进行了筛选和物性测试, 选择出几种适合作相变墙板的相变材料, 如硬脂酸丁酷, 他们还对普通建筑材料对相变材料的吸收情况, 相变材料和建筑材料的兼容性和稳定性进行了研究 德国 Krichel [4] 绘制了大量 PCMs 的物性图表, 认为石蜡 水合盐类和饱和盐是 100 以下贮能用相变材料的最佳材料 此外, 其他一些国家, 如西班牙 韩国 罗马尼业 瑞典 法国 意大利和前苏联等国在相变材料的理论和应用研究方面也做了大量的工作, 取得了不少专利 从上述国外进展可以看出, 国外学者不仅对相变材料的热性能和调制方面进行研究, 还对其应用方面进行了更接近实际的试验研究 1.2 国内研究进展 [5] 我国在 20 世纪 80 年代初开始着手研究相变材料 中国科技大学张寅平等人对相变材料热性能的测定和相变过程导热分析方面做了大量工作 河北省科学院能源研究所研制和试验了太阳房相变材料 可以看出早期研究的相变材料主要集中在无机相变材料上, 特别是对 Na2SO4 10H2O 的研究, 由于无机相变材料的过冷和析出现象严重, 限制了其研究与应用 近年人们将焦点转移到了有机相变材料和复合相变材料的研制及应用上 有机类相变材料成型性较好 一般不容易出现过冷现象和相分离 腐蚀性较小 性能稳定 毒性较小, 但是其导热系数小 密度较小, 从而单位体积的储能能力较小, 并且有机物液化后易渗出 易挥发 易燃烧 被空气中的氧气缓慢氧化而老化, 故需要其他材料对其封装, 将固 - 液相变材料转化为固 - 固相变材料, 即所谓的定形相变材料 当前定形相变材料的制备方法概括有 :1 将相变材料浸渗到多孔基材料中, 如 Hadjieva [6] M 等将无机物相变储热材料 Na2S2O3 5H2O 吸附在多孔结构的水泥内, 构成水合无机盐 /

29 水泥复合相变储热材料, 并研究了复合相变储热材料储热性能和结构稳定性, 其目的是开发出高性能的相变储热墙板, 用于建筑物的节能 2 将相变材料与聚合物载体结合, 如闫全英 [7] 等人根据相变温度和相变潜热, 研究了低熔点石蜡和高聚乙烯形成的定形相变材料的相变温度和相变潜热, 证明其应用于相变墙体中的可行性 3 将形变材料应用微胶囊包封技术封 [8] 装, 如 Hawlade 等以石蜡为相变材料, 阿拉伯树胶和明胶为胶囊体材料, 甲醛和乙醇为溶剂, 采用络合凝聚技术来制备胶囊型相变材料 制备出的胶囊化石蜡显示出较大的储热密度, 经过 1000 次热循环, 胶囊化石蜡仍能维持其结构形状和储热密度不变 4 将相变材料插层到 [9] 纳米级片层结构的硅酸盐矿物质中, 如张翀等利用十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 嵌入到具有层状结构的膨润土层间, 使膨润土层间得到改性 ; 通过离子交换反应, 使三羟基丙烷和新戊二醇嵌入膨润土层间而得到有机 / 无机纳米复合相变材料, 进一步提高了有机相变材料的储热性能 定形相变材料的优点是很显然的 : 无需容器 解决了渗出问题 易加工成型 应用范围大 安全方便, 但其缺陷是应用了导热系数较小的聚合物载体后, 导致本就导热性能不佳的相变材料的热导率更低了, 并且材料的整体蓄热能力也下降了 而将相变材料插层到纳米级片层结构的硅酸盐类矿物质中制备的定型相变材料却具有良好的导热性能, 因为硅酸盐类矿物质属于无机物, 导热系数较大, 故该类型定型相变材料具有很大的研究价值和应用前景 2 膨润土基纳米复合相变材料制备原理与方法概述 2.1 制备原理膨润土的主要成分蒙脱石属于 2:1 型层状硅酸盐矿物, 其基本结构单元是约 1nm 厚 长宽各约 1 00 nm 的片层, 层内存在强烈的共价键作用 ; 而层与层之间间距一般为几个纳米, 处于分子水平, 它们之间则有一种弱的相互作用 蒙脱石的这种微观结构特点赋予其特殊的性质 : 层间具有可交换的离子, 且交换后不改变层的主体结构 ; 交换后的产物具有较好的稳 [10] 定性 故可利用膨润土层间的可交换离子与有机相变材料进行交换反应, 制备膨润土基纳米复合相变材料 根据漆宗能等在 聚合物 / 层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践 一书中阐述, 从复合插层法角度讲, 膨润土基纳米复合相变材料制备属于大分子熔体直接插层 有机相变材料在 [11] 高于熔点的温度下, 在静态条件下或剪切力的作用下直接插层进入片层中 从自由状态到受限的片层二维空间, 有机相变材料的自由能变小, 即 G<0, 反应自发进行 ; 分子链由于进入受限空间部分熵值减小, 但由于膨润土片层间距扩大而获得更大的构象自由度, 所以它们在插层过程中总熵值变化 S>0, 故反应自发进行 2.2 制备过程膨润土基纳米复合相变材料的制备过程可分为三个步骤 : 钠基膨润土的有机化 相变材料的选取与调试 复合材料的制备, 其中膨润土有机化与相变材料的选取和调试可以是平行进行 国内许多研究人员对该工艺或部分工艺 产品的热性能和稳定性等方面进行了研究, [12~13] 如李忠等用 DSC 技术研究了癸酸 (CA) 和硬脂酸 (SA) 豆蔻酸(MA) 和硬脂酸 (SA)

30 二元混合物的热性能, 确定了 CA-SA 和 MA-SA 二元低共熔物最佳配比和最低共熔点 ; 在此基础上, 研究了 CA-SA MA-SA 二元低共熔物与蒙脱土复合储能材料的制备方法 通过多种手段表征表明 : 二元混合物被有效地包封在蒙脱土层间, 制得膨润土为基体 CA-SA 复合材料的相变温度为 20.21, 相变焓为 J/g; 膨润土为基体 MA-SA 复合材料的相变 [14] 温度为 41.86, 相变焓为 J/g 方晓明 张正国等人采用 液相插层法 制备出了硬酯酸 - 膨润土复合相变储热材料, 在 34% 硬酯酸质量含量下, 复合相变储热材料的 XRD 与有机膨润土和硬酯酸的混合物明显不同, 表明硬酯酸嵌入到膨润土的纳米层间并形成了一种新型的复合相变材料 DSC 分析表明, 此材料在熔融和凝固过程中都出现了两个相邻的相变峰, 其相变温度比硬酯酸略低, 相变潜热与使用的硬酯酸百分含量的对应值相当 500 次连续循环储 - 放热实验表明, 此材料的层间距和相变温度及相变潜热变化很小, 证明其具有很好的结构和性能稳定性 可以看出目前的研究集中在了工艺的可行性与单因素影响因子的考察, 缺乏对整个工艺过程进行系统性 多因素交互影响等深入研究, 故可利用正交试验设计对工艺过程进行优化设计 在膨润土有机化过程中, 影响插层效果的因素众多, 比如 PH 值 反应时间与温度 固液比和插层剂的种类与用量等, 通过正交试验数据进行极差分析可得到如下结论 :1 各因素对插层改性效果的影响权重的大小顺序 ;2 各个单因素对插层改性效果的影响趋势 ;3 最佳插层改性的工艺条件 ( 适宜的因素水平搭配 ) 综上可概括整个工艺过程如图 1 所示 确定相变温度范围 提纯钠基膨润土 选择并调配有机 PCM 测定钠基膨润土的阳离子交换容量 DSC 和步冷曲线法研究其热性能 PH 温度 时间及固液 插层剂种类其用量 确定多元 PCM 的最佳配比 有机化膨润土 温度 时间 二者质量比 DSC 研究其热性能 膨润土基纳米复合 PCM 利用 XRD NMR SEM 和 IR 分析其微观结构和性能 图 1 膨润土基纳米复合 PCM 的工艺流程图 相变材料的选取与调试

31 考虑到无机相变材料的腐蚀性 过冷和析出等缺陷而目前又没有有效地解决办法, 近年国内外主要研究了石蜡烃 脂肪酸 多元醇类等有机相变材料 人体舒适温度在 16 至 25 之间, 故用于建筑节能的相变材料的相变温度需在这个范围附近 相变温度较低的有机相变材料主要有碳原子数在 15~24 之间的烷烃混合类石蜡 ( 如正十六烷和正十八烷 ) 和碳原子数主要在 之间的脂肪酸, 如癸酸 月桂酸 肉豆蔻酸 软脂酸 硬脂酸等, 其热性能如表 1 所示 表 1 几种脂肪酸和正十八烷的热性能 PCM 相变温度 / 相变焓 / J/g 癸酸 月桂酸 肉豆蔻酸 硬脂酸 正十八烷 可以看出上述相变材料的相变温度仍较高, 虽然具有较高的相变焓热, 亦不是理想的建筑节能相变材料 将两组分 ( 或多组分 ) 体系混合后, 形成的低共熔混合物具有比任一组分都低的熔点和凝固点 在一定比例下, 该混合体系将达到最低共熔点, 此时的混合体系被称 [15] 为最低共熔混合物, 其性质最稳定 近年来, 研究人员利用最低共熔法研制了一系列熔化温度范围较宽 性能更优越的复合相变材料, 使之得到更好的应用 Sari [16] 等研究的月桂 [17] 酸和硬脂酸共熔体系, 熔点只有 37, 均低于这两种纯酸的熔点 吕石磊等对癸酸 - 月桂酸低共熔混合物 ( 摩尔比为 66:34) 的相变温度和相变潜热进行了理论预测和实验研究, 其相变温度为 19.67, 相变潜热为 J/g, 与石膏板融合后构成的相变墙, 其熔点为 , 相变潜热为 J/ g 可见利用低共熔法制备的复合相变材料具有符合建筑节能使用要求的相变温度和相变焓, 还可以改变相变材料的摩尔比例来调整其相变温度, 以适用于不同气候区的建筑节能 膨润土的有机改性膨润土的层间阳离子主要是亲水性的 K + Na + Ca 2+ Mg 2+, 要与亲油性的有机相变材料插层复合, 需要先对其进行有机改性 膨润土有机改性的方法通常有干法 预凝胶法和湿 [18] 法三种, 干法和预凝胶法均存在能耗高 产品均一性差 对原土的品质和纯度要求较高等缺点 湿法 [19] 是将膨润土与改性剂按一定比例在水中混合, 在一定温度 PH 下充分搅拌一定时间完成离子交换, 达到有机化的目的 由于是在溶液态进行, 膨润土与表面活性剂达到充分混合, 改性剂与膨润土的层间阳离子可达到交换平衡 该法对设备与操作的要求都比较低, 故成为目前制备有机膨润土的常用方法 膨润土基纳米复合相变材料的制备目前, 该纳米复合 PCM 的制备方法主要有熔融插层法 溶剂蒸发法 真空浸渍法 搅 [20] 拌混合 真空干燥法等 王志强等人分别用熔融插层法和溶剂蒸发法制备膨润土基纳米

32 复合相变材料, 研究发现生成复合材料的性能差别无异, 但从试验的过程中可知, 热熔法制备复合相变储热材料时, 操作更简单, 更加安全, 对周围环境不会造成污染 空浸渍法 搅拌混合 真空干燥法等操作复杂且对实验条件要求较高 故目前最常用的是熔融插层法 熔融插层复合法的理论依据是对于亲油性的有机膨润土和有机相变材料体系, 在体系温度高于相变材料熔点时, 变为液态的相变材料和有机膨润土发生同性扩散作用, 从而使相变 [20] 材料均匀地分散嵌插在膨润土的层间, 与膨润土形成稳定的复合体 具体工艺 : 将有机膨润土与有机相变材料按一定的比例充分混合后, 在高于相变温度的一定温度下保持一定时间, 冷却后研磨至一定细度即得 经研究比较, 熔融插层复合法与其它的制备工艺相比, 有着操作比较简单 不需要溶剂以及容易工业化等优点 3 研究趋势与应用前景 目前, 国内外研究者对膨润土基纳米复合相变材料进行了较深入的研究, 但是该材料在建筑节能领域的应用远不及材料本身的研发水平, 这与该材料的制备工艺复杂 成本较高等因素有关 所以, 今后的研究工作应着重在以下几个方面 : 1) 膨润土纳米复合 PCM 的研究尽管十分热门, 但由于其插层复合的机理复杂, 结构与界面特征复杂, 微区尺寸小, 再加上量子效应 表面效应等, 对这些方面的理论研究还不够深入, 尤其是运用热力学 动力学和结晶学知识综合研究的深度不够 ; 对材料的结构 形态特征与性能之间的关系研究较少, 合成方法大多基于合成宏观材料上的改进 2) 就目前的研究而言, 用于制备有机膨润土的插层剂多局限于季按盐表面活性剂, 改性剂选择的范围相对狭窄, 此外表面活性剂较高的价格也增加了制备有机膨润土的成本 3) 进一步研究该膨润土基纳米复合相变材料与使用基材的相容性 耐久性和实际使用时的热性能, 提高其在建筑节能领域应用的可行性和经济性 4) 规范与提高相变材料热工性能的检测技术, 对建筑节能应用的相变材料相关参数和指标进行标准化, 有利于推进相变材料的研发与应用 由于膨润土的纳米片层间比表面积大 界面相互作用力强, 在储放 热过程中有机相变材料很难从膨润土的纳米层中分离出来 ; 膨润土相对于有机 PCM 又具有较高的导热系数, 制备的纳米复合 PCM 具有较好的传导性能 ; 膨润土经过有机化改性和有机相变材料的插入已经由亲水性转变为亲油性物质, 故不再具有吸水膨胀性 因此, 该复合材料具有良好的导热性能 热稳定性和与基材相容性, 从而较好地克服了有相 PCM 的缺陷与不足, 拓宽相变储能材料的应用范围, 将在建筑节能领域具有广阔的应用前景 1) 相变储能混凝土膨润土基纳米复合相变材料可直接作为混凝土的掺合料, 制备相变储能混凝土 将相变储能混凝土应用于建筑节能领域, 具有普通混凝土无法比拟的热容, 将该混凝土用于建筑外墙 屋面等非承重结构, 利用太阳能控制室内温度的稳定, 从而改善热舒适性, 达到节能目的 2) 蓄热地板将该膨润土基纳米复合相变材料用于储热地板 ( 直接涂刷或掺入混凝土中 ), 利用电能对其蓄热, 使其在用电低峰期存储热量, 用电高峰期释放热能, 从而既维持

33 了室内的舒适温度, 又起到了电能 削峰填谷 的节能效果 3) 保温涂料由于膨润土本身具有的良好理化性能, 可与涂料有很好的互容性, 故可将膨润土基纳米复合相变材料掺入建筑围护结构外保温涂料中, 可显著提高涂料的储能性能 耐磨性和降低材料收缩率, 实现建筑节能 参考文献 [1] Butti K,Perlin J. A Golden Thread[M],Cheshire Books,Palo Alto,California,1980,211 [2] 叶宏, 程丹鹏, 葛新石等. 定形相变储能式地板辐射采暖系统数值模型的实验验证及参数分析 [J]. 太阳能学报,2004,25(2): [3] Feldman D, Shapiro M M, Banu D. Organic phase change materials for thermal energy storage[j].solar Energy Materials,1986,13:1-101 [4] Krichel K. Latentwarmespeicher:Teil 1, Eigenshaften und Anwendungs Moglichkeiten von Latentwarmespeichern. Report BMVG-FBWT,79~12,Institut fuer Chmie der Treib-Explosivstoffe,Berghausen,FRG,1979 [5] 张寅平, 胡汉东, 孔祥冬. 相变贮能理论和利用 [M]. 合肥 : 中国科大出版社, [6]Hadjieva M, Stoykov R, Filipova Tz. [J].Renewable Energy,2000, 19: 111~115 [7] 闫全英, 王威. 低温定形相变材料用在相变墙体中的可行性研究 [J]. 新型建筑材料,2005,(1) [8]Hawlader MNA, Uddin MS, Zhu H J.[J].International Journal of Energy Research, 2002, 26: [9] 张翀, 陈中华, 张正国. 有机 / 无机纳米复合相变储能材料的制备 [J]. 高分子材料科学与工程,2001,17(5): [10] 张玉清, 彭淑鸽. 插层复合材料 [M]. 北京 : 科学出版社,2008. [11] 漆宗能, 尚文字. 聚合物 / 层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践 [M]. 北京 : 化学工业出版社,2002. [12] 李忠, 井波, 于少明.CA-SA/ 蒙脱土复合相变贮能材料的制备 结构与性能 [J]. 化工新型材料,2007,35(3): [13] 李忠, 杭国培, 董灿君等.MA SA/ 蒙脱土复合相变贮能材料的制备 [J]. 合肥工业大学学报,2005,28,(3): [14] 方晓明, 张正国. 硬酯酸 / 膨润土复合相变储热材料研究 [J]. 非金属矿,2005,28(4):23-24,27. [15] 马晓光, 张晓林, 李俊升等. 相变材料的复合及其热性能研究 [J]. 材料科学与工艺,2008,16,(5): [16] Sari A, Kaygusuz K. Thermal Performance of A Eutectic Mixture of Lauric and Stearic Acids as PCM Encapsulated In the Annulus of Two Concentric Pipes[J]. Solar Energy, 2002,72(6):493. [17]Lv Shilei( 吕石磊 ),etal. Research on feasibility of the application of fatty acids in energy-saving buildings( 脂酸类相变材料在节能建筑中应用的可行性研究 )[J]. 沈阳建筑大学学报,2009,22(11):129. [18] 黄慨. 季按型有机膨润土的制备与表征及其催化性能的初步研究 [D]. 广西 : 广西大学 方晓明, 张正国, 文磊, 邵刚. 膨润土纳米层间的有机改性及其影响因素 [J]. 非金属矿,2003,26(3):23-24,31. [19] 王志强. 基于粘土为载体的复合相变储热材料的制备与表征 [D]. 武汉 : 武汉理工大学.2005.

34 浅谈纳米材料对混凝土抗冻性能的影响 刘茉莉 ( 河北工程大学 土木工程学院, 河北邯郸 ) 摘要 : 简单介绍了纳米材料在混凝土中的作用机理, 重点研究掺入不同比例的纳米材料对混 凝土力学性能和抗冻性能的影响 抗冻性试验方法采用快冻法 研究结果表明纳米材料掺量 为水泥 1% 时, 混凝土的抗冻融性能最好 关键字 : 纳米材料 ; 作用机理 ; 力学性能 ; 抗冻性 Elmentary discussion on the effect of the nano- material on the concrete frost resistance LIU Mo-li (College of Engineering, Hebei University of Engineering, Handan , China) Abstract: Brief introduction nm material in concrete work of the mechanism, the proportion of the study into a different material on that soil mechanics and concrete frost resisting performance impact. Test method for frost resistance of aerated concrete use of frozen French, research has revealed that the material with 1% of the concrete, the performance of the concrete freezing and thawing the best. Key words: nano- material;mechanism of role;mechanical properties; frost resistance 0. 引言 混凝土的抗冻性能对混凝土耐久性能影响很大 混凝土抗冻性是指在水饱和的状态下能经受多次冻融循环作用下不被破坏的性能 其优劣取决也混凝土内部的孔径 孔隙特征和孔隙率大小 在混凝土的冻融循环破坏作用下, 抗渗透性能下降继而造成硫酸盐溶液更易渗透到混凝土内部, 增加了混凝土内部的硫酸盐的浓度, 加快了硫酸盐的侵蚀速度, 使得混凝土发生膨胀引起裂缝, 裂缝吸水后会使该处的冻融破坏加剧, 混凝土强度下降使得抵抗力能力不断下降 [1] 综上所述, 提高混凝土的抗冻性能对提高混凝土的耐久性有着重要的作用 本文通过实验重点研究纳米材料对混凝土抗冻性能的影响 1. 纳米材料在混凝土中的作业机理 纳米是一种介于原子 量子现象的尺度与块体材料尺度之间的材料 纳米材料如纳米二氧化硅 碳酸钙 硅灰等掺到混凝土中, 对混凝土微观结构进行进一步的改性 纳米材料不但可以填充水泥的空隙, 提高混凝土的流动性, 更重要的是这些纳米材料与水泥浆体反应, 形成纳米微粉晶核, 其表面形成水化硅酸钙凝胶的网络状结构, 改善混凝土中的骨料和水泥 [2] 石的界面结构, 以提高混凝土的强度和抗冻性 2. 纳米材料对混凝土力学性能和抗冻性能影响的研究

35 2.1 原材料 水泥 :52.5 普通硅酸盐水泥 ; 砂 : 中砂 ; 石子 :5mm ~ 25mm 碎石 ; 纳米材料 : SiO 2 ; 2.2 试验方法混凝土抗冻性能试验依据 GB T 普通混凝土长期性能和耐久性能试验方 法标准, 采用快冻法试件尺寸为 100mm 100mm 400mm 的棱柱体, 每组试件为 3 块 按照标准方法搅拌 振捣并成型后养护至规定期限前 4d, 然后在水中浸泡 4d 即完成一次循 环 冻解的温度均以试件中心温度为准 在整个实验过程中, 盒内水位高度应始终保持至少 高出试件顶面 5mm 试验以试件质量损失率达 5% 时停止 单个试件的质量损失率应按下式计算 ; W0i W W ni = W 0i ni 100 式中 : W N 次冻融循环后第 i 个混凝土试件的质量损失率 (%), 精确至 0.01; ni W 0 i 冻融循环试验前第 i 个混凝土试件的质量 (g); W ni N 冻融循环后第 i 个混凝土试件的质量 (g); 混凝土试件冻融循环试验过程应符合以下规定 : 1) 每次冻融循环应在 (2~4)h 内完成, 且用于融化的时间不得少于整个循环时间的 1/4; 2) 在冷冻的融化过程中试件中心最低和最高温度应分别控制在 ( 18±2) 和 (5±2) 在任意高于时刻, 试件中心温度不得 7, 且不得低于 20 ; 3) 每块试件从 3 降至 16 所用的时间不得少于冷冻时间的 1/2; 每块试件从 16 升 至 3 所用时间不得少于整个融化时间的 1/2, 试件内外的温度不宜超过 28 ; 4) 冷冻和融化之间的转换时间不宜超过 10min 2.3 试验结果与分析 掺入不同配合比的纳米材料对混凝土力学性能的影响 本文采用纳米材料 SiO 2 分别取代一定比例水泥的混凝土试验, 掺纳米材料的混凝土抗 压强度见表 1 如下 : 表 1 混凝土的配合比和抗压强度试验结果 混凝土的组成 /( kg / m 3 ) 抗压强度 /MPa 编号 水泥 纳米 材料 砂石子水 3d 7d 28d 坍落度 以上表 1 试验结果数据可以看出, 不同比例掺量的纳米材料对混凝土的力学性能影响不 同 混凝土的抗压强度随纳米材料的掺入有所增加, 如纳米材料掺量为水泥的 0.75% 和 1%

36 混凝土和未掺纳米材料的混凝土相比 表 1 同时显示在纳米材料掺量超过 1% 时, 混凝土的 抗压强度随纳米材料掺量的增加而有一定的下降 在纳米材料掺量为 1% 时, 龄期为 3d,7d,28d 的混凝土抗压强度与其它试样相比均有所提高 ; 以上数据还显示了随纳米材料的 掺入在坍落度相同时用水量有所减少 综上所述可知纳米材料取代水泥掺量为 1% 时可大幅 度提高混凝土的抗压强度 掺入不同配合比的纳米材料对混凝土抗冻性能的影响本文采用质量损失指标来衡量混凝土试件的抗冻性能 混凝土冻融循环试验结果见表 2 表 2 混凝土抗冻融循环试验结果 %( 质量损失率 %) 编号 纳米材料 混凝土抗冻融循环次数 以上表 2 试验结果数据可以看出, 不同比例掺量的纳米材料对混凝土的抗冻性能影响不 同 掺入纳米材料能提高混凝土的抗冻性能, 如未掺纳米材料的试件与掺量为水泥用量 0.75% 的试件相比 随纳米材料掺量的增加混凝土的抗冻性能也有所增加, 如纳米材料掺量 为水泥的 0.75% 的混凝土试件与掺量为 1% 的混凝土试件相比 表 2 同时显示在纳米材料掺 量超过 1% 时, 混凝土的抗冻性能随纳米材料掺量的增加而有一定的下降, 如纳米材料掺量 [3-4] 为水泥的 1% 的混凝土试件和纳米材料掺量为 1.5% 的混凝土试件相比 图 1 直接显示了 纳米材料掺量占水泥用量 1% 是混凝土的抗冻性能最好 质量损失 冻融次数 图 1: 冻融次数与质量损失关系曲线 3. 结论 1) 当混凝土中纳米材料掺量占水泥用量 0.75% 时, 在流动度相同的条件下, 可减少混凝土用水量 5% 左右 2) 当混凝土中纳米材料掺量占水泥用量 1% 时, 可提高混凝土 3d,7d,28d 抗压强度 20%, 15%,10% 左右, 并进一步改善了混凝土的抗冻性能 3) 纳米材料能够填充水泥浆中的细小孔隙, 改善水泥石的孔结构和密实性, 从而提高

37 混凝土的抗冻性 参考文献 : [1] 周长严, 董锋, 张修亭等. 青岛海湾大桥桥梁混凝土耐久性设计方案研究 [J]. 海岸工程,2007,13(4):68-69 [2] 宋小杰. 纳米材料在新型混凝土材料中应用 [J]. 安徽建筑工业学院学报 ( 自然科学版 ),2007,15(4) :22-24 [3] 仲晓林, 李顺凯, 孙跃生等. 纳米粘土材料对水泥混凝土性能的影响 [J]. 混凝土,2005, (8) :62-63 [4] 丁信刚, 汪佳佳. 混凝土抗冻性能影响因素探讨 [J]. 浙江建筑,2007,24 (5) 50-52

38 粉煤灰分步提取铁 铝 硅的实验研究 王立久, 刘亚丽 ( 大连理工大学建筑材料研究所, 辽宁大连 ) 摘要 : 本文介绍了工业废弃物粉煤灰循环利用的一种新方法, 以 Na2CO3 作为助剂与粉煤灰混合均匀, 机械活化后中温煅烧 利用一定浓度的 H2SO4 溶液溶解烧结反应产物并过滤 通过调节滤液的 ph 值, 使铁 铝 硅分别以 Fe(OH)3 Al(OH)3 硅胶的形式先后沉淀, 实现分离提取 铁 铝 硅的提取率分别为 71% 35% 41% 利用 SEM TEM 对 SiO2 进行微观测试分析, 得出 : 所提取出的 SiO2 孔径分布均匀, 海绵状的网络结构相互交联 本实验为粉煤灰的高附加值工业化利用提供理论技术依据 关键词 : 粉煤灰 ; 硅 ; 铝 ; 铁 ; 分步提取 Experimental Study on Sequential Extraction of Mineral Iron, Aluminum, Silicon from Fly Ash Wang Lijiu Liu Yali (Building Materials Research Laboratory,Dalian University of Technology,Dalian ) Abstract: This paper reported a new method developed for recycling industrial waste fly ash, Na2CO3 was added for melting assistance, the mixture was activated first by grinding in the mill, and followed by 870 calcination. The products were dissolved then in the H2SO4 solution with different concentrations and filtered through a coarse frit to remove some insoluble matters. By adjusting the PH of the filtrate, Fe(OH)3, Al(OH)3 and silica gels were precipitated separately. The efficiency of the separation was calculated as 71% for Fe, 35% for Al and 41% for Si. In order to analyze further applications of the SiO2 precipitation, the morphology and microstructure of the samples were observed by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The results show the pore sizes of the samples distributes evenly and the sponge-like network homogeneously cross-linked. The experiments launched here are expected to be favorable for commercial use of the high valued fly ash products. Keywords: fly ash;silicon;iron;aluminum;sequential extraction 0 前言 我国粉煤灰综合利用始于建材领域, 至今已有 50 多年的历史, 积累了一系列生产 利用 作者简介 : 刘亚丽 (1987~), 大连理工大学建筑材料研究所硕士研究生通讯方式 : 辽宁省大连市凌工路 2 号理工大学建材所 (116024) 电子邮件 : liuya1227@163.com

39 和管理方面的经验 就全国而言, 生产建筑材料利用粉煤灰的量最大, 约占利用总量的 35%, 而且利用途径和方式也最多 在建设工程中的利用此类用灰量约占总用灰量 10%, 主要有 : 粉煤灰用于大体积混凝土, 泵送混凝土, 高低标号混凝土, 灌浆材料等 粉煤灰混凝土应用面极广, 在土木工程 水利工程 建筑工程以及预制混凝土制品和构件等方面都可广泛使用 粉煤灰在化工领域的应用从粉煤灰中提取高纯明矾用以合成矾土 粉煤灰制备 SiC 粉末及粉煤灰制取玻璃陶瓷等 [1] 从粉煤灰中提取单矿物是对粉煤灰精细利用的进一步研究, 利用粉煤灰提取出各类不可再生矿物资源对于工业废弃物的循环利用及资源的可持续发展均具有重要的理论和实际意义 本文将碳酸钠作为助剂对粉煤灰进行机械和化学活化从而改变其组分的晶相, 再利用酸碱联合法实现铁 铝 硅的分离提取, 并研究了不同反应条件对反应程度与溶解率的影响 1 实验原材料及实验方法 1.1 原料 粉煤灰 粉煤灰是燃煤电厂排出的工业废渣 经高温燃烧后的粉煤灰是多种矿物高分散度单体颗粒的集合体, 直径 1-~100μm 我国电厂排放的粉煤灰 90% 以上为低钙粉煤灰, 低钙粉煤灰的密度一般为 1800-~2600kg/m 3, 具有比表面积大 孔隙率高 活性高及吸附能力强的特点 粉煤灰大多数是一种白色或灰色粉状物料, 燃煤的组成 燃烧的条件与处理方法等因素, 决定了粉煤灰的组成和性质 [2] 粉煤灰的化学组成中硅含量最高, 其次是铝, 以复杂的复盐形式存在, 酸溶性较差 铁含量相对较低, 以氧化物形式存在, 酸溶性好 此外还有未燃尽的炭粒 CaO 和少量的 MgO Na2O K2O SO3 等 粉煤灰中的有害成分是未燃尽炭粒, 其吸水性大, 强度低, 易风化, 不利于粉煤灰的资源化 粉煤灰中的 SiO2 Al2O3 对粉煤灰的火山灰性质贡献很大,Al2O3 对降低粉煤灰的熔点有利, 使其易于形成玻璃微珠, 均为资源化的有益成分 本实验用粉煤灰为大连某电厂排放的的 Ⅰ 级粉煤灰, 其化学成分分析结果见表 1. 表 1 粉煤灰的主要化学成分 (%) SiO 2 Al 2O 3 CaO Fe 2O 3 TiO 2 SO 3 K 2O MgO P 2O 5 Na 2O SrO ZrO 2 总计

40 Q Q=Al 2 O 3 2SiO 2 M=SiO Q 300 Q M M Q Q M Q Q Q M Q Q Q Q 图 1 原状粉煤灰的 X 射线粉末衍射图原状粉煤灰的 X 射线粉末衍射图如图 1 显示, 其晶相物质主要为 Al2O3 2SiO2 莫来石, 其次含有少 SiO2 石英 图中的 馒头 型鼓峰表明, 存在非晶态的玻璃相 粉煤灰中绝大部分为玻璃微珠, 大小不一 ; 另外还可见到形状不规则, 海绵状的玻璃体, 称为 海绵玻璃体, 通常认为是在粉煤灰高温淬火后, 粘土矿物自粘度较高来不及形成形状完好的玻璃珠形 碳酸钠 实验所用碳酸钠为天津市科密欧化学试剂有限公司生产的分析纯 (AR) 片状固体, 其 中 Na2CO3 含量大于 99.8% 硫酸溶液 实验用硫酸为质量分数 98% 的浓硫酸与蒸馏水配置的合适浓度的 H 2 SO 4 溶液 氢氧化钠溶液 实验用氢氧化钠为分析纯氢氧化钠固体颗粒与蒸馏水配置的 1mol/L 的 NaOH 溶液 1.2 实验方法 [3] 碳酸钠作为助剂与粉煤灰按一定的比例混合均匀, 先后进行机械活化与高温煅烧 煅 烧后的反应产物通过加入 4mol/L 的 H2SO4 溶液, 使各类矿物盐类溶解于酸溶液中后过滤 其 后通过在滤液中加入 NaOH 溶液调节酸溶液 PH 值, 使溶于酸溶液的矿物铁 铝分别以氢氧化 铁 氢氧化铝的形式先后沉淀分离出来 然后在滤液中加入酸溶液调节 PH 值至 1-~2 并蒸发 浓缩多余水分, 使矿物硅以硅凝胶形式沉淀, 从而实现铁 铝 硅三矿物的单矿物提取分离 工艺流程如图 2 所示 :

41 工业粉煤灰 碳酸钠 机械混合 活化 中温活化 反应产物 4mol/L 的 H2SO4 滤渣 抽滤 滤液 1mol/L 的 NaOH 1mol/L 的 NaOH 滤液 抽滤 滤渣 Fe(OH)3 滤渣 Al(OH)3 抽滤滤液 1mol/L 的 H2SO4 蒸发浓缩 除盐 固体 SiO 2 图 2 粉煤灰分步提取矿物铁 铝 硅的工艺流程 1.3 测试表征 利用 XRD-6000 型 X 射线衍射仪对原状粉煤灰及粉煤灰与碳酸钠烧结后的产物进行物相 分析 ; 用 JSM-5600LV 型扫描电子显微镜 (SEM) 对反应产物进行测定分析 ; 用 JEM-100CX 型透射电子显微镜 (TEM) 对 SiO2 微观形貌进行观察 2 结果与讨论 2.1 粉煤灰的活化

42 2.1.1 机械活化 通过对粉煤灰中各种化学成分的物相分析得知, 从粉煤灰中提取各种矿物元素的关键在于转变各种矿物成分在粉煤灰中的物相, 提高其与酸碱反应的活性 粉煤灰与碳酸钠按一定的比例混合均匀后在高能球磨机中机械球磨活化, 机械力的作用可使硅氧四面体的硅氧键产生断裂, 向生成单个硅氧体方向移动并产生热量, 这部分热量也会导致热团聚效应, 这是从硅氧四面体结构层次理解机械力的粉碎作用 从结构分析角度 : 当机械热被分散或吸收时, 有利于聚合态的硅氧体向单个硅氧体分解, 当机械力的作用强于颗粒热团聚效应时, 也有利于这种破碎分解的进行 [4] 在机械力的作用下, 粉煤灰发生破碎分解同时与碳酸钠发生初步的反应 粉煤灰 - Na2CO3 体系分解反应的物相由 Al2O3,SiO2 的比例决定 : 当 Al2O3 过量,n(SiO2) n(al2o3)<2 1, 反应产物包括 NaAlSiO4 和 NaAlO2 ; 当 SiO2 过量, n (SiO2) n (Al2O3)>2 1, 反应产物包括 NaAlSiO4 和 Na2SiO3, 具体反应方程如式 (1)~(4) [3] 3Al2O3 2SiO2 + 3Na2CO3 = 2NaAlSiO4 +4NaAlO2 + 3CO2 (1) Al2O3 (liq) + 2SiO2 (liq) + Na2CO3 =2NaAlSiO4 + CO2 (2) Al2O3 (liq) + Na2CO3 = 2NaAlO2 + CO2 (3) (4) SiO2 (liq) + NaAlO2 = NaAlSiO 中温活化 机械活化后的混合物在马弗炉中 800 ~1000 下反应, 通过颗粒间的扩散, 发生固 - 固相间反应 粉煤灰中 SiO2 和 Al2O3 的质量分数为 87.78%, 主要物相为硅铝玻璃体和莫来石相 加酸难于将 Si O 网络中的 Ca,Fe 等除去, 加入 Na2CO3 助剂使其 Si O Si,Si O Al 网络结构发生破断, 由莫来石的链状结构转化成强键在三度空间均匀分布的 NaAlSiO4 架状结构, 非晶相结晶生成架状结构物质, 共价键转变成离子键, 其键型与键强被改变 [3] 本实验选用质量比粉煤灰 Na 2CO 3 = 1 0.8, 经 870, 保温时间 90 min 下进行反应, 反应产物的 X 射线衍射图谱见图 3, 衍射峰为霞石 NaAlSiO 4 的衍射峰 NaAlSiO

43 图3 粉煤灰与碳酸钠烧结产物的 粉煤灰与碳酸钠烧结产物的XX射线衍射图谱 2.2 H2SO4 溶液浓度的选择 扩散双电层观点认为[5],硅酸粒子表面带有负电荷有一定的ζ- 电势 当向反应产物中迅速 加入大于5mol/L H2SO4溶液时,生成的硅酸很快形成絮状的水合SiO2,从溶液体系沉淀出来,而 粉煤灰中未分解物质将被SiO2颗粒包覆起来,影响硅胶的纯度以及硅铝铁的分离效果 此时 H2SO4浓度的增大使得进入紧密层的反号离子增加,从而使分散层变薄,ζ-电势下降,硅胶粒子 之间发生凝聚,同时体系中SiO2质量分数大于1%,胶体粒子相互连接形成三维的网状结构[6] 当加入的H2SO4浓度为2 4 mol/l,硅酸尚不立即聚合成大分子sio2颗粒,体系以硅溶胶的形式 存在,由于H2SO4溶液的浓度较小,有助于胶粒带电形成ζ- 电势,使粒子之间因同性电的斥力而 不易聚结[6] 实验过程中分别选用相同体积不同浓度的H2SO4溶液分别与一定比例的烧结产物反应 发现现象如表2所示 又因为使用5mol/L H2SO4溶液时 所生成的溶液絮凝很快 不利于溶液 中硅铝铁的分离 故实验选用4mol/L H2SO4溶液 表2 不同浓度的 不同浓度的HH2SO4溶液与烧结产物的反应现象 2mol/L 反应现象 烧结产物溶解率 3mol/L 不剧烈 不完全 70% 不剧烈 较完全 77% 4mol/L 剧烈 较完全 82% 5mol/L 剧烈 完全 90% 2.3 提取矿物时溶液 PH 值的控制 在酸溶的过程中矿物铁与铝分别与H2SO4发生反应后以Al3+ Fe3+的形式存在于抽滤后的 滤液中 此时的溶液的PH值 1 为强酸环境 利用Al3+ Fe3+的不同PH沉淀范围在滤液中 加入NaOH溶液调节PH值至13 14使Fe3+ 形成 Fe(OH)3 沉淀 再利用H2SO4 溶液调节过滤 Fe(OH)3后的滤液的PH值至8 9使Al3+形成Al(OH)3沉淀 过滤Al(OH)3后的滤液继续加H2SO4 溶液值溶液的PH值至1 2 并加热蒸发掉溶液中大量水分 使硅胶达到一定的浓度从溶液中 析出 析出的硅胶包裹一部分的硫酸盐 在蒸馏水中反复洗涤除盐最终得到纯净的SiO2 2.4 实验提取矿物的微观结构分析 图 4 SiO2 固体粉末的 TEM 照片 图4为实验经过酸碱联合法从粉煤灰中提取的SiO2固体粉末的透射电子显微镜TEM照 43

44 片, 由图可见 SiO2 的微观结构呈海绵状, 空洞大小约为 5~20nm 之间, 孔径分布均匀和网络结构相互交联 但有部分区域图像色泽较暗, 孔径分布不清晰 出现这一现象的主要原因是透射电镜样品制备时对 SiO2 固体粉末的加工不均匀, 样品在有机溶剂中的分散不均匀, 导致测试结果有偏差 图 5 SiO 2 固体粉末的 SEM 照片图 5 为 SiO2 固体粉末的扫描电子显微镜 SEM 照片, 由图可见 SiO2 固体由大小较为均匀的颗粒组成, 结构密实稳定 3 结论 (1) 提取粉煤灰中的矿物关键在于提高各矿物的反应活性, 通过添加碳酸钠助剂经机械与中温两个活化过程, 可使得粉煤灰中的莫来石相转变为霞石相 (2) 粉煤灰与碳酸钠质量比为 1:0.8,870 下反应 90min, 反应发生完全, 粉煤灰晶相转变程度最优 (3) 实验酸浸反应所用 H2SO4 溶液最优为 4mol/L, 此浓度下反应程度与溶解率达到最优 (4) 利用酸碱联合法经计算本实验铁 铝 硅的提取率分别为 71% 35% 41% 4 展望 本文在实验的基础上对粉煤灰提取铁 铝 硅作出了初步的研究与探讨, 并得出以上几点结论 但由于工艺上的不完善实验所得各物质的提取率不够理想, 需进一步改进和完善各个环节的工艺流程在保证提取物纯度与质量的前提下尽量提高提取率, 提高粉煤灰的高附加值利用率 参考文献 [1] 赵峰. 浅谈粉煤灰的利用 [J]. 山西建筑, 2010,36(6): [2] 袁春华. 粉煤灰的特性及多种元素提取方法研究 [J]. 广东化工,2009,11: [3] 王蕾, 马洪文. 利用粉煤灰制备高比表面积二氧化硅的实验研究 [J]. 硅酸盐通报,2006(2): 3-7 [4] 王晓钧, 陈悦, 周洪庆等. 粉煤灰机械研磨过程中硅氧四面体结构的变化趋向 [J]. 硅酸盐学报,2001,(8): [5] 沈钟, 王国庭. 胶体与表面化学 [M]. 北京 : 化学工业出版社,2003. [6] 王星东, 王亚军, 杨武利. 纳米沸石胶体化学性质的研究 [J]. 化学学报,2003,3:

45 混凝土氯离子渗透试验研究 叶其业, 杜乃红 ( 天津塘沽区滨海建筑工程质量检测中心, 天津 ) 摘要 : 本文通过对检测混凝土抗氯离子渗透性能的两种试验方法 ( 渗透系数 RCM 法和电通量法 ) 的对比研究, 提出了采用初始电流测电通量的试验方法和电通量渗透系数综合测定的方法 关键词 : 渗透系数 RCM 法 ; 电通量法 ; 初始电流 ; 试验方法 Experiments Study on Concrete anti-chloride ion penetration performance Abstract: Through the Contrast study of two test methods of Concrete anti-chloride ion penetration performance chloride diffusion coefficient (DRCM) and electric flux (Qc), the article proposed the method that using initial current to calculate electric flux and synthetic method to test Electric Flux and Permeability experiment, which can be good for indicators consistency and practical comparative application. Key words: chloride diffusion coefficient (DRCM);electric flux (Qc); 1 前言 钢筋混凝土结构是目前用应最为广泛的结构形式, 它充分结合了混凝土和钢筋两者的优点, 是一种相对节能 经济的人工材料, 在建筑工程中得到了广泛应用 但是大量混凝土工程实例说明, 大量钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前失效, 达不到预定的服役年限 这其中主要是由于结构的耐久性不足导致的 钢筋混凝土结构在一定条件下是相对耐久的 然而, 随着时间的推移和环境的急剧恶化, 钢筋混凝土结构暴露出了越来越严重的耐久性问题 有关专家也明确指出我国混凝土破坏的主要原因是 南锈北冻 根据对混凝土结构耐久性综合调查结果表明, 在北方, 不仅存在冻害也同样存在严重的锈蚀 因此, 可以进一步将 钢筋锈蚀 排在影响混凝土耐久性因素的首位, 而来自海洋环境和使用除冰盐中的氯离子, 又是造成钢筋锈蚀的主要原因 在混凝土实际工程中, 造成钢筋锈蚀的氯离子的主要来源分为内在的和渗入的两方面, 即 : 组成混凝土的原材料 ( 砂石 水泥 外加剂 水 掺合料 ) 及施 45

46 工过程中带入的内在方面, 和更主要的, 在氯盐环境中, 通过混凝土表面渗入的氯离子环境因素 为此, 在我国各行业现行的混凝土设计 生产和施工验收规范中, 均对混凝土原材料及混凝土本身氯离子限值提出了具体严格规定 ( 见表 1 和表 2), 有效地降低混凝土内部自身的氯离子含量, 从而防治钢筋锈蚀的发生 另一方面, 对不同环境条件下的混凝土的抗氯离子渗透性能提出了明确要求 ( 见表 3), 以提高抵御氯离子渗透的能力, 延长或避免引起钢筋锈蚀而造成结构破坏 本文结合工程施工, 对混凝土抗氯离子渗透试验研究和归纳总结, 对渗透性试验中的一些问题进行了分析和建议, 以供研究参考 表 1 我国标准中对混凝土原材料中氯离子限值的规定 材料名称 标准 标准代号 氯离子限量 水泥 硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 GB % 客运专线高性能混凝土暂行技术条件 ( 试行 ) 0.20%( 钢筋混凝土 ) 0.06%( 预应力混凝土 ) 砂 普通混凝土用砂 石质量及检验方法标准 JGJ 素混凝土, 不予限制 ; 钢筋混凝土, 含量 砂质量的 0.06 %; 预应力混凝土含量 0.02 % 建筑用砂 GB/T I 类砂 0.01%, 宜用于强度等级大于 C60 的混凝土 ; II 类砂 0.02%, 宜用于强度等级 C30~C60 及抗冻 抗渗或其他要求的混凝土 ; III 类砂 0.06 %, 宜用于强度等级小于 C30 的混凝土和建筑砂浆 海港工程混凝土结构防腐技术规范 JTJ 钢筋混凝土 <0.07%, 预应力混凝土 <0.03% ( 占水泥质量百分比 ) 水运工程混凝土施工技术规范 JTJ 石 无规定 水 混凝土用水标准 JGJ 63 素混凝土, 3.5g/L ; 钢筋混凝土 1.2g/L ; 2006 预应力混凝土 0.5g/ L, 用钢丝或经热处理钢筋, 0.35g/ L 生活饮用水可用于拌制各种混凝土; 海水可用于拌制素混凝土, 不得用于钢筋混凝土和预应力混凝土, 不应用于有饰面要求的混凝土 外加剂 混凝土外加剂 GB8076- 不超过生产厂控制值相 2008 混凝土外加剂应用技术规范 GB 氯离子含量不大于水泥质量的 0.6 %; 素混凝土, 氯离子含量不大于水泥质量的 1.8 %; 预应力混凝土结构等部位不得使用含有氯盐配制的早强剂及早强减水剂. 46

47 掺 用于水泥和混凝土中的粉煤 GB 1596 无规定 合 灰 2005 料 用于水泥和混凝土中的粒化矿 GB/T18046 不大于 0.06% 渣微粉 高强高性能混凝土用矿物外加 GB/T18736 不大于 0.02 % 剂 铁路混凝土结构耐久性设计暂 铁建设 水泥 0.10%( 钢筋混凝土 ) 行规定 [2005] %( 预应力混凝土 ) 号 矿物掺合料 ( 粉煤灰 矿粉 硅粉 ) 0.020% 砂 石 0.020% 外加剂 0.20% 混凝土用水同 JGJ 表 2 我国标准对混凝土中氯离子限值的规定 标准 标准代号 氯离子限量 混凝土结构设计规范 GB 室内正常环境下的钢筋混凝土, 最大氯离子含量为水泥用量的 1.0 %( 一类环境 ); 室内潮湿环境, 非严寒和非寒冷地区的露天环境 与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境下的钢筋混凝土, 最大氯离子含量为水泥用量的 0.3 %( 二 a 类环境 ); 严寒和寒冷地区的露天环境 与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境下的钢筋混凝土, 最大氯离子含量为水泥用量的 0.2 %( 二 b 类环境 ); 使用除冰盐的环境, 严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境, 滨海室外环境下的钢筋混凝土, 最大氯离子含量为水泥用量的 0.1 %( 三类环境 ); 预应力混凝土构件, 最大氯离子含量为水泥用量的 0.06 % 预拌混凝土 GB/T 素混凝土, 最大氯离子含量为 2.0 %; 室内正常环境下的钢筋混凝土, 最大氯离子含量为 1.0 %; 室内潮湿环境, 非严寒和非寒冷地区的露天环境 与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境下的钢筋混凝土, 最大氯离子含量为 0.3 %; 严寒和寒冷地区的露天环境 与无侵蚀性的水或土壤直接接触的环境下的钢筋混凝土, 最大氯离子含量为 0.2 %; 使用除冰盐的环境, 严寒和寒冷地区冬季水位变动的环境, 滨海室外环境下的钢筋混凝土, 最大氯离子含量为 0.1 %; 预应力混凝土构件及设计使用年限为 100 年的室内正常环境下的钢筋混凝土, 最大氯离子含量为 0.06 % 混凝土结构耐久性 CCES 01 水溶氯离子量在试配中应经过检测 ( 检测时的混凝土龄期 28 天 ) 设计与施工指南 并满足以下要求 : 1. 对于钢筋混凝土构件, 在氯盐环境下应尽可能低 ; 在无氯盐的潮湿环境下应不超过胶凝材料重的 0.15%( 对桥梁等基础设施工程宜不超过 0.08%), 在无氯盐的干燥环境下应不超过胶凝材料重的 0.3%( 对桥梁等基础设施工程宜不超过 0.15%) 2. 对于预应力混凝土, 不超过胶凝材料重的 0.06% 47

48 海港工程混凝土结构防腐技术规范 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定 混凝土结构耐久性设计规范 JTJ 铁建设 [2005]157 号 GB/T 如己检测混凝土各种原材料 ( 水泥 矿物掺和料 砂石骨料 外加剂与拌和用水 ) 中的氯离子含量, 且其总和不超过上述数值的 1.2 倍时, 则可不再检测混凝土中的氯离子量 当用酸溶法测定氯离子浓度时, 其允许的限值可比上述水溶限值高 1/3 对预应力混凝土和钢筋混凝土分别规定混凝土拌和物中氯离子的最高限值 ( 以胶凝材料质量百分率计 ) 为 0.06 % 和 0.1 %. 钢筋混凝土结构的混凝土氯离子总含量 ( 包括水泥 矿物掺和料 粗骨料 细骨料 水 外加剂等所含氯离子含量之和 ) 不应超过胶凝材料总量的 0.10%, 预应力混凝土结构的混凝土氯离子总含量不应超过胶凝材料总量的 0.06% 环境等级 I-A I-B I-C Ⅲ Ⅳ Ⅴ 构件类型 -CDEF -CDE -CDE 钢筋混凝土 0.3% 0.2% 0.15 % 0.1% 0.1% 0.15 % 预应力 0.06%( 对重要桥梁等基础设施, 各环境下 <0.08%) 表 3 我国的现行标准对混凝土抗氯离子渗透性指标和试验方法 行业标准名称标准号耐久性指标氯离子渗透性指标 说明 要求 使用年 100 年 60 年以下 和试验方法 铁路 铁路混凝土结 限 基本要求 C 电通量 C(56 天 ) 构耐久性设计 暂行规定 C35~C C 氯盐 L L2L 化学环境 H1H H3H ASTM C 其它冻融 / / / 公路工 公路工程混凝 JTG/TB 氯盐环境 D 级 7 10 氯离子扩散系数 程 土结构防腐技 2006 E 级以上 4 6 DRCM(28 天, 术规程 10-12m2/s) 法 RCM 水运工 水运工程混凝 JTJ 暴露于浪 高性能混凝 1000 电通量 C(28-35 天 ) 掺掺合 程 土结构防腐技 溅区 土 ASTM C 料 90 天 术规程 建设部 混凝土结构 GB/T 环境作用 D 7 10 RCM 法氯离子扩 耐久性设计规 2008 等级 E 4 6 散系数 DRCM(28 范 天,10-12m2/s) 中国土 混凝土结构 CCES 01 - 氯化物 D 7 10 RCM 法氯离子扩 木工程 耐久性设计与 2004 <1200 <1500 散系数 DRCM(28 学会 施工指南 E 5 7 天,10-12m2/s) <800 <,1000 和电通量 C(28d) F 4 5 ASTM C

49 <800 <800 建设部 混凝土耐久 JGJT 抗氯离子 RCM 等级 RCM- 4.5 RCM 法氯离子 性检测评定方 渗透等级 Ⅰ 扩散系数 法 划分 RCM- 3.5,<4.5 DRCM(84 天, Ⅱ 10-12m2/s) RCM- 2.5,<3.5 Ⅲ RCM- 1.5,<2.5 Ⅳ RCM- <1.5 Ⅴ 电通量等级 Qc-Ⅰ 4000 电通量 C(28d) Qc-Ⅱ Qc-Ⅲ Qc-Ⅳ Qc-Ⅴ 2000, < , < ,<1000 <500 当掺矿合料占 50% 时,(56d) 2 混凝土 Cl 渗透性的试验研究 2.1 混凝土氯离子渗透性试验方法 根据表 3, 可以看出, 在我国的现行标准中对混凝土耐久性的指标中, 氯离子渗透性的检测采用电通量法和 RCM 渗透系数法两种, 本文也是对这两种方法的研究 1) 电通量法电通量法于 1983 年被美国公路运输局定为标准试验方法, 即 AASHTO T277, 紧接着又被美国试验与材料协会 ASTM 选定为标准试验方法 试验的具体方法 : 50mm 厚,100mm 直径的水饱和混凝土试件, 两端水槽所用溶液分别为 3.0 %NaCl 和 0.3M NaOH, 在 60V 的外加电场下持续通电 6 小时, 以该时间内通过混凝土电量的高低来判断混凝土的抗氯离子渗透能力 2) 渗透系数 (RCM) 法渗透系数 (RCM) 法是 Tang Luping 等基于 Nernst - Planck 方程, 首先从理论建立了浓度 通量 渗透深度 渗透系数之间的关系, 进而进行了试验验证 49

50 其中,Tang Luping 的试验方法已经被欧盟广泛接受, 并推荐为欧盟规范 具体方法是 : 采用 30V 直流电, 加速氯离子的渗透, 劈裂试件测量氯离子的渗透高度, 计算渗透系数 2.2 研究过程本文的试验研究是结合工程施工中进行的配合比设计或 / 和过程检测进行的, 涉及铁路 水运 公路和房屋建筑等行业和多个工程, 因而具有一定的代表性 主要研究内容如下 : 1) 电通量试验时, 研究了电流和电通量的关系 ; 2) 对比电通量试验时的电通量和渗透系数的关系 ( 即对所有电通量试验后的试件都进行劈裂和按 RCM 法测定电通量试验后的氯离子渗透系数 ); 同时, 为了解通电时间对渗透系数的影响, 安排部分试件在电通量试验结束后继续通电到 RCM 法的时间 ; 3) 研究电流和氯离子渗透系数的关系 ; 4) 用同组试件研究了电通量和 RCM 法渗透系数的关系 ; 5) 研究龄期对氯离子渗透性能的影响 ( 说明 : 为了便于研究, 文中的数据都是采用单个试件的检测值 ) 2.3 数据的统计分析文中数据, 电通量的单位均为 (c), 渗透系数 DRCM 均为 m 2 /s, 电流均为 ma. 1) 初始电流和电通量共进行了 59 个的电通量试验, 龄期从 7 天至 190 天, 强度等级从 C35 至 C50 如式 和图 是电通量和初始 终了及平均电流的统计分析结果 : y=21.72x+0 ( r=0.998 ) (1) y=22.87x+0 ( r=0.998 ) (2) y=22.30x+0 ( r=0.999 ) (3) 50

51 初始电流 - 电通量 电通量 电通量 初始电流 图 1 初始电流 电通量关系 电通量 终电流 - 电通量关系 终电流 图 2 终了电流 电通量关系 平均电流 - 电通量 图 3 平均电流 电通量关系 从上式和图可以看出, 采用电流 - 电通量的回归系数均达 0.998, 相关性极好 采 用初始电流直接测量电通量是可行的 51

52 2) 电通量 渗透的关系 a 对同组试件 (40 组 ) 同时进行了电通量和渗透试验, 两者的关系入式 (4) 和图 4 所示 y= x+0 (r=0.954) (4) 电通量 电通量 - 渗透关系 渗透系数 图 4 渗透系数 - 电通量关系图 b 对 37 组电通量试验时, 同时对试件进行渗透测试, 得出电通量试验时的电通量 - 渗透 ( 电通量时 ) 渗透(RCM 法 )- 渗透 ( 电通量时 ) 的关系, 如式 (5) (6) 和图 5 图 6 渗透 ( 电通量时 )(x) 电通量 y: y= x + 0 ( r= ) (5) 渗透 ( 电通量时 ) 渗透 (RCM 法 ): y= x+0 (r=0.932) (6) 电通量时渗透 ( DTS)- 电通量 电通量 电通量时渗透 ( RCM) 图 5 渗透 ( 电通量时 )- 电通量关系 52

53 电通量时的渗透 - 渗透 (RCM) 渗透 (RCM) 电通量时渗透 (DTS) 图 6 渗透 ( 电通量时 ) 渗透 (RCM 法 ) 从上述可以看出, 三种情况下 ( 即 :1 同组试件同时检测 2 一组试件电通量试验后即劈裂测定渗透系数 3 同组试件, 其中一组试件电通量试验后即劈裂测定渗透系数和一组直接测定渗透系数 ) 所得的电通量和渗透系数的关系都较好, 相关性也大致相同 但是, 进行定量划分混凝土抗氯离子渗透性能等级时, 两者之间则相差很大, 应进行进一步研究 3) 电通量和渗透试验时两者初始电流值的关系 a 电通量试验时电压变化后的电流变化因为电通量试验时的电压是 60v, 而渗透试验时则需根据初始电流的不同而采用不同电压, 一般多用 30V 式 (7) 和图 7 是同一块试件用电通量法分别测 30V 和 60V 的初始电流 y= x+0 (r=0.9995) (7) 电流关系 电流关系 图 7 电通量 - 渗透时初始电流关系 从上述可看出, 电通量试验时, 电压变化时初始电流也是按一定规律变化, 53

54 但与电阻的性质不同, 电压和电流的变化比例不是 1:1 而是约为 1:0.852 b 同组试件电通量和渗透试验时的初始电流关系式 (8) 和图 8 是 37 组试件同时进行电通量和渗透 (30V) 试验时的两者初始电流关系 y= x + 0 (r=0.994) (8) 电通量电流 - 渗透电流 电通量时电流 渗透试验时电流 图 8 电通量和渗透 (30V 30V) 试验时的初始电流对比可以看出, 两者的初始电流关系明显, 因而可以从渗透试验时的初始电流计算电通量的初始电流 4) 电通量 渗透与龄期的关系在配合比设计时, 进行了不同龄期的电通量和渗透系数的测试, 并采用 origin8 进行拟合, 两者与龄期的关系分别如式 (9) (10) 和图 9 10 电通量与龄期 : y= *exp(-x/8.648) ( r=0.969 ) (9) 渗透 ( 电通量试验时 ) 和龄期 : y= exp ( -x/7.262 ) (r=0.937) (10) 54

55 电通量 -- 龄期 3500 电通量 单 单 单 保 保 保 港 时间 d 图 9 电通量和龄期的关系 龄期 - - 渗透 ( 电通量时 ) 系数 3 5 渗透系数 时间 d 单 单 单 保 保 保 港 图 10 渗透 ( 电通量试验时 ) 和龄期的关系 3 结果与讨论 通过上述实验数据的统计分析, 可以得出 : 1) 电通量试验时, 电流和电通量存在良好的线性关系, 因此可以采用初始电流按式 (1) 计算电通量, 这样可以简化实验过程, 实现快速的检测 这也为大量的类似实验研究所验证 2) 电通量和渗透系数之间存在一定的线性关系, 但许多资料统计结果均有差别, 如采用电通量来计算渗透系数, 还需积累数据和进一步验证 3) 电通量试验后按 RCM 法测得的渗透系数分别与电通量和渗透系数两者都具有较好的相关性, 见式 (5) (6) 然而, 电通量试验后按 RCM 法测试的渗透系数明显大于 RCM 法测得的渗透系数, 本人认为主要原因是通电时间问题 同时, 根据 1), 可以得出初始电流大, 电通量也必然大, 此试件用 RCM 法测定时, 初始电流也一定偏大, 按规范的试验方法, 需根据初始电流划分不同等级而确定通电 ( 试验 ) 时间 那么 : a 成倍减少了通电( 试验 ) 时间, 对试件的氯离子渗透高度影响如何呢? 55

56 可以肯定的是渗透高度不会成倍减少 b RCM 法渗透系数的计算中, 渗透系数 D RCM,0 与通电时间 t 和渗透高度 X d 存在如下关系 : D RCM,0 (X d -ax 1/2 d )/t 那么对于初始电流小的试件, 因减少通电时间, 必然使计算的渗透系数数值偏大 ; c 关于 RCM 法测定时, 根据初始电流不同划分不同等级而确定通电 ( 试验 ) 时间 有关这方面的资料较少, 有待于进一步研究 4) RCM 法进行渗透试验时的初始电流和电通量试验时的初始电流存在很好的相关性, 采用渗透试验的初始电流, 并按式 (9) 和式 (1) 计算电通量, 与实测电通量的比较如图 11 可以看出, 两者吻合性良好 因此, 可以采用 RCM 法渗透试验时的初始电流计算电通量 从渗透初始电流计算电通量和实测电通量 计算值实测值 图 11 RCM 法渗透试验时的初始电流计算电通量和实测电通量对比 5) 可以采用式 (11) 和 (12) 来预测混凝土不同龄期的电通量和渗透系数, 以满足施工进度和提前质量控制要求 6) 建议采用综合法进行电通量和渗透试验, 即 : 试验采用 RCM 法渗透试验的介质和装置, 试验电压和时间统一为 6h 和 60V, 并测定初始电流, 用初始电流计算电通量 ; 用劈裂法测定渗透系数 从而使两者统一 参考文献 : [1] 赵国藩, 金伟良, 贡金鑫. 结构可靠度理论 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2000. [2] 金伟良, 赵羽习. 混凝土结构耐久性 [M[. 北京 : 科学出版社, [3] 天津经济技术开发区建设工程管理中心网 ( [4] 陈肇元. 结构安全性与可靠度设计方法 [C]. 土建结构工程的安全性与耐久性科技论 56

57 坛 [5] 水利水电科学研究所. 全国水工建筑物耐久性及病害处理调查报告,1986 [6] 万德友. 我国铁路桥梁病害浅谈及对策 [C]. 中国铁道学会桥梁病害诊断及剩余寿命评估学术讨论会, 大连,1995 [7] 混凝土结构设计规范 GB [8] 混凝土结构耐久性设计与施工指南 CCES [9] 海港工程混凝土结构防腐技术规范 JTJ [10] 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定铁建设 [2005]157 号 [11] 混凝土结构耐久性设计规范 GB/T 电子邮件 57

58 膨胀剂对水泥孔道压浆性能的影响研究 伍春莺 1, 赵爽 2, 邱建华 2 2, 叶建雄 (1 重庆市沙坪坝区建设工程质量监督站, 邮编 重庆大学材料科学与工程学院, ) 摘要 : 研究了不同水灰比条件下膨胀剂掺量对孔道压浆泌水性能 膨胀性能 强度的影响, 试验结果表明 : 未掺加膨胀剂的水泥浆体出现较大的收缩且水灰比越大, 收缩也越大 ; 水泥浆的泌水率随着水灰比的增加而提高, 当水灰比大于 0.45 时,24h 时水泥浆中的泌水均未能被重新吸回 ; 水泥浆的自由膨胀率随着膨胀剂掺量的提高而增加, 强度则随着膨胀剂掺量的提高而逐渐下降 关键词 : 膨胀剂 ; 孔道压浆 ; 泌水率 ; 膨胀率 ; 力学性能 Research on the influence of expansi xpansion admixture on properties of cement channel grout Wu Chun-ying 1, Zhao Shuang 2, Qiu Jian-hua 2, Ye Jian-xiong 2 (1. Supervisory Station of Construction project Quality; Shapingba District of Chongqing; Chongqing, , P.R. China; 2. College of Material Science and Engineering, Chongqing University; Chongqing, , P.R. China) Abstract: Research on the effect of different expansion admixture dosage on the bleeding, swelling and strength properties of channel grout under different water-cement ratio, the results show that: the cement paste without expansion admixture exhibited a greater shrinkage, and the higher the ratio the greater the shrinkage; the bleeding rate of cement paste increases with the improvement of cement water ratio. When water-cement ratio is not greater than 0.45, the cement slurry don t appear bleeding phenomena during 24-hour; the free expansion of cement paste increased with the expansion admixture dosage increasing, while the strength gradually decreased as the expansion admixture dosage increased. Key words: expansion admixture; channel grout; bleeding rate; expansion rate; mechanical properties 0 引言孔道压浆是后张法预应力混凝土结构施工中最重要的环节之一, 压浆质量的好坏直接影 响到预应力混凝土结构在使用过程中的安全性和耐久性 后张法预应力灌浆材料是确保预应 力钢绞线不锈蚀, 使后张预应力钢绞线与整体结构连结成一体的一种关键性材料 [1] 孔道压 浆可以把预应力筋封闭在碱性环境里, 防止钢筋锈蚀 在预应力筋和结构混凝土之间提供粘 结力 维持钢筋预应力 将预应力传递至混凝土结构 保证构件的完整性等 [2-3] 孔道压浆所 采用的水泥浆属于无集料灌浆材料, 由于没有集料的约束, 收缩幅度大 水泥浆的收缩会导 致预应力筋和灌浆料之间形成空隙 体系内部产生裂缝 加速外部有害离子的入侵 水泥石 产生变形等严重影响了结构的正常使用 针对灌浆材料收缩大的情况, 通常采取向其中添加 膨胀组分以补偿或控制其收缩 目前, 膨胀剂被应用于水泥胶凝材料中所起到的效果并不是 58

59 完全如人所愿, 甚至是负面的, 主要原因是在工程应用过程中未正确理解膨胀剂在水泥胶凝 材料中的作用机理使用不当所致 [4] 本文主要研究了膨胀剂的掺量对灌浆材料的泌水性能 膨胀性能 强度的影响, 以便确定膨胀剂的合理掺量, 提高常规压浆法孔道压浆的质量 1 实验材料及方法 1.1 原材料 水泥 : 重庆拉法基水泥厂生产的 42.5R 普通硅酸盐水泥, 其化学成分和物理力学性能见 表 1 和表 2 减水剂 : 重庆远吉高新建材科技有限公司生产的 FG- 复合高效减水剂, 推荐掺量 0.5~ 1.5%, 主要技术指标见表 3 膨胀剂 : 重庆江北特种建材有限公司生产的 ZY-1 型膨胀剂, 推荐掺量 8~12%, 其主要 技术指标见表 4 表 1 水泥的化学成分分析 Tab.1 the chemical component analysis of cement 化学成分 SiO2 Fe2O3 AL2O3 CaO MgO SO3 总碱量烧失量 含量 (%) 细度 (%) 标准稠度 (%) 表 2 水泥的物理力学性能 Tab.2 the physical mechanics of properties of cement 初凝时间 终凝时间 min 240min 减水率 (%) 安定性抗压强度 (MPa) 抗折强度 (MPa) ( 饼法 ) 3d 7d 3d 7d 未见裂纹 未见翘曲 表 3 FG- 复合高效减水剂的技术指标 Tab.3 the main technical parameters of FG composite super plasticizer admixture 泌水率 (%) 含气率 (%) 凝结时间差 (min) 抗压强度比 (%) 总碱量 初凝时间终凝时间 3d 7d 28d (%) 限制膨胀率 (%) 水中 表 4 ZY-1 型膨胀剂的主要技术指标 Tab.4 the main technical parameters of ZY-1 expansion admixture 空气中 抗压强度 (MPa) 抗折强度 (MPa) 初凝时间 (min) 终凝时间 (h) 细度 (%) 7d 28d 21d 7d 28d 7d 28d 0.08mm 筛余 实验方法 按 公路桥涵施工技术规范 (JTJ ) 标准中的规定执行 [5] 2 实验结果及分析实验研究了水灰比分别在 和 0.50 的条件下, 膨胀剂掺量分别为 8% 10% 和 12% 时对浆体性能的影响 减水剂的掺量是在满足施工流动性 (14S~18S) 前提下, 经调整后确定的用量 实验结果见表 5- 表 8 表 5 水灰比为 0.35 时膨胀剂对浆体性能的影响 Fig.5 Influence of expansion admixture on the properties of cement slurry when w/c=0.35 编号膨胀剂 3h 泌水率 24h 泌水率 3h 膨胀率 24h 膨胀率 28d 强度 59

60 (%) (%) (%) (%) (%) (MPa) E E E E 表 6 水灰比为 0.40 时膨胀剂对浆体性能的影响 Fig.6 Influence of expansion admixture on the properties of cement slurry when w/c=0.40 编号 膨胀剂 3h 泌水率 24h 泌水率 3h 膨胀率 24h 膨胀率 28d 强度 (%) (%) (%) (%) (%) (MPa) E E E E 表 7 水灰比为 0.45 时膨胀剂对浆体性能的影响 Fig.7 Influence of expansion admixture on the properties of cement slurry when w/c=0.45 编号 膨胀剂 3h 泌水率 24h 泌水率 3h 膨胀率 24h 膨胀率 28d 强度 (%) (%) (%) (%) (%) (MPa) E E E E 表 8 水灰比为 0.50 时膨胀剂对浆体性能的影响 Fig.8 Influence of expansion admixture on the properties of cement slurry when w/c=0.50 编号 膨胀剂 3h 泌水率 24h 泌水率 3h 膨胀率 24h 膨胀率 28d 强度 (%) (%) (%) (%) (%) (MPa) E E E E 泌水率是指在规定的时间间隔内, 水泥浆泌出水的体积和试验开始时水泥浆体积的比值, [6-8] 是水泥浆体一种比较重要的性能指标 泌水会改变混凝土的内部均匀性, 使得浆体强度降 低 ; 泌水时, 水分上升, 会在浆体的表面形成一层浮浆层, 浮浆层由于水灰比大, 浆体强度 低, 抵抗收缩的能力低, 容易产生裂纹 ; 泌水会在钢筋的下方形成空隙, 导致钢筋和水泥石 的粘接力下降 ; 泌水会形成很多泌水孔道, 不利于水泥石的抗渗性 从以上表中可以得出 : 当水灰比小于 0.45 时, 水泥浆的泌水在 24 小时内均被重新吸回 当水灰比大于 0.45 时, 经 24 小时后浆体表面还有一定程度的泌水 这主要是由于随着浆体水灰比的增大, 用水量增多, 浆体中自由水的含量增多, 不能在规定的时间内重新吸回, 但随着膨胀剂的掺入能大幅度降 低浆体的泌水性 水泥浆不但要有良好的抗泌水性, 在灌浆后还应当保持体积的稳定 水泥浆的早期变形 [9] 主要是由于水泥水化时的化学减缩和水分散失引起的 由表 5- 表 8 可以看出, 水灰比增加, 水泥浆的泌水率增大 当水灰比一定时, 随着膨胀剂掺量的增加, 相对于未加膨胀剂的水泥 浆来讲, 收缩性能有改善 从实验中可以看出, 当水灰比为 0.35, 膨胀剂掺入 10% 时, 水泥 60

61 浆的 24h 膨胀率相对于未掺膨胀剂的水泥浆增加了 3.3%, 膨胀胀剂掺量增加至 12% 时,24h 膨胀率仅增加了 0.2%; 当水灰比为 0.40 时, 膨胀剂掺入 10% 时, 水泥浆的膨胀率增加了 4.5%, 膨胀胀剂掺量增加至 12% 时,24h 膨胀率基本趋于稳定, 因此膨胀剂的掺量并不是越多越好 通过适当掺加膨胀剂, 在灌浆料中引入膨胀组分, 使浆体在限制空间下产生膨胀压力 补偿 浆体由于水泥水化收缩而引起的拉应力, 使得水泥浆在凝结前表现为宏观体积的膨胀, 将预 应力孔道弯曲处和预应力钢筋之间的小缝隙填满, 改善浆体硬化后的力学性能和耐久性, 对 于后张法预应力结构的孔道压浆来说是十分必要的 掺入膨胀剂后, 水泥浆体硬化后的强度随着水灰比的增加而减小 水灰比由 0.35 增加至 0.50 时, 水泥浆 28d 的强度下降了 31% 当水灰比不变时, 随着膨胀剂掺量的增加, 强度也 逐渐降低 从实验中可以看出, 相对于未掺膨胀剂的水泥浆, 当水灰比为 0.40, 膨胀剂掺量 为 8% 时, 水泥浆的强度增加了 4.6%; 膨胀剂掺量为 10% 时, 水泥浆的强度增加了 3.1%; 而 膨胀剂掺量为 12% 时, 水泥浆的强度却降低了 7.7% 膨胀剂掺量在一定范围内可补偿水泥浆 体的收缩, 但掺量过多强度降低的很明显 由于孔道压浆采用的是水泥净浆, 缺少了集料的 限制, 更接近于非限制膨胀, 造成浆体的密实度降低, 导致强度降低 从本次试验中可以看 出, 当膨胀剂的掺量超过 10% 时, 水泥浆的强度下降明显 3 结论 1) 水泥浆泌水率随着水灰比的提高而增加, 膨胀剂的掺入能有效的降低浆体的泌水性能 ; 当水灰比小于 0.45 时, 水泥浆 24 小时后表面的泌水均能被重新吸回 2) 当水灰比一定时, 随着膨胀剂掺量的增加, 浆体的自由膨胀率也逐渐提高, 可以在水 泥浆体的塑性阶段产生适当的膨胀, 从而有效的补偿水泥浆在水化硬化过程中的收缩, 使后 张预应力钢绞线与整体结构能更有效的连结成一体 3) 水泥浆的抗压强度随着膨胀剂的掺量的增加有所降低 在本试验条件下, 当膨胀剂的 掺量超过 10%, 水泥浆的强度下降明显 参考文献 [1] 吴士金, 朱少钱. 后张法有粘结预应力混凝土灌浆用膨胀剂的试验研究 [J]. 公路交通技术,2009(3): [2] 文梓芸, 钱春香, 杨长辉. 混凝土工程与技术 [M]. 武汉 : 武汉理工大学出版社,2004. [3] 施颖. 浅谈预应力混凝土连续箱梁桥设计 [J]. 华东公路.2002(5): [4] 陶新明. 掺膨胀剂水泥基胶凝材料膨胀率的影响因素 [J]. 建筑材料.2009(5). [5] 路桥集团第一公路工程局主编. 公路桥涵施工技术规范 (JT/J ) [S]. 人民交通出版社.2000 [6] 王栋民, 张守祺等. 水泥 - 膨胀剂 - 粉煤灰复合胶凝材料膨胀与强度发展的协调性研究 [J]. 混凝土.2010(1):1-6. [7] 杨长辉, 王海阳, 王冲等. 混凝土的自生变形及其测定方法评述. 混凝土与水泥制品.2004(2): [8] 王国庆, 郑晓东. 预应力孔道真空压浆质量控制 [J]. 内蒙古科技与经济.2010(1): [9] 张弛, 袁晓露等. 矿物掺合料与高效减水剂对水泥基材料流变性能的影响 [J]. 混凝土.2004(9): 作者 : 伍春莺 (1977 年 3 月 ), 女, 大学, 工程师, 主要从事建设工程质量监督及检测 : 联系电话 : @qq.com 通讯作者 : 赵爽, 男, 研究生, 建筑材料工程专业, 联系电话 : zhaoshuang8585@163.com. 61

62 高保坍高强水下不分散混凝土的研究及在船台滑道工程中的应用 陈国新 1, 2, 祝烨然 1, 卢安琪 1, 刘立中 3 (1. 南京水利科学研究院瑞迪高新技术公司, 江苏南京 ; 2. 东南大学材料科学与工程学院, 江苏南京 ; 3. 中交二航四公司, 安徽, 芜湖 ) 摘要 : 通过各种外加剂的选型及配比优化, 研制出一种高保坍型的混凝土水下不分散剂 应用该种水下不分散剂, 并通过配合比优化试验, 设计出一种强度标号达到 C40 以上,2 h 后坍扩度仍大于 50 cm, 流速小于 15 s, 自密实 自流平的水下不分散混凝土, 并在芜湖江东船厂 3 万吨级船台滑道的施工中得到了成功应用 关键词 : 高强混凝土, 水下不分散, 高保坍, 自密实, 应用 Study on anti-washout highly slump retention high-strength concrete and its application in slideway of boatyard Abstract: A highly slump-retaining, self-compacting, anti-washout admixture was prepared by optimizing the type and dose of some admixture. Using this kind of anti-washout admixture, accompanying with mix design, the concrete with good workability and strength grade over C40, extension bigger than 50cm after 2h, self-compacting, self-leveling and anti-washout was developed. The concrete was successively applied in 30,000 tons grade slideway of Wuhu Jiangdong Dockyard. Keywords: high-strength concrete; anti-washout; highly slump-retention; self-compacting; application 2 水下直接浇筑混凝土可省去为创造干地施工条件所必须的围堰 基础防渗和基坑排水工程的工期和费用, 是形成水中混凝土建筑物的主要方法 普通混凝土在水中抗分散性差 强度低, 而水下不分散混凝土具有自流平 自密实 免振捣的性能而可简化水下工程的施工工艺, 因此研制和应用水下不分散混凝土已成为水下混凝土的发展方向 [1-4] 但由于水下不分散混凝土中不分散剂的絮凝作用, 导致混凝土强度损失大 工作性差, 从而限制了水下不分散混凝土的进一步推广使用 [5] 本文通过正交实验, 研制出具有坍扩度保持性能好 强度损失低 抗分散性能好等优点 作者简介 : 陈国新 (1972-), 男, 江苏无锡人, 博士生, 高级工程师, 主要从事水工混凝土及外加剂的研究应用 联系电话 : ; gxchen@nhri.cn 62

63 的新型混凝土水下不分散剂 HLC-Ⅳ(H), 利用该水下不分散剂配制出 C40 高保坍水下不分 散混凝土, 并在芜湖江东船厂 3 万吨级船台滑道工程中得到了成功应用 1. 原材料及试验方法 1.1 原材料试验用水泥为芜湖白马山水泥有限公司生产的海螺 P.O 42.5 水泥 ; 矿粉采用马钢嘉华 S95 级矿粉 ; 粉煤灰 : 马鞍山万能达电厂 Ⅰ 级灰 ; 砂为河砂, 中砂, 细度模数 2.6; 碎石采用 5 mm~25 mm 连续级配 ; 絮凝剂采用进口 PS 生物多聚糖 ; 自制 ZX 聚羧酸系高性能减水剂粉剂, 减水率大于 40%; 自制 BT 有机保塑材料 ; 市售 YM 无机增强材料 1.2 试验方法 拌和物流动性试验砂浆流动性试验参考 JTJ 水运工程混凝土试验规程 附录 A.13 条灌浆用新拌水泥 ( 砂 ) 浆流动度试验 ( 流动锥法 ) 方法进行, 即测试 1725 ml 浆料在漏斗中流过漏斗出口 ( 直径为 13 mm) 所需时间 混凝土拌和物的坍落度按照 GBJ 标准测试, 在进行坍落度试验的同时测定拌和物的坍扩度 ( 取两相互垂直方向的扩展度值的平均值 ) 流速测定采用倒坍落度筒流出时间, 具体过程如下 : 倒立坍落度筒于离地面一定高度的支架平面上, 分 2 次向其中加入混凝土拌和物, 每次装 1/ 2 高度, 并插捣 25 次, 抹平 将坍落度筒移离地面, 使拌和物依靠自重自由流出坍落度筒口, 并用秒表记录全部物料流出时间 (s), 即为倒坍落度筒流速 [6] 水下不分散混凝土的抗分散性试验 (ph 值法 ) 在 1000 ml 烧杯中加入 800 ml 水, 用手铲铲一份水下不分散混凝土或砂浆倒入水中, 烧杯静置 3 min 后, 用酸度计测定水的 ph 值, 评价其抗分散性 试件成型方法水下试件的成型方法参考 DL/T 水下不分散混凝土试验规程, 将试模置于水箱中, 水面与试模上部高差 500 mm, 用手铲自水面处分批倒入拌合物, 料量超出试模表面, 水中取出用木锤轻敲试模两侧排水, 放入水中养护, 在达到预定龄期时, 进行强度测试 陆上试件成型时试模放在空气中, 其余同水下试件的成型方法 混凝土采用 150 mm 150 mm 150 mm 立方试模, 砂浆采用 70.7 mm 70.7 mm 70.7 mm 立方试模 2. 高保坍水下不分散剂的研制 63

64 高保坍水下不分散剂为在原有研究成果基础上 [7], 采用生物多聚糖类絮凝剂 PS 取代原有的聚丙烯酰胺絮凝剂 PAM, 并引入聚羧酸系高性能减水剂及缓释型有机保塑材料作为减水保塑组分, 大大降低了混凝土需水量, 提高了混凝土坍落度尤其是坍落度保持性能 通过进行砂浆流速 砂浆抗压强度 (7 d 28 d 水中 陆上抗压强度及强度比 ) 和 ph 值的正交实验, 以确定水下不分散剂中生物多聚糖类絮凝剂 PS ( 水平值为 3%,4%,5%) ZX 聚羧酸系高性能减水剂粉剂 ( 水平值为 12%,15%,18%) BT 有机保塑材料 ( 水平值为 6%, 8%,10%) YM 无机增强材料 ( 水平值为 20%,30%,40%) 的最佳掺量, 根据积差分析, 得到新型水下不分散剂 HLC-Ⅳ(H) 的配方见表 1 表 1 水下不分散剂 HLC-Ⅳ(H) 的配方 Table 1 Ingredient of HLC-Ⅳ(H)anti-washout agent 组成 PS ZX BT YM FA 比例 /% 利用上述最佳配方配制的水下不分散混凝土与其它几种水下不分散剂的性能比较结果见表 2, 水下不分散剂掺量均为 7% 表 2 Table 2 水下不分散混凝土的试验结果 Properties of anti-washout concrete 种类 水泥 / kg m -3 水 / kg m -3 ph 值 坍扩度抗压强度 /MPa /cm 7d 28d 0h 2h 陆上水中水 / 陆陆上水中水 / 陆 FDN NDC HLC-Ⅳ(A) HLC-Ⅳ(H) 备注 : FDN NDC 及 HLC-Ⅳ(A) 分别为萘系高效减水剂 湖南产某水下不分散剂及自制 未改进水下不分散剂 表 2 结果表明, 普通混凝土虽然强度比较高, 但抗分散效果差, 混凝土过水后 ph 值达 到 12.5, 水泥浆基本全被洗出 而掺加水下不分散剂 NDC 配制的水下不分散混凝土的初始 坍扩度和 ph 值指标较好, 但工作性差,2 h 后的坍扩度损失比较大, 并且 3 d 和 28 d 的强度 下降幅度也较大 掺加水下不分散剂 HLC-Ⅳ(A) 配制的水下不分散混凝土性能略好于掺 NDC 的水下不分散混凝土, 但优势不明显, 达不到高保坍 自流平的要求 掺加水下不分散 剂 HLC-Ⅳ(H) 配制的水下不分散混凝土的工作性能优良, 初始流动性能好, 且 2 h 后的坍 64

65 扩度无损失 抗分散性能也更好, 过水后混凝土的 ph 值仅为 8.5, 基本为中性, 水下不分散 混凝土 28 d 的水下强度达到 44.2 MPa, 水陆强度比达到 91%, 均超过对比产品, 可以配制强 度为 C35 以上的高性能水下不分散混凝土 3. 高保坍高强水下不分散混凝土的制备 3.1 水下不分散混凝土的配合比确定水下不分散混凝土的强度等级要求为 C40,2 h 坍扩度要求大于 50 cm, 流速小于 15 s, 为此需要对混凝土配合比开展优化设计, 主要调整参数为水下不分散剂 HLC-Ⅳ(H) 掺量 胶凝材料用量 水胶比及砂率 根据水下不分散混凝土的特点, 经过正交试验, 确定的混凝土配合比如表 3 表 3 水下不分散混凝土配合比 Table 3 Mix proportion of anti-washout concrete 水泥 /kg m -3 粉煤灰 /kg m -3 矿粉 /kg m -3 水 /kg m -3 水灰比 砂 /kg m -3 石 /kg m -3 砂率 /% 水下不分散剂 /kg m 水下不分散混凝土的性能 新拌混凝土性能新拌水下不分散混凝土的流动性及经时损失通过不同时间的坍扩度及流速来表征, 抗分散性能则采用 ph 值法, 结果见表 4 结果表明, 基准混凝土过水后的 ph 值高达 12.5, 可见水泥浆几乎全部洗出, 而掺加 HLC-Ⅳ(H) 后的 ph 值仅为 8.5, 接近中性, 说明其抗分散性能良好 ; 基准混凝土的坍扩度虽然初始和水下不分散混凝土相差不大, 但损失很大,2 h 后就完全没有流动性, 而水下不分散混凝土初始坍扩度大于 50 cm,2 h 后不但没有损失, 还略有增大 ; 从流速反映就更明显, 基准混凝土 2 h 后流不动, 而水下不分散混凝土流速更小, 仅有 7.5 s, 完全能够达到自流平 自密实的要求 ; 而且水下混凝土的泌水率由于其中絮凝剂的作用, 也从基准混凝土的 2.3% 下降至 0.1% 表 4 水下不分散混凝土拌合物性能试验 Table 4 Performance of anti-washout concrete mixture 65

66 混凝土 ph 值 泌水率 /% 坍扩度 /cm 流速 /s 0h 1h 2h 0h 1h 2h 基准混凝土 不流 水下不分散混凝土 硬化混凝土性能主要测定混凝土的抗压强度 水陆强度比及抗冲磨强度 抗冲磨强度采用水下成型试件, 根据 SL 水工混凝土试验规程 采用水下钢球法对标准养护 28 d 的试件进行测试, 结果见表 5 表 5 水下不分散混凝土硬化性能试验 Table 5 Performance of hardened anti-washout concrete 混凝土 抗压强度 /MPa 7d 28d 陆上 水中 水 / 陆 陆上 水中 水 / 陆 抗冲磨强度 /h (kg m -2 ) -1 基准混凝土 水下不分散混凝土 由表 5 结果可知, 基准混凝土虽然陆上强度要略高于水下不分散混凝土,7 d 水陆强度比仅为 16%,28 d 水陆强度比也仅为 23%, 抗水分散效果极差, 不能满足混凝土的带水作业的要球 ; 而掺加水下不分散剂 HLC-Ⅳ(H) 后,28 d 陆上强度为 53.6 MPa, 虽略有下降, 但水陆强度比高达 93%,28 d 水下强度仍可满足 C40 混凝土的要求 ; 混凝土的抗冲磨强度也达到 2.08 h (kg m -2 ) -1, 远高于基准混凝土, 能够达到一般的抗冲磨混凝土要求 4. 工程应用 长航集团江东船厂 3 万吨级船台滑道技术改造工程, 位于芜湖江东船厂内 其船台滑道采用带有闸门的纵向倾斜船台滑道形式, 坡度 1:20, 总长 326 m, 其中船台长 207 m 宽 39 m, 底端设有挡水闸门 ; 滑道长 323 m, 以闸门为界, 分为 116 m 长的水下段和 207 m 长的陆上段, 两条轨道中心间距 9 m 水下滑道采用 φ1000 φ1500 φ1800 mm 钻孔灌注桩及 φ1000 mm 钢管桩,1 # ~23 # 排架水下滑道采用预制安装横梁 滑道梁结构, 安装完成后, 浇筑水下不分散混凝土, 连接成整体 整个工程设计共有 46 个水下节点, 节点钢护筒内共需浇筑水下不分散混凝土约 600 m 3, 水下不分散混凝土的强度等级要求为 C40,2 h 坍扩度要求大于 50 cm, 66

67 流速小于 15 s( 倒坍落度筒法 ) 由于施工现场条件限制, 采用的施工办法是商品混凝土搅拌送至工程现场, 放料至挖掘机抓斗中后移至岸边的吊罐中, 然后用船吊吊至江中施工点上方的料斗中, 最后通过导管靠自重浇筑到施工节点处 工地外围搅拌车运输路线由于道路施工, 运输时间没有保障, 施工现场混凝土的两次转移过程也需要近 1 h, 因此混凝土从出仓到浇筑完毕整个过程需要 2 h 甚至更长时间 整个施工持续 6 天, 未发生堵管或离析现象 现场钻芯取样检测表明, 混凝土密实 表面光滑 骨料分布均匀 ; 混凝土平均强度为 51.6 MPa, 高于试验室试配强度, 满足了施工设计要求 5. 结论 (1) 水下不分散剂 HLC-Ⅳ(H) 具有流动性经时无损失 强度损失小 抗分散性能好等特点, 可用于配制 C40 以上高性能水下不分散混凝土 (2) 利用水下不分散剂 HLC-Ⅳ(H) 配制的新拌水下不分散混凝土, 抗分散性能好, 能自流平 自密实, 无泌水现象 硬化水下不分散混凝土强度高, 抗冲磨性能好 (3) 工程应用表明, 利用水下不分散剂 HLC-Ⅳ(H) 配制的高保坍高强水下不分散混凝土性能优良, 能满足特殊作业条件下水下混凝土的施工要求 参考文献 [1] 孙振平, 蒋正武, 吴慧华. 水下抗分散混凝土性能的研究 [J]. 建筑材料学报,2006,9(3): [2] Kamal H Khayat, Joseph Assaad. Relationship between washout resistance and rheological properties of high-performance underwater concrete[j].materials Journal,2003,100(3): [3] M. Sonebi,A. K. Tamimi,P. J. M. Bartos. Application of factorial models to predict the effect of anti-washout admixture, superplasticizer and cement on slump, flow time and washout resistance of underwater concrete[j]. Materials and Structures,2000,33(5): [4] 姜从盛, 陈江, 吕林女, 等. 水下不分散混凝土的研制与应用 [J]. 武汉理工大学学报 ( 交通科学与工程版 ),2004,28(3): [5] 买淑芳. 混凝土聚合物复合材料及其应用 [M]. 北京 : 科学技术文献出版社,1996: [6] 蒋正武, 崔宝琦, 孙振平, 等. 水下抗分散混凝土的性能研究 [J]. 建筑材料学报,2000,3 (2): [7] 陈国新, 卢安琪, 陈健, 等. 新型混凝土水下不分散剂的研究及在太平庄闸应急加固工程中的应用 [J]. 大坝与安全,2006,4:

68 防水剂对隧道二衬防水混凝土强度和抗渗性能影响研究 华叙恒 1, 王永海 2, 何涛 2, 隋玉凤 3 (1 江西省公路机械工程局, 江西南昌 ;2 武汉理工大学材料科学与工程学院, 湖北武汉 ;430070; 3 湖北三峡职业技术学院交通工程系, 湖北宜昌,443000) 摘要 : 二次衬砌混凝土的防水抗渗性能是隧道工程防止渗漏水的重要指标 通过几种防水剂对二次衬砌混凝土工作性能 力学性能和抗渗性能的测试, 对比了掺与未掺防水剂 ( 只引入减水剂 ) 和掺膨胀剂的混凝土的抗渗性能 研究结果表明防水剂和膨胀剂的引入会引起混凝土工作性和强度的略微下降 ; 在较低水胶比下, 混凝土的水压力渗透系数均较小, 防水剂的引入对混凝土的抗渗性改善不明显 ; 在较高水胶比下, 不同防水剂对混凝土抗渗性的改善有所不同, 部分防水剂对混凝土的抗渗性甚至没有改善作用 综合考虑经济因素, 在工程对强度没有强制要求时建议直接通过引入减水剂来降低水灰比, 进而通过提高混凝土的致密性来达到提高混凝土防水抗渗的目的 关键词 : 防水剂 ; 隧道 ; 二次衬砌混凝土 ; 强度 ; 抗渗性 Research on the Influence of Water Repellent to the Concrete Strength and Impermeability in the Second Lining of Tunnel Hua Xuheng 1, Wang Yonghai 2, He Tao 2,Sui Yufeng 3 (1 Road Machine Engineering Bureau of Jiangxi Province, Nanchang, ; 2 Wuhan University of Techonology, Wuhan, ; 3 Hubei Three Gorges Polytechnic, School of Traffic engineering, Yichang, ) Abstract: The water impermeability of secondary lining concrete is an important indicator in the tunnel preventing water leakage. By testing the workability, mechanical properties and impermeabilities, this subject compared the water impermeabilities of concrete mixed with waterproofing agent and expansive material or those not. The results showed that the introduction of water repellent and expander caused the performance and strength of concrete to decrease slightly; with a lower water-cement ratio, the concrete permeability coefficient of water pressure were smaller, and the water repellent had no obvious improvement on the impermeability of concrete; with higher water-cement ratio, different water repellent had different effects, some even had no effects. Considering the economic factors, it was suggested that introducing water repellent directly to lower water-cement ratio, thus improving the water impermeability of concrete by increasing its density., when there is no strictly requirement for strength in engineering Keywords: water repellent;tunnel;secondary lining concrete;strength;impermeability 68

69 1 前言 目前的公路隧道一般采用新奥法施工, 其设有三道防水线, 即初衬 ( 与锚杆 钢结构一起协同工作的喷射混凝土 ) 防水板( 在初衬和二衬之间铺设的合成高分子防水板 ) 及 [1] 二次衬砌混凝土 二次衬砌混凝土为表面围护结构, 也是隧道工程的重要防水防线 由于二次衬砌混凝土自防水能力差, 进而导致防水板出现防水失效, 这是目前隧道工程渗漏水的根源之一 为提高二次衬砌混凝土的自防水能力, 早期主要采用集料连续级配防水技术和富砂浆防水技术, 目前采用的大多为外加剂防水混凝土, 即通过掺加适量的防水剂来改善混凝土内部结构, 以提高它的抗渗性 [2] 目前工程中常用的防水剂混凝土有防水剂防水混凝土 减水剂防水混凝土和膨胀型防水混凝土 从目前市场上来看, 防水剂种类繁多, 且很多防水剂质量不够稳定, 更有些带有商业炒作的性质, 名为防水剂, 实际对混凝土的防水能力提高甚微 为了解不同类型防水剂的实际防水效果, 本文对几种市售防水剂进行了抗渗性能实验, 并与未加防水剂 ( 只引入减水剂 ) 和掺膨胀剂的混凝土的抗渗性能进行了对比 2.1 水泥 2 原材料 本次试验主要选用华新水泥厂生产的 32.5 级复合硅酸盐水泥, 细度 (80um 筛 余 ) 为 3.5% 其基本物理力学性能见表 1 表 1 华新 P.C 32.5 水泥的物理力学性能 时间 (min) 抗折强度 (MPa) 抗压强度 (MPa) 水泥品种稠度 (%) 初凝终凝 3d 28d 3d 28d P.C 32.5 级 注 : 本工作受中央高校基本科研业务费专项资金资助 (2010-ZY-CL-073) 和广东省江门市江海区科技局科技计划项目资助 ( 江海府办函 [2008]386 号 ), 在此表示感谢 2.2 粉煤灰采用汉川电厂 Ⅱ 级粉煤灰, 其主要物理性能见表 2 表 2 汉川 Ⅱ 级粉煤灰的物理性能 项目细度 (%) 需水比 (%) 烧失量 (%) 含水率 (%) GB Ⅱ 级标准要求 汉川 Ⅱ 级粉煤灰 集料粗集料选用粒径 5~25mm 连续级配的石灰岩碎石, 细集料选用巴河黄砂, 集料的物理性能按 JTG E «公路工程集料试验规程» [3] 测定, 具体详见表 3, 69

70 颗粒级配见图 1 和图 2 项目 表观密度 (kg/m 3 ) 表 3 集料的物理性能 紧密堆积密度 (kg/m 3 ) 松散堆积密度 (kg/m 3 ) 针片状含量 (%) 5 ~25mm 碎石 压碎值 (%) 含泥量 (%) 巴河砂 累计筛余 /% 实际级配 级配下限 级配中值级配上限 筛孔尺寸 /mm 累计筛余 /% 级配上限级配下限级配中值巴河黄砂 筛孔尺寸 /mm 图 1 碎石的级配曲线图 图 2 巴河砂的级配曲线图 2.4 外加剂试验用的外加剂有以下品种 : 1) 萘系高效减水剂 : 为非引气型减水剂, 该减水剂是以 β 萘磺酸盐甲醛缩 合物为主要成份, 并复合了缓凝 保塑及其它表面活性组份的缓凝高效减水剂 2) 膨胀剂 : 为市售, 代号为 PZ, 主要用于对比研究 3) 防水剂 : 实验共选用了三种防水剂, 分别为复合型防水剂 FS1 市售防水 剂 FS2 和水泥渗透结晶型防水剂 FS3 复合型防水剂 FS1 以 β 萘磺酸盐甲醛缩 合物为主要成份, 由减水 膨胀 保塑等组分复合配制而成的非氯盐类膨胀防水 剂 FS3 由波特兰水泥和多种活性化学物配制而成的粉状水泥基复合物, 通过其 组分中的活性化合物与混凝土接触, 在混凝土内部孔隙中形成晶体, 填充混凝土 70

71 中的毛细孔隙, 从而达到抗渗防水效果 3 试验方法 3.1 新拌混凝土的坍落度和混凝土抗压强度试验 按 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 (GB/T ) [4] 进行测试 测定新拌混凝土的坍落度和扩展度值 混凝土抗压强度按 公路工程水泥及水泥 混凝土试验规程 (JTG E ) [5] 中的 T 方法进行测试, 试件尺寸 为 150mm 150mm 150mm 立方体 3.2 混凝土水压力抗渗性试验混凝土相对渗透系数试件为顶面直径 175mm, 底面直径 185mm, 高度为 150mm 的圆台体, 试件标准养护龄期为 28d 抗渗试验时, 水压控制恒定为 1.0MPa, 恒压 24h 后停止试验, 测试渗透高度, 将渗透高度代入 公路工程水泥 及水泥混凝土试验规程 (JTG E ) 中的 T 公式换算出相对渗透系 数 [5] 4 实验结果与分析 本次试验分别选用 0.43 和 0.52 两个水胶比, 粉煤灰掺量为 20% 分别对比 不同水胶比下防水剂对混凝土工作性 强度和抗渗性的影响 混凝土试样配合比 和试验结果见表 4 和表 5 表 4 水胶比 0.43 下掺加不同防水剂的混凝土配合比及其性能对比实验结果编号 A1 A2 A3 A4 A5 原材料用量 (kg/m 3 ) 水胶比 砂率 (%) 水 水泥 粉煤灰 砂 碎石 减水剂 / 其它外加剂 / 膨胀剂 PZ 防水剂 FS1 防水剂 FS2 防水剂 FS3 推荐剂量 坍落度 / 扩展度 (mm) 175/ / / / /435 28d 强度 (MPa) d 相对渗透系数 (10-9 mm/s) 对表 4 和表 5 的试验结果, 可以看出 : 71

72 1) 防水剂对混凝土工作性能的影响掺膨胀剂 PZ 和防水剂 FS1 FS2 和 FS3 的混凝土与单掺减水剂的相比, 混凝土的工作性均有所下降 从坍落度值来看, 复合型防水剂 FS1 的减水效果不如单一的高效减水剂减水效果明显, 因此坍落度降低非常明显 ; 膨胀剂 PZ 市售防水剂 FS2 及水泥渗透结晶型防水剂 FS3 均略微降低了混凝土的坍落度 在此引起坍落度降低的原因主要是由于这几种粉状外加剂的需水量略微大于水泥的缘故 表 5 水胶比 0.52 下掺加不同防水剂的混凝土配合比及其性能对比实验结果编号 B1 B2 B B4 B5 原材料用量 (kg/m 3 ) 水胶比 砂率 (%) 水 水泥 粉煤灰 砂 碎石 减水剂 / 其它外加剂 / 膨胀剂 PZ 防水剂 FS1 防水剂 FS2 防水剂 FS3 推荐剂量 坍落度 / 扩展度 (mm) 190/ / / / /470 28d 强度 (MPa) d 相对渗透系数 (10-9 mm/s) 另外通过观测发现掺加膨胀剂的混凝土经时坍落度损失较大, 这是由于膨胀剂的初凝时间和终凝时间一般早于水泥, 膨胀剂掺入混凝土后, 钙矾石的生成速率又很快, 使得混凝土拌合物的坍落度损失较快 掺加水泥渗透结晶型防水剂的混凝土经时坍落度损失也较大, 其原因有待进一步探明 2) 防水剂对混凝土强度的影响当引入外加剂 (PZ FS1 FS2 和 FS3) 后混凝土强度均表征为下降的趋势 对于掺膨胀剂的混凝土, 造成该现象的原因是由于掺膨胀剂混凝土水化硬化时, 生成大量的钙矾石晶体, 这种晶体随水化的进行不断长大 连生, 在结晶压力下产生了混凝土的膨胀, 膨胀压力对混凝土的内部结构有一定的微破坏作用, 因此 [6] 混凝土强度受到了削弱 复合防水剂 FS1 也含有一定量膨胀剂, 同样对混凝土的结构也产生一定微破坏, 进而削弱混凝土的强度 一般认为, 掺加水泥渗透结晶型防水剂后混凝土的强度会增强, 但在此强度亦略有下降 3) 防水剂对混凝土抗渗性能的影响 72

73 各防水剂对混凝土抗渗性能的影响综合示于图 3 由图 3 可见, 在 0.43 水胶比下, 各组混凝土的水压力渗透系数基本上均在 mm/s 以下, 渗透系数较低 因此对于评价混凝土的水压力渗透性来讲,0.43 属于相对较低的水胶比, 不同防水剂对混凝土的水压力渗透系数影响差别不大 在 0.52 水胶比下, 不同的防水剂对混凝土的水压力抗渗性的影响表征的非常明显, 有的防水剂防水效果并不明显 该表明只有在较高水胶比下, 防水剂才对混凝土的抗渗性有改善作用 掺加水泥渗透结晶型防水剂后混凝土的抗渗性能提高明显 掺膨胀剂 PZ 和防水剂混凝土的抗渗性未得到改善, 其原因在于钙矾石为一种细长的柱状或针状晶体, 这种晶体在搭接成骨架结构时留下了一定的孔隙 在没有约束的情况下钙矾石晶体长得粗大, 孔隙率也较大, 对混凝土的抗渗性也有轻微的削弱作用 8d 相对渗透系数 /10-9mm/s 水胶比 0.43 水胶比 参比样膨胀剂 PZ 防水剂 FS1 防水剂 FS2 防水剂 FS3 图 3 不同防水剂对渗透系数的影响 鉴于在低水胶比下, 各个防水剂对混凝土的抗渗性影响不大, 而各种防水剂的掺入又会增加了工程成本, 且复合防水剂的减水效果也相对较低, 综合考虑技术经济因素, 建议实际工程可直接通过高效减水剂的减水作用来降低水胶比, 进而提高混凝土的抗渗性 5 结论 引入典型防水外加剂和膨胀剂的混凝土性能测试结果表明 : 1) 防水外加剂和膨胀剂的引入会引起混凝土工作性和强度的略微下降 2) 在较低水胶比下, 混凝土的水压力渗透系数均较小, 各个防水剂对混凝土的抗渗性改善不明显 ; 在较高水胶比下, 膨胀剂的引入对混凝土的抗渗性改善作用不明显, 各种防水剂对混凝土抗渗性的改善有所差别, 部分防水剂对混凝土的抗渗性甚至没有改善作用 因此防水剂一般适用于提高较高水胶比混凝土的抗渗 73

74 性 3) 综合考虑经济因素, 鉴于各种防水剂的掺入增加了工程成本, 且大多数复合防水剂的减水效果不如单一的高效减水剂, 在工程对强度没有强制要求时可直接通过引入减水剂来降低水灰比, 进而提高混凝土的致密性来达到提高混凝土防水抗渗的目的 参考文献 [1] 朱汉华, 尚岳全等. 公路隧道设计与施工新法 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2002 [2] 李勇. 冉家坝隧道防水混凝土施工技术优化研究. 重庆大学工程硕士论文.2006 [3] JTG E 公路工程集料试验规程 [S]. 北京 : 人民交通出版社,2005 [4] GB/T 普通混凝土拌合物性能试验方法标准 [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2002 [5] JTG E 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 [S]. 北京 : 人民交通出版社,2005 [6] 周俊龙. 膨胀剂对混凝土性能影响 [D]. 重庆 : 重庆大学,2004 作者简介 : 华叙恒 (1965 ), 江西于都人, 工程师, 本科 研究方向 : 公路工程 通讯地址 : 江西省南昌市广场南路 333 号恒茂国际中心 16 号 11 楼 (330008) 74

75 3 高阿利特熟料水泥与两类高效减水剂的相容性 管宗甫王云浩陈湘湘李世华栗潮 ( 郑州大学材料科学与工程学院, 郑州,450001) 摘要 : 比较研究了高阿利特熟料水泥和商品混合水泥与萘系 聚羧酸系高效减水剂的相容性 结果表明 : 高阿利特熟料水泥掺加萘系减水剂的饱和点比对比水泥稍高, 流动度经时损失也较大, 添加粉煤灰后有所改善 纯熟料高阿利特水泥和掺粉煤灰的高阿利特实验水泥初始流动度性高于对比水泥, 经时流动性损失低于商品混合水泥 关键词 : 高阿利特熟料水泥 ; 相容性 ; 减水剂 ; 萘系 ; 聚羧酸系 The Compatibility of Alite-rich Portland Cement and Water Reducing Agent Abstract: The compatibility between alite-rich portland cement (ARPC) and a batch of commercial composite portland cement (PC) with two type of water reducing agents wrer compared. The results shown: When adding naphthaline water reducing agent into ARPC or PC pastes, the saturated proportion in ARPC paste was more than that in the PC, and the fluidity time-depended lose of ARPC paste was biger than that of PC paste. Mixing fly ash in ARPC, the performance could be improved. If adding polycarboxylate water reducing agent into ARPC or PC pastes, the saturated proportion of ARPC paste was less than that of the PC paste, and the fluidity time-depended lose of ARPC paste was less than that of PC paste, whether adding fly ash or not. Key Words: alite-rich portland cement ; compatibility ; water reducing agent ; naphthaline ; polycarboxylate 由于各水泥熟料矿物的物理化学性质不同, 表现出对混凝土减水剂的吸附能力和水化速率的差异 [1,2] 由不同矿物组成的熟料制成的水泥对各种减水剂的相容性也不相同[3], 不同的减水剂类型与水泥的相容性也不同 [4,5] 水泥和高效减水剂的相容性, 实际上已成为水泥生产的重要质量指标被广泛关注 文献 [6] 通过水泥各单矿物对减水剂溶液的等温吸附的研究, 发现它们对减水剂的吸附活性依此为 :C3A >C4AF >C3S >C2S 由于水化速度快 比表面积大,C3A 和 C4AF 特别是 C3A 与减水剂的相容性最差, 而 C2S 和 C3S 特别是 C2S 与减水剂相容性最好 提高熟料强度, 多掺加混合材, 是高胶凝性水泥绿色化制造的主要技术途径 高强度水泥熟料技术路线之一是高阿利特熟料 (Alite-Rich Portland clinker, ARPC) 体系 [7], 通过提高水泥熟料中阿利特含量并提高阿利特活性, 在不提高粉磨比表面积的前提下, 可以大幅度提高 项目基金 : 国家重点基础研究发展 (973) 计划项目 (2009CB623101) 资助 通讯作者 : 管宗甫 (1956 ), 男, 博士, 教授 主要研究方向为水泥工艺和水泥基材料 通讯地址 : guanzf@zzu.edu.cn 75

76 熟料强度 由高阿利特熟料制造的水泥与几种常用高效减水剂的相容性如何, 有必要进行研究 1 原料与实验方法 1.1 原料与样品制备高 Alite 水泥熟料 (ARPC) 来自南京某水泥厂, 为 973 项目 高胶凝性硅酸盐水泥熟料矿物体系 工业化实验水泥熟料, 阿利特含量约 70% 粉煤灰为郑州某电厂 Ⅱ 级商品灰 对比样品为郑州某水泥厂生产的商品 PC32.5 水泥, 其勃氏比表面积为 402m 2 /Kg, 编号 C1 编号为 C2 的实验水泥样品为高阿利特水泥熟料加 5% 石膏磨制 编号为 C3 的实验水泥样品为高阿利特水泥熟料加 15% 粉煤灰和 5% 石膏粉磨而成 水泥样品 C2 和 C3 的勃氏比表面积分别为 405 m 2 /Kg 390m 2 /Kg 实验用减水剂均为市售商品,UNF-2A UNF-3C 为山西某厂生产的萘系复合减水剂, FDN-1 J-1 是由河南某公司生产的萘系复合减水剂, 聚羧酸盐 -Ⅰ 聚羧酸盐-II 由洛阳某公司生产 1.2 实验方法水泥标准稠度用水量和凝结时间测定 GB 进行 按照 GB/T 中的水泥净浆流动度测试方法分别测定各种高效减水剂在不同掺量下的水泥净浆的初始 30 分钟和 60 分钟的流动度, 以确定各种高效减水剂的最佳掺量并判断流动度经时损失 2 结果与讨论 2.1 与 UNF-2A 减水剂的相容性掺不同量 UNF-2A 减水剂的水泥净浆的流动度结果见图 fluidity / mm original after 30min after 60min fluidity / mm original after 30min after 60min proportion / wt% proportion / wt% 1a Sample C1 1b Sample C2 76

77 fluidity / mm 250 original after 30 min 200 after 60 min proportion / wt% 1c Sample C3 图 1 UNF-2A 掺量对三种水泥流动度的影响 Fig.1 Effect of the proportions of water-reducer on Fluidity 图 1 中的三个图是不同掺量情况下, 掺高效减水剂 UNF-2A 的水泥净浆流动度经时变化 曲线 从图 1 可以看出,UNF-2A 减水剂的掺量从 0.6% 增加到 1.2% 的时候对比样 C1 净浆的 流动度增幅很大, 而再继续增加减水剂掺量, 流动度增量有限甚至会降低, 在掺量达到 1.2% 时流动度达到最大值 290mm, 其后流动度减少 30min 的经时损失从 0.8% 到 1.2% 逐渐减小 随后又增大,60min 的经时损失在 0.8% 到 1.2% 之间变换不明显, 当掺量超过 1.2% 后水泥浆 体在 60min 后流动度基本没有损失, 因此 C1 的饱和点为 1.2% 对于纯熟料实验样 C2, UNF-2A 减水剂的掺量从 0.8% 增加到 1.4% 时,C2 的净浆流动度显著增加, 掺量为 1.4% 流动 度达到最大值 230 mm 其 30min 的经时损失在掺量 1% 到 1.4% 之间没有变化, 在 1.6% 略有减 少,60min 的经时损失在掺量 1% 到 1.4% 之间略有增加, 当掺量超过 1.4% 时 60min 后流动度 基本没有损失, 因此 C2 的饱和点为 1.4% 对于掺粉煤灰实验样品 C3,UNF-2A 减水剂的掺 量从 0.2% 增加到 1.4% 时, 其流动度明显增大, 但是在低掺量时流动度较小, 在掺量 1.4% 时 流动度达到最大值 250mm, 其饱和点为 1.4%, 就经时损失而言, 在掺量 0.6% 0.8%30min 的流动度损失较大, 但是 60min 后流动度基本没有损失, 掺量 1% 时, 虽然 30min 经时损失 较小, 但是 60min 的经时损失却有增大, 在掺量 1.2% 1.4% 时 30min 60min 的经时损失近 似相等 与 C1 相比较,C2 在 UNF-2A 型减水剂的不同掺量下, 其初始流动度在达到饱和掺量前, 随减水剂的掺量的增加而迅速增加, 但是低于同掺量下的 C1 的净浆流动度, 其流动度经时 损失虽比同掺量下 C1 小, 但要达到相同的净浆流动度,C2 则要增加减水剂的掺量, 才可以 达到要求, 其饱和掺量点也比 C1 的高了 0.2% 与 C3 相比较同掺量的减水剂下,C2 的流动 度小于 C3, 但饱和点相同而且在饱和点两者流动度经时损失接近 2.2 与 UNF-3C 减水剂的相容性 在三组试样中分别掺入 0.6% 0.8% 1.0% 1.2% 1.4% 1.6% 的 UNF-3C 减水剂测定 浆体的流动度, 并绘制掺入量和流动度的关系曲线, 见图 3 77

78 fluidity / mm original after 30 min after 60 min fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% proportion / wt% 2a Sample C1 2b Sample C2 250 fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% 2c Sample C3 图 2 UNF-3c 掺量对三种水泥流动度的影响 Fig. 2 Effect of the proportions of water-reducer on Fluidity 图 2 中的三个图是不同掺量情况下, 掺高效减水剂 UNF-3C 的水泥净浆流动度经时变化曲线 图 2 可以看出, 在 UNF-3C 型减水剂的不同掺量下, 对比样 C1 在减水剂掺量从 0.6% 到 0.8% 时, 其净浆初始流动度明显增大, 再增加减水剂掺量, 流动度增加不明显, 在 1.4% 达到最大值, 继续增加掺量则流动度减小, 其 30min 经时损失从 0.8% 开始减小在饱和点掺量达到最小值, 在 0.6% 0.8% 没有 60min 经时损失, 掺量 1% 时的 60min 的经时损失最大, 在饱和点略有减小 纯熟料实验样 C2 在减水剂掺量达到 0.6% 到 0.8% 时流动度大幅增加经时损失减少, 在 0.8% 达到最大值, 其后 C2 净浆初始流动度随减水剂掺量的增加变化不明显但是流动度经时损失增大 掺粉煤灰实验样品 C3 在 1.0% 之前随减水剂掺量流动度增大, 在 1.0% 时达到饱和点 从流动度来看,C1 对 UNF-3C 型减水剂适应性更好点, 但是其饱和点较高 从流动度经时损失看, 在饱和点下,C1 的流动度损失最小 2.3 与 FDN-1 减水剂的相容性在三组试样中分别掺入 0.6% 0.8% 1.0% 1.2% 1.4% 1.6% 的 FDN-1 减水剂测定浆体的流动度, 并绘制掺入量和流动度的关系曲线, 见图 3 78

79 fluidity / mm original after 30 min after 60 min fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% proportion / wt% 3a Sample C1 3b Sample C2 fluidity / mm 250 original after 30 min 200 after 60 min proportion / wt% 3c Sample C3 图 4 FDN-1 掺量对水泥流动度的影响 Fig. 4 Effect of content of water-reducer on Fluidity 图 3 中的三个图是不同掺量情况下, 掺高效减水剂 FDN-1 的水泥净浆流动度经时变化曲 线 图 3 可以看出, 在 FDN-1 型减水剂的不同掺量下, 对比样 C1 试样在减水剂掺量从 0.6% 到 0.8% 时, 水泥净浆初始流动度突然增幅很大, 其后随减水剂的掺量增加, 流动度增加不明 显, 饱和掺量点是 1.0%,1% 之后流动度略有减小 纯熟料实验样 C2 试样随减水剂的掺量增 加而显著增大在 1.2% 达到饱和点, 初始流动度高于 C1 试样 掺粉煤灰实验样品 C3 试样在 4% 到 8% 之间流动度增加不明显, 其后随减水剂掺量的增加而显著增大, 饱和点在 1.4% 相比较而言, 饱和点掺量下,C2 的净浆流动度最大其 30min 经时损失介于 C1 C3 之间, 其 60min 经时损失在三者中最大,C1 的净浆流动度次之流动度经时损失很小其 60min 后流动 度基本没有损失 C3 的净浆流动度最小 30min 经时损失最大 60min 经时损失略低于 C2 2.4 与 J-1 减水剂减水剂的相容性 在三组试样中分别掺入 0.6% 0.8% 1.0% 1.2% 1.4% 1.6% 的建 -1 减水剂测定浆体 的流动度, 并绘制掺入量和流动度的关系曲线, 见图 4 79

80 fluidity / mm original after 30 min after 60 min fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% proportion / wt% 4a Sample C1 4b Sample C2 220 fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% 4c Sample C3 图 4 J-1 掺量对水泥流动度的影响 Fig.4 Effect of content of water-reducer on Fluidity 图 4 中的三个图是不同掺量情况下, 掺高效减水剂 J-1 的水泥净浆流动度经时变化曲线 从图 4 可以看出, 在 J-1 型减水剂的不同掺量下, 对比样 C1 净浆流动度随着减水剂掺量增加而显著增大, 在 1.2% 达到最大值饱和点掺量为 1.2%, 其后随减水剂的掺量的增加, 其流动度明显减小, 其与此种建 -1 型减水剂的适应性很好 纯熟料实验样 C2 净浆流动度在 0.4% 到 1.2% 之间流动度没有明显增加, 在 1.2% 到 1.4% 之间突然增大其后开始减低, 饱和点掺量为 1.4%, 在高掺量下流动度损失较高, 而且流动度远远低于相同掺量下 C1 的流动度 掺粉煤灰实验样品 C3 净浆流动度在 0.4% 到 0.8 之间没有变化流动度较低, 其后随减水剂的掺量增大而增加在 1.2% 时流动度达到最大值约为 200, 其后急剧降低, 适应性较差 与 C1 相比, C2 C3 的饱和点较高, 在达到饱和点掺量后流动度才有较大的增加, 其流动度度经时损失也较大, 其与该类型的减水剂的适应性很差 2.5 与聚羧酸盐 -Ⅰ 减水剂的相容性在三组试样中分别掺入 0.6% 0.8% 1.0% 1.2% 1.4% 1.6% 的聚羧酸盐-Ⅰ 减水剂测定浆体的流动度, 并绘制掺入量和流动度的关系曲线, 见图 5 80

81 fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% 5a Sample C1 5b Sample C fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% 5c Sample C3 图 5 聚羧酸 -1 掺量对水泥流动度的影响 Fig. 5 Effect of content of water-reducer on Fluidity 图 5 中的三个图是不同掺量情况下, 掺高效减水剂聚羧酸 -1 的水泥净浆流动度经时变化曲线 图 5 可以看出, 在聚羧酸盐 -Ⅰ 型减水剂的不同掺量下, 对比样 C1 净浆初始流动度随减水剂掺量的增加而没有变化, 在减水剂掺量达到 1% 以后时, 其 30min 60min 流动度明显增大很多达到最大值随后减小 纯熟料实验样 C2 净浆初始流动度在小掺量是随减水剂的掺量增加也无明显变化, 在减水剂掺量达到 1.2% 以后, 流动度明显增大, 达到最大值, 饱和点为 1.2%, 在饱和点掺量下流动度远远大于 C1 掺粉煤灰实验样品 C3 净浆流动度随着减水剂掺量的增加而增大,1.4% 为其饱和点, 此时流动度远大于 C1 C2 三者在饱和点掺量下, 从流动度来看 C3>C2>C1, 流动度经时损失,30min 的流动度经时损失 C3>C2>C1,60min 的流动度经时损失是 C1>C2>C3 2.6 与聚羧酸盐 -II 减水剂的相容性在三组试样中分别掺入 0.6% 0.8% 1.0% 1.2% 1.4% 1.6% 的聚羧酸盐-II 减水剂测定浆体的流动度, 并绘制掺入量和流动度的关系曲线, 见图 6 81

82 fluidity / mm original after 30 min after 60 min fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% proportion / wt% 6a Sample C1 6b Sample C2 fluidity / mm original after 30 min after 60 min proportion / wt% 6c Sample C3 图 6 聚羧酸 -2 掺量对水泥流动度的影响 Fig. 6 Effect of content of water-reducer on Fluidity 图 7 中的三个图是不同掺量情况下, 掺高效减水剂聚羧酸 -2 的水泥净浆流动度经时变化曲线 图 7 可以看出, 在聚羧酸盐 -Ⅱ 型减水剂的不同掺量下, 对比样 C1 随减水剂掺量增加而增大, 在饱和掺量点 1.4% 以前经时损失较小, 以后流动度经时损失有较大的增加 纯熟料实验样 C2 净浆流动度在 0.4% 到 0.6% 之间没有变化, 其后随减水剂掺量的增加流动度明显增大, 在 1% 达到饱和点, 随后流动度随减水剂掺小, 经时损失在 1% 之前很小, 随后增大 掺粉煤灰实验样品 C3 净浆流动度随减水剂掺量的增加显著增大,1.2% 达到饱和点, 其经时损失较大 从以上的分析可以看出, 高 Alite 水泥与聚羧酸盐系的两种减水剂的适应性较好, 与萘系的几种减水剂适应性则较差, 添加粉煤灰后适应性明显有所好转 而普通水泥则与萘系 聚羧酸盐系的几种减水剂适应性较好 3 结论 (1) 纯熟料高阿利特水泥掺加萘系减水剂的饱和点掺量比目前市售水泥稍高, 流动度经 时损失也较大 添加粉煤灰后有所改善 82

83 (2) 高 Alite 水泥与聚羧酸盐系减水剂适应性较好, 纯熟料高阿利特实验水泥和掺粉煤灰的高阿利特实验水泥初始流动度性高于商品混合水泥, 经时流动性损失低于商品混合水泥 参考文献 : [1] Shunsuke Hanehare, Kazuo Yamada. Interaction between cement and chemical admixture from the point of cement hydration, absorption behavior of admixture,and paste rheology [J].Cement and Concrete Research1999,29: [2] 王善拔. 关于水泥与超塑化剂相适应性的几个问题 [J]. 水泥,2000 (1):7-11. [3] S. Chandra, J. Björnström, Influence of cement and super plasticizers type and dosage on the fluidity of cement mortars - Part Ⅰ [J].Cement and Concrete Research,2002,32(10): [4] S. Chandra, J. Björnström, Influence of superplasticizer type and dosage on the slump loss of Portland cement mortars Part II[J],Cement and Concrete Research,2002,32(10): [5] 郭雅妮, 刘长生, 丁庆军. 羧酸型减水剂与水泥的相容性研究 [J]. 武汉工程大学学报,2007 年 07 月第 29 卷第 4 期. [6] 赵平, 刘克忠, 隋同波等. 高贝利特水泥与高效减水剂相容性研究 [J]. 水泥,2000,(5):1-5. [7] 管宗甫, 陈益民等, 不同阴离子对高阿利特水泥熟料性能的影响 [J], 硅酸盐学报,2004, 32(3):

84 摘 透光混凝土及其施工工艺研究 谷鑫 ( 大连理工大学建设工程学部, 辽宁大连 ) 要 : 介绍了一种新型功能混凝土 透光混凝土 Litracon 通过在混凝土中引入透光玻璃纤维, 它能 够改善混凝土透光性, 并保证结构强度不被削弱, 且具有显著的建筑节能 装饰效果 参考了透光混凝土创 始公司 Litracon 公司的资料, 提供了两种透光混凝土的工业化生产工艺 透光混凝土与建筑智能相结合, 促进建筑可持续发展, 符合低碳生活的全球趋势 关键词 : 透光混凝土 ; 施工工艺 ; 光纤 Light Transmitting Concrete and Its Construction Methods Gu Xin (Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian ) Abstract: The construction methods and attention items for light transmitting concrete (Litracon), a new member in functional concrete, were studied in this paper. Litracon improves the transparence and aesthetic appearance of the concrete, without obviously damage to the strength. Refer to the technical document of Litracon Company, a review was made to introduce the achievement of enterprises over the word and two industrialization production methods were provided. In combination with intelligent building technology, Litracon also conforms to the low carbon lifestyle trend. Keywords: light transmitting concrete; construction methods; optical fiber 1 引言 混凝土是现代社会的基础材料 它是由胶凝材料, 粗集料 细集料和水按一定比例配制, 经搅拌振捣成型, 在一定条件下养护而成的人造石材 在过去的很长一段时间, 混凝土不但 作为结构材料, 还用作维护材料 装饰材料等 然而混凝土本身不透光, 所以在混凝土建筑 里必须大量使用人造光源照明, 并给使用者带来压抑 沉闷的感觉 在建筑人文关怀越来越 受到关注的今天, 改善混凝土的光线穿透能力被提上日程 2004 年匈牙利建筑师 Aron [1] Losonczi 研制出了一种新型装饰功能混凝土 透光混凝土, 也许以后我们看到了混凝土 未必就是颜色灰暗 毫无生气了 2 透光混凝土 德国 BFT 杂志最早介绍了这种产品,2007 年透光混凝土在德国 BAUMA 展览展出 ( 如图 1 所示 ), 引起了世界各地建筑师 结构师的广泛关注 Aron Losonczi 已经和安德烈亚斯 比 蒂斯合作在德国亚琛建立了 Litracon 公司生产此类产品, 目前 Litracon 公司已在美国和匈 牙利设立分公司, 该产品已进入欧洲市场 Aron Losonczi 并不是第一个尝试使混凝土透光 的人, 但是利用塑料块或掺入镁的实验来达到混凝土透光的要求, 到目前为止都没有成功 2009 年中国北京宝贵石艺科技有限公司 北京榆构有限公司等单位也生产出了透光混凝土产 品,2010 年第 41 届世博会的意大利馆就是成功应用透光混凝土的典范 84

85 图 1 Litracon 公司的透光混凝土砌块图 年世博会意大利馆夜景 透光混凝土是玻璃光导纤维和细集料混凝土结合的产物, Litracon 是根据透光混凝土英文 Light Transmitting Concrete 创造的组合词, 核心工艺是将上千根光纤在混凝土两透光面以 [2] 矩阵的方式平行放置, 埋入混凝土道床中 Litracon 能让光线从混凝土的一端传入, 从另一端传出, 光线并不会损失, 甚至光线的色彩也不会走样 当这些 Litracon 砌块置于光源之前, 就能透光 透光混凝土不管在自然光还是人造光下, 都能发挥作用 譬如树木的影子可以显现在墙的内侧, 类似银幕或扫描器 当人站在这种混凝土墙壁前面, 而光从他后面投射 [3] 到墙上时, 在另一侧就可以清晰的看到人影, 这种特殊观感使混凝土墙体的厚度 重量消失了, 而且让人们联想到空气和阳光 2.1 光纤光纤光纤是光导纤维的简写, 是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具 前香港中文大学校长高锟和 George A. Hockham 首先提出光纤可以用于通讯传输的设想, 高锟教授因此获得 2009 年诺贝尔物理学奖 后来又造出一种透明度很高 粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝 玻璃纤维, 当光线以合适的角度射入玻璃纤维时, 光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进 由于这种纤维能够用来传输光线, 所以称它为光导纤维 光纤分为有机的和无机的两类 : 无机的光纤由光学玻璃或者高纯度石英玻璃加工而成的, 透过率高, 光的传输 ( 传递 ) 距离长 ; 有机的是塑料光纤, 价格便宜, 但其透光率低, 一般仅用在玩具上 Litracon 混凝土采用的光纤是德国肖特公司生产的玻璃光纤 这种纤维与传统复合材料制作工艺不同, 每根光纤由一根用氧化硅和锗原料通过蒸汽沉积工艺制成的预制棒拉成, 棒径在 1 mm~7 mm, 按需要裁切成适当长度, 光纤棒两端需打光磨平 然后在拉好的光纤上包覆涂层, 以防漏光 光纤的直径范围在 2 μm~200 μm, 值得注意的是, 应选择不同的直径的纤维搭配, 才能创造更艺术的透光效果 2.2 胶凝材料普通纤维不具有耐碱性, 而硅酸盐水泥的 PH 值在 12.5 左右, 对光导纤维的侵蚀性很大 采用预埋法制作透光混凝土, 建议用低碱度的硫酸盐水泥 这种水泥早强快硬, 降低对纤维的侵蚀 对于后挖法制作透光混凝土, 混凝土与光纤不密切接触, 对水泥种类可以放宽 匈牙利布达佩斯科技大学对 Litracon 的静态性能予以评定, 这种墙能做到 2 m 厚, 理论上说, 这种材料能使 18 m 的光没有衰减, 且其透光性能与 30 cm 厚的普通混凝土墙不相上下 3 透光混凝土的制作工艺根据 Litracon 公司的技术资料和中国建材院曹永康等人的研究成果, 该混凝土施工工艺有后挖法 预埋法两种途径 3.1 后挖法先将透光混凝土基块制成, 然后将文字 图形绘制在混凝土制品表面, 或者在混凝土制 85

86 品模具上已模塑出预期的文字 图案 ; 再按所需的文字图形凿孔, 然后植入已处理好的透光光纤棒, 就可加工出带有光亮图形的透光混凝土制品, 这就是 后挖法 的施工要点 北京宝贵石艺科技有限公司用后挖法在 对话 雕塑的相关图案上植入了光纤棒 因为该水泥混凝土雕塑系中空形式, 这样将 LED 彩灯内置与雕塑内部, 将不同色彩的光纤从光纤棒的入射端射入, 经过高折射率的光纤棒的反复折射直到光的出射端出射, 这样使该水泥混凝土装饰制品成为五光十色的显示器 [4] 后挖法工序简便, 光纤棒位置能够得到保证, 保证光点在混凝土中的期望分布 在透光混凝土经工业化生产后, 打孔工艺的成本将显着得到降低 3.2 预埋法 图 3 实验中的透光混凝土生产模具预埋法类似于钢筋混凝土施工, 根据 EPS 或 XPS 的块体上预先绘制好的文字 图案位置, 将复板贴在块体后, 通过钻孔设备按图案打孔 再将复板定位到已组装好的模板上, 穿入已处理好的光纤棒 ( 见图 3), 再浇注免振捣自密实的水泥净浆或细砂浆, 待其硬化产生有一定强度后, 然后通过锯切露出光纤棒的光点形成的图案, 就制成了透光的装饰水泥混凝土制品 [5] Litracon 公司即采用此方法生产透光混凝土 如果进入工厂化批量生产透光混凝土, 需要采用透光混凝土快速生产模块, 以一透光混凝土单元为例, 包含 : 光传导单元, 每一光传导单元具有入光端及出光端 ; 一个侧模, 直立设置并具有复数个定位部彼此间隔成于该侧模 ; 复数个底模, 彼此平行并列设置, 其中每一个底模具有复数个孔洞, 供光传导单元穿过孔洞后布设于相邻的二底模间, 底模具有一翼部架设于定位部 ; 以及至少一个边模, 沿光传导单元环绕设置于底模的周边, 与底模共同形成灌浆槽, 其中, 当混凝土浆料充填于灌浆槽并待之干燥, 透光混凝土单元成形于灌浆槽, 且入光端及出光端分别暴露于透光混凝土单元之外 [6] 也有学者将透光混凝土与建筑智能化结合研究, 比如大连理工大学欧进萍团队 2009 年申请了此方面的专利 光纤智能透明混凝土及其制备方法, 并对其物理力学性能测试做了系统的工作, 如图 4 所示 基于大直径塑料光纤良好的透光性能 延性以及柔韧性和光纤传感器良好的感知特性等优点, 将一定量的大直径塑料光纤和光纤传感探头 ( 光纤光栅或光纤 ) 布设于普通混凝土结构中实现混凝土的透光性和感知性 他的实验中采用预埋大直径塑料光纤和传感元件, 实现透光性 智能化的目的 [7] 4 透光混凝土的应用前景 图 4 欧进萍实验中透光混凝土及其压碎形态 86

87 将这种能传输光线的光纤铺在混凝土基体内制成砌块, 光纤在砌块内体积占 4%, 所以它的价格和普通混凝土相差不多 目前匈牙利佩齐大学展览厅门厅 ( 图 5) 美国华盛顿国家建筑博物馆 科威特警察学院 瑞典斯德哥尔摩 Stureplan 广场等工程已经采用了此项技术 [8] Litracon 能很好的透射不同波段的可见光和红外光, 大大节约了普通照明损耗 这种墙体本身具有很高的欣赏价值, 在旅馆 饭店 别墅等有装饰要求的建筑中具有很大的应用潜力, 可用于园林装饰 曲面波浪形材, 为建筑师的艺术想象和创作提供了可能性 光纤可以随机分布, 可铺成某种格栅状, 构成不同纹理和色彩的几何图案 图 5 匈牙利佩齐大学展览厅透光门厅 5 结语透光混凝土可以根据各种装饰结构要求制成各种砌块, 幕墙板 预制砖 地下照明的透光地板石材 同时光纤对混凝土强度无显著影响, 也可用于结构材料中 ; 透光混凝土具有良好的绝热性, 如附加了隔热材料, 也可用于室内火灾逃生 夜间导向等特殊领域 混凝土家庭的这位新成员, 给未来混凝土透明化指明了方向 可以预见, 随着透光混凝土的应用, 我们的建筑也将朝着低碳 节能的目标再进一步 参考文献 : [1] 李国信. 匈发明了透明混凝土 [J]. 中国建材,2004(06): [2] Gizmag.LiTraCon 翻新传统混凝土 [J]. 商品混凝土,2009(07): [3] 匿名. 美国研制出透明混凝土 [J]. 硅酸盐通报,2004(04): [4] 王劭婷. 北京榆构研制成功透光混凝土 [J]. 混凝土世界,2009(7): [5] 曹永康, 蔡国章. 导光混凝土称呼 译名及制作工艺 [J]. 混凝土世界, 2010(03) : [6] 尹衍樑. 透光混凝土生产模组及其快速生产方法 [P]. 中国台湾.B28B7/22.CN [7] Zhi Zhou, Ge Ou, Ying Hang, Genda Chen, Jinping Ou. Research and Development of Plastic Optical Fiber Based Smart Transparent Concrete C. Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering Vol7293. Bellingham WA SPIE, F1-F6. [8] 王菁菁. 光墙 当水泥遭遇光纤 [J]. 建筑与文化,2006(2): 基金项目 : 辽宁省自然科学基金项目 ( ); 十一五 国家科技支撑计划重大项目 (2006BAJ04A04). 作者简介 : 谷鑫 (1986~ ), 男, 大连理工大学研究生, 中央广播电视大学 ( 大连分校 ) 理工系外聘讲师. 研究方向为建筑模网混凝土 透光混凝土, 邮箱 mrguxin@163.com. 作者简介 : 谷鑫 (1986~ ), 男, 大连理工大学研究生, 中央广播电视大学 ( 大连分校 ) 理工系外聘讲师 研究方向为建筑模网混凝土 透光混凝土 通讯地址 : 辽宁省大连市凌水路大连理工大学 (116024) 电子邮箱 :mrguxin@163.com. 87

88 再生混凝土在上海世博园区中的示范应用 4 陈建大, 吴德龙 1, 焦贺军 1 2, 金少惷 (1 上海建工材料工程有限公司, 上海 ; 2 上海市第五建筑有限公司, 上海 ) 摘 要 :2010 年上海世博会的主题是 城市, 让生活 更美好, 着重提出了 城市与可持续发展关系, 即城市建设必须建立在可持续发展的基础上 然而, 再生混凝土是对城市建设可持续发展的最好诠释 通过一定的试验研究, 再生混凝土的工作性 力学性能和耐久性满足工程要求, 并在 2010 年世博会工程已获得成功示范应用 这对今后城市建设的可持续发展提供可靠依据之一, 为今后对再生混凝土的深入研究和推广应用建立一定的基础 关键词 : 再生混凝土 ; 再生骨料 ; 上海世博会 The Durability of the Recycled Concrete on the Expo. Shanghai China Chen Jianda 1,Wu Delong 1,Jiao Hejun 1,Jin Shaochun 2 (1 Shanghai Jiangong Construction Material Co., Ltd, Shanghai ; 2 Shanghai No.5 Construction Co., Ltd., Shanghai ) Abstract: The theme of Expo 2010 Shanghai China "Better City, Better Life", highlighted the "relationship between city and sustainable development", that the development of city must be 作者简介 : 陈建大 (1982 ), 男, 硕士学位, 上海建工材料工程有限公司助理工程师 通讯地址 : 上海市江西中路 406 号四楼 (200002) 电子邮件 :chenjd602@126.com 88

89 established on the basis of sustainable development. However, the recycled concrete is the best interpretation of a sustainable development city. By some experimental research, the work, mechanical properties and durability of the recycled concrete meets the engineering requirements, and Expo 2010 Shanghai China demonstration project has been successfully applied. This is the sustainable development of city construction to provide a reliable basis for one of the recycled concrete,for the future in-depth study and application to establish a foundation. Keywords: recycled concrete; recycled aggregate; Expo Shanghai China; 0 背景 随着城市改造和城市功能的变化, 大量的旧建筑被拆除或改造, 在这个过程中会产生大量的建筑废弃物, 这些建筑废弃物约占城市垃圾的 30%~40% 同时, 传统建筑工业的发展很大程度上是以能源 资源的过度消耗和环境污染为代价实现的, 随着城市化进程的不断推进, 大量的不可再生资源被开采作为建筑材料 鉴于此, 很多专家学者都在积极探索建筑行业中的经济循环模式 再生混凝土是建筑行业中的环保 经济循环模式重要内容之一 国内外已对再生混凝土进行了大量研究, 然而, 再生混凝土在各个国家中的工程应用情况参差不齐 总体上, 欧洲在工程应用方面走在前沿, 特别如比利时和荷兰等地域狭小 建筑面积有限的国家 再生混凝土在国内还没有得到很好的推广应用, 如在重大项目或者示范工程中得到较好的应用, 则会推动社会对再生混凝土等环保型建筑材料的认识, 大范围应用得到推广 为更好的借助于 2010 年上海世博会的机遇, 我们特在上海世博会世博园区样板组团项目中使用再生混凝土, 设计结构为钢结构加组合楼板, 每个单体建筑面积 2400m 2, 总共 4800m 2, 楼板厚度 12cm, 再生混凝土总用量 500 方 打造该工程结构的示范效应, 推动再生混凝土在建筑结构中的应用 1 原材料 (1) 水泥 : 选用崛荣水泥厂生产的 42.5 级普通硅酸盐水泥 ; (2) 矿粉 : 选用沙钢 S95 级矿粉 ; (3) 粉煤灰 : 选用上海电桥实业有限公司生产的 Ⅱ 级粉煤灰 ; (4) 细集料 : 选用 Ⅱ 区天然中砂, 细度模数 2.6 左右 ; (5) 外加剂 : 选用中效萘系外加剂 ; (6) 粗集料 : 由天然粗集料和再生骨料混合骨料, 天然粗骨料选用南陵华轮生产的 5~ 25mm 碎石 根据上海世博会在上海旧工厂区改建新建的特点, 就地取材, 获得废旧混凝土成为再生混凝土骨料 采用颚式破碎, 再经过图 1 的再生骨料回收流程进行再利用 89

90 回收废料的分开堆放 通过外部措施减小粒径 初次筛分 除去大于 10mm 的污染物 初次破碎 二次筛分 按粒径和比重 除去木材 塑料 清洗 净化 二次破碎 按骨料粒径分开 可得再生骨料 图 1 再生骨料回收利用流程图 通过图 1 流程操作, 所得的再生粗骨料质量见表 1 所示 从该表中的数据可知, 该再生 粗骨料是符合上海市地方标准再生混凝土应用技术规程 Ⅰ 级标准 表 1 再生粗集料技术指标 表观密度 (kg/m 3 ) 压碎指标 (%) 吸水率 (%) 针片状含量 (%) 表 2 再生粗集料筛分结果 筛孔尺寸 (mm) 分计筛余 (%) 累计筛余 (%)

91 再生粗集料质量指标是满足标准规范, 为了满足配制混凝土时的粒径分布要求, 且与天 然粗骨料能够较好地混合, 通过试验, 确立再生粗骨料在混凝土粗集料中的取代率为 32% 混合粗骨料的级配良好 ( 见表 3), 符合 GB/T 的要求 并且, 各项指标符合 普 通混凝土用砂 石质量及检验方法标准 (JGJ ) 中有关要求, 具体见表 4 所示 表 3 混合粗骨料筛分 筛孔尺寸 (mm) 分计筛余 (%) 累计筛余 (%) GB/T 要求 ~ ~ ~ ~100 <2.36 表 4 混合粗集料技术指标 表观密度 (kg/m 3 ) 压碎指标 (%) 吸水率 (%) 针片状含量 (%) 配合比设计 工程要求混凝土设计强度等级为 C30 因此, 采用再生混凝土时, 其设计强度等级即为 C30 在普通混凝土配合比的基础上, 再根据再生混凝土性能特点, 通过一定量的试验, 确定再生混凝土配合比 与普通基准混凝土相比, 考虑到再生集料的取代率及吸水率, 外加剂用量占胶凝材料总量增加 0.2%, 同时混凝土拌合用水量在原有基准用水量的基础上适量增加, 这样可相对的减少单位用水量的增加量 ; 另外砂率增大 4%, 有助于增加再生混凝土的流动性 C30 再生混凝土设计坍落度为 160±30mm, 配合比见表 5 所示 表 5 再生混凝土基准配合比天然强度等级水水泥矿粉 Ⅱ 级粉煤灰黄砂再生粗集料 ZX300 碎石 RC 生产与施工工艺 再生混凝土采用 4 立方双卧轴搅拌机搅拌 为了搅拌充分均匀, 搅拌时间比常规 C30 混 凝土延长 10s 施工时采用机械振捣方式, 成型后及时覆盖并洒水养护, 湿养护时间 7 天 具体的生产施工工艺流程见图 2 所示 91

92 混凝土生产运输卸料浇捣振实平整养护装拆配除模模板板模板清理湿润图 2 再生混凝土的生产与施工流程图 4 混凝土性能 我们分别从工作性能 力学性能 耐久性等各项指标进行具体地阐述和分析 4.1 工作性能 再生混凝土初始坍落度和 1 小时的坍落度进行测试 控制, 见表 6 所示 混凝土流动性 好, 坍落度保持性好, 混凝土包裹性及均匀性非常好, 浆量丰富, 可以为泵送提供足够的浆 体润滑层 在现场施工过程中, 泵送与浇捣性能良好, 施工过程非常顺利, 与普通混凝土相 比并没有大的区别 表 6 C30 再生混凝土工作性 拌合物工作性 混凝土品种 初始坍落度 (mm) 1 小时坍落度 (mm) C30 再生混凝土