混凝土微波养护试验研究及硬化机理分析.docx

1、混凝土微波养护试验研究及硬化机理分析绪论1.1混凝土材料的简介混凝土是当代最主要的土木工程材料之一。它是由胶结材料，集料、骨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。混凝土具有原料丰富，价格低廉，生产工艺简单的特点，因而使其用量越来越大；同时混凝土还具有抗压强度高，耐久性好，强度等级范围宽，使其使用范围出十分广泛，不仅在各种土木工程中使用，就是造船业，机械工业，海洋的开发，地热工程等，混凝土也是重要的材料。混凝土浇捣后，之所以能逐渐凝结硬化，主要是因为水泥水化作用的结果，而水化作用则需要适当的温度和湿度条件，因此为了保证混凝土有适宜的硬化条件，使其强度不断增长，必须

2、对混凝土进行养护。混凝土的养护目的，一是创造各种条件使水泥充分水化，加速其硬化：二是防止混凝土成型后暴晒、风吹、寒冷等条件而出现的不正常收缩、裂缝等破损现象。传统的养护方法中，最常用的是覆盖养护法，主要措施为：在初凝以后开始覆盖养护，在终凝后开始浇水（12小时后）覆盖物、麦杆、烂草席、竹帘、麻袋片、编制布等片状物。浇水工具可以采用水管、水桶等工具保证混凝土的湿润度。养护时间，与构件项目、水泥品种和有无掺外加济有关，常用的五种水泥正常温度条件下应不少与7天；掺有外加剂或有抗渗、抗冻要求的项目，应不少与14天。随着我国经济的快速发展，社会发展所需的基础设施建设量不断加大，对混凝土的需求量与日俱增。

3、我国已是世界混凝土使用大户，居于世界首位，但混凝土对养护环境及养护时间的要求极为严格，这在很大程度上延长了工期，强度的发展已不能满足人类的要求，造成了人力资源的浪费。因此，改善传统养护方法，在达到工程要求的强度的前提下尽可能的缩短养护时间，减少工期，对加快施工进度提高模板的利用率，改善混凝土的硬化工艺都是有很巨大意义。微波它能在很短的时间内将食物加热到所需的温度，而且热能量是由内向外传递的。其方便快捷的特点引起了我们的注意，由此，我们想到了，将微波技术应用到养护混凝土上，可以利用微波的迅速加热特点提高混凝土的水化速度，也可以改善混凝土的内部硬化情况，肯定能收到良好的效果。1.2混凝土的技术性质

4、 工程上要求混凝土有良好的和易性，可塑性，耐久性以及强大的抗压强度。其中，和易性是一项综合的技术性质，包括流动性，粘聚性和保水性三方面的含义：流动性：是指新拌混凝土在自重或机械振捣作用下，能产生流动，并均匀密实地填充到模板的各个角落的性能；粘聚性：是新拌混凝土在施工过程中其组成材料之间有一定的粘聚力，使得混凝土不致发生分层和离析的性能；保水性：新拌混凝土在施工过程中，保持水分不易析出的能力.可塑性：指混凝土在施工中根据施工要求易于塑造成工程所需形状的能力。传统的混凝土养护的特点：标准养护的概念，标准养护的不足，需要28天才能实现，现代社会节奏加快，社会发展迅速，对工期的要求越来越高，城市里一项

5、工程的实施往往要打乱人们的社会生活，人们希望越快越好，所以传统的养护方法要有所突破，创新出新的养护工艺。1.3混凝土硬化原理当水泥与适量的水调和时，开始形成的是一种可塑性的浆体，具有可加工性。随着时间的推移，浆体逐渐失去了可塑性，变成不能流动的紧密的状态，此后浆体的强度逐渐增加，直到最后能变成具有相当强度的石状固体。如果原先还掺有集合料如砂、石子等，水泥就会把它们胶结在一起，变成坚固的整体，即我们常说的混凝土。这整个过程我们把它叫做水泥的凝结和硬化。从物理、化学观点来看，凝结和硬化是连续进行的、不可截然分开的一个过程，凝结是硬化的基础，硬化是凝结的继续。但是在施工中为了保证施工质量，要求在水泥

6、浆体失去其可塑性以前必须结束施工，因此人们根据需要以及水泥浆体的这个特性，人为地将这整个过程划分为凝结和硬化两个过程。凝结是指水泥浆体从可塑性变成非可塑性，并具有很低的强度的过程；硬化是指浆体强度逐渐提高能抵抗外来作用力的过程。此外，对凝结过程还人为地进一步划分为初凝和终凝，用加水后开始计算的时间来表示。例如，国家标准规定：普通硅酸盐水泥初凝不得早于45min，终凝不得迟于12h。使用时施工浇灌过程的时间，必须早于45min；到终凝后，才能脱去模板开始下一个周期生产。 水泥的凝结和硬化，是一个复杂的物理化学过程，其根本原因在于构成水泥熟料的矿物成分本身的特性。水泥熟料矿物遇水后会发生水解或水化

7、反应而变成水化物，由这些水化物按照一定的方式靠多种引力相互搭接和联结形成水泥石的结构，导致产生强度。 普通硅酸盐水泥熟料主要是由硅酸三钙（3CaOSiO2）、硅酸二钙（-2CaOSiO2）、铝酸三钙（3CaOAl2O3）和铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3）四种矿物组成的，它们的相对含量大致为：硅酸三钙3760，硅酸二钙1537，铝酸三钙715，铁铝酸四钙1018。这四种矿物遇水后均能起水化反应，但由于它们本身矿物结构上的差异以及相应水化产物性质的不同，各矿物的水化速率和强度，也有很大的差异。按水化速率可排列成：铝酸三钙铁铝酸四钙硅酸三钙硅酸二钙。按最终强度可排列成：硅酸二钙硅酸三钙铁铝

8、酸四钙铝酸三钙。而水泥的凝结时间，早期强度主要取决于铝酸三钙和硅酸三钙。现分别简述它们的水化反应。 上述铝酸三钙的水化反应如果进行得很快，会导致水泥的凝结过快而无法使用，因此，一般在粉磨水泥时都掺有适量的二水石膏作为缓凝剂，由于这个反应就不会引起快凝。当水泥中的石膏完全作用完后，还有多余3CaOAl2O3时将发生下列反应。如果还有过量3CaOAl2O3时，就会生成4CaOAl2O313H2O。在正常缓凝的硅酸盐水泥中，石膏掺入量能保证在浆体结硬以前，不会发生后两个反应，由于CaO0.81.5SiO2H2O0.25与天然的托勃莫来石很相似，因而称它为托勃莫来石，通常用CSH(B)来表示。 铁铝酸

9、四钙水化反应和铝酸三钙相似，而硅酸二钙水化反应和硅酸三钙相似。 按结晶理论认为水泥熟料矿物水化以后生成的晶体物质相互交错，聚结在一起从而使整个物料凝结并硬化。按胶体理论认为水化后生成大量的胶体物质，这些胶体物质由于外部干燥失水，或由于内部未水化颗粒的继续水化，于是产生“内吸作用”而失水，从而使胶体硬化。随着科学技术的发展，特别是X射线和电子显微技术的应用，将这两种理论统一起来，过去认为水化硅酸钙CSH(B)是胶体无定形的，实际上它是纤维状晶体，只不过这些晶体非常细小，处在胶体大小范围内，比面积很大罢了。所以现在比较统一的认识是：水泥水化初期生成了许多胶体大小范围的晶体如CSH(B)和一些大的晶

10、体如Ca(OH)2包裹在水泥颗粒表面，它们这些细小的固相质点靠极弱的物理引力使彼此在接触点处粘结起来，而连成一空间网状结构，叫做凝聚结构。由于这种结构是靠较弱的引力在接触点进行无秩序的连结在一起而形成的，所以结构的强度很低而有明显的可塑性。以后随着水化的继续进行，水泥颗粒表面不大稳定的包裹层开始破坏而水化反应加速，从饱和的溶液中就析出新的、更稳定的水化物晶体，这些晶体不断长大，依靠多种引力使彼此粘结在一起形成紧密的结构，叫做结晶结构。这种结构比凝聚结构的强度大得多。水泥浆体就是这样获得强度而硬化的。随后，水化继续进行，从溶液中析出新的晶体和水化硅酸钙凝胶不断充满在结构的空间中，水泥浆体的强度也

11、不断得到增长。 影响水泥凝结速率和硬化强度的因素很多，除了熟料矿物本身结构，它们相对含量及水泥磨粉细度等这些内因外，还与外界条件如温度、加水量以及掺有不同量的不同种类的外加剂等外因密切相关。14 1.4国内微波养护技术的研究现状 微波养护技术作为一种新兴的技术手段，到目前为止，已经成功应用于公路沥青的维护上，并取得了可喜的成果。漯驻高速公路漯河至驻马店段是国家和河南省“九五”期间重点建设项目之一，是河南省境内交通最为繁忙的路段之一，该工程于1999年3月28日正式开工建设，2001年9月18日建成通车。该段高速公路建成通车后，随着近年来社会经济的快速发展，交通流量日益增长，作为国家南北交通大动

12、脉的重要组成部分，漯驻高速公路承担着繁重的交通压力，目前路面存在较严重的裂缝、车辙、翻浆等病害，影响了行车舒适和行车安全。微波热再生技术应用到沥青路面坑槽、拥包、裂缝、翻浆、沉陷、车辙、松散的及时修复。它具有加热均匀、控制及时、无污染等优越性，应用于沥青路面的现场热再生，满足高等级公路“快速进入、快速作业、快速撤离”的工作要求，取得相当可观的经济效益。2国内对于微波养护混凝土技术鲜有报道，我们认为，可以把微波技术应用于混凝土上，它有极大优势： （1）微波时间、强度可控，可根据具体情况实现人为调节，可以达到最佳养护效果。 （2）微波加热功能可靠，可以保证混凝土的水泥顺利硬化，使水泥石结构致密，从

13、而提高混凝土的抗压强度和耐久性。 （3）微波可以实现现场化，使养护水平从预制走向工程现地，有利于提高混凝土的强度等级。 （4）混凝土微波养护的生产工艺的创新是可行的，理论基础是模拟现场蒸汽养护，工艺条件可以实现。 （5）可以制造大型微波设备，用于工程实际，成本较低。 2微波养护实验用原材料与实验方案设计2.1实验原材料标准砂：中国ISO标准砂，每袋1350g（大袋净重20.25kg），夏门艾思欧标准砂有限公司出品。符合交通部JTJ059-95，JTG051-03标准，中国标准砂厂出品。水泥：32.5R普通硅酸盐水泥，邯郸太行山股份有限公司出品，包装日期2010年3月27日，包装选用温度小于90

14、。石子：直径为10mm20的石子。 水：饮用自来水。2.2主要实验设备1.TYE-3000微机控制压力试验机，最大荷载：3000KN,自动数据采集，图像自动绘制，自动加压、卸载。2.微机控制电液伺服万能试验机，型号：WAW-1000, 最大载荷：1000KN，自动数据采集，图像自动绘制，自动加压、卸载。3.实验室专用HJW-30混凝土搅拌机，型号：HJW-30，最大30升，时间精确到秒。4.数控磁力震动台，振动频率：2860次/分，振幅：0.30.6mm。5.工.业天平，烧杯，量筒。6.微波炉，型号为格兰仕P70D20TP-C6(W0),微波输出功率为1180W，额定微波频率为2450MHZ。

15、7.非金属超声检测仪，型号ZBLU510,出厂编号U10710006,北京智博联科技有限公司出品，探测厚度可达10米。2.3微波使物体发热的原理微波是指波长为0.0011米的无线电波，其对应的频率为30000兆赫到300兆赫。这种电磁波的能量比通常的无线电波大，且一碰到金属就发生反射，金属不会吸收或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而含有水分的物体，微波不但不能透过，其能量反而会被吸收。通常，一些介质材料由极性分子和非极性分子组成。在微波电磁场的作用下，介质中的极性分子从原来的热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向。例如：采用的微波频率为2450MHz，就会

16、出现每秒24亿5千万次交变，分子间就会产生激烈的摩擦。在这一微观过程中，微波能量转化为介质内的热量，使介质温度呈现为宏观上的升高。由此可见微波加热是介质材料自身损耗电磁能量而加热。微波加热的基本条件是：物体本身要吸收微波。水是吸收微波很好的介质，所以凡是含水的物质必定会吸收微波。对于金属材料，电磁场不能透入内部而是被反射出来，所以金属材料不能用微波加热。因此，可以设计把混凝土试块放到微波环境下，给混凝土包裹上一层水环境，利用微波的方法把混凝土周围和内部的水加热，使混凝土处于热的环境来达到蒸气养护，从而提高混凝土强度，缩短养护周期，使工程提前完工，达到经济效益和社会效益双丰收。31为混凝土试块；2为微波发射器图2-1 微波养护混凝土原理图2.4探索