蒸养混凝土

第1章　绪论 1.1　养护工艺及其重要性 新拌混凝土经浇灌入模密实成型后，即进入较为快速的水化、硬化过程，内部结构逐渐形成，强度等力学性能逐渐发展。凡使已密实成型的混凝土较好地进行水化反应，并获得所需物理力学性能及耐久性等指标的工艺措施，均称为混凝土的养护工艺。养护工艺主要是为混凝土中胶凝材料组分水化反应提供所需的温度和湿度条件，根据其各自条件的不同，养护工艺可分为标准养护、自然养护和加速硬化工艺(如蒸汽养护)。养护工艺是与密实成型工艺同等重要的混凝土制品生产制备环节。 对水泥混凝土来说，在温度为(20±3)℃、相对湿度为?90%?以上条件下进行的养护，称为标准养护。在自然气候条件下采取浇水润湿，防风防干和保温防冻等措施养护混凝土，则称为自然养护。在搅拌和密实成型工艺制度不变的条件下，配比相同的混凝土进行标准养护和自然养护时，混凝土强度的增长速度主要取决于水泥的活性和硬化速度。自然养护虽具有简便易行、节约能源的特点，但混凝土的硬化速度比较缓慢，因此生产中常需加速混凝土制品的硬化过程。凡能加速混凝土强度发展过程的工艺措施，均属于加速硬化工艺。在混凝土制品的生产过程中，加速硬化工艺有利于缩短生产周期、提高模型和台座的周转率、提高主要工艺设备的利用率及劳动生产率，从而有利于降低产品成本。在确保产品质量和节约能源的条件下，加速硬化工艺应满足生产过程中不同阶段对强度的要求，如脱模强度、预应力张拉或放张强度及出厂强度等，并避免盲目超用水泥或过分提高混凝土强度等级等不经济合理的措施。 混凝土加速硬化工艺，在混凝土制品的生产过程中占有重要地位，其措施是否合理将*终决定混凝土的内部结构及各项性能指标。如有合理的搅拌及密实成型工艺，而缺乏妥善的养护，仍不能制得优质的混凝土制品。因此，加速硬化工艺是继搅拌及密实成型工艺之后，保证混凝土制品质量的决定性工艺。混凝土加速硬化工艺的措施有很多，根据加速硬化作用的本质不同可分为热养护法、化学促硬法和机械作用法。 热养护法是利用外界热源加热混凝土而加速水泥水化反应的方法，该方法又分为湿热法和干热法。湿热养护时，均以凝结放热系数很高的蒸汽(相对湿度不低于90%)加热混凝土，升温过程中仅有冷凝而无水分的蒸发现象发生。随介质压力的不同，湿热养护又可分为蒸汽养护(常压、无压)和蒸压养护(微压及高压湿热养护)。干热养护时，制品或者不与热介质直接接触，或者用低湿介质直接加热，其升温过程中以水分蒸发现象为主。热养护法效果显著，是混凝土加速硬化的主要方法。应用热养护法时应尽量降低能耗。 化学促硬法则采用早强快硬水泥或掺用化学外加剂来加速混凝土强度的发展过程。应用外加剂，既节约能源又简便易行，是很有前途的方法。 机械作用法则是通过活化水泥浆、强力搅拌、压力成型等措施来实现，这类方法设备复杂，能耗较大。 合理地综合运用各项工艺措施，如热养护和促硬剂、热拌和外加剂相结合等，可使加速硬化工艺得到更优的技术经济效果，因而在现代混凝土生产中受到普遍重视。 混凝土湿热养护的实质是在湿热介质的作用下使混凝土发生一系列物理、化学和力学的变化，从而加速其内部结构的形成，获得早强快硬的效果。但事实表明，外界热源虽然加速了混凝土的结构形成过程，但同时对结构产生破坏作用，使其性能要低于标准养护混凝土。例如，蒸养混凝土28d龄期抗压强度要低于标养混凝土?10%以上，弹性模量低5%～10%，耐久性(如抗冻性)也有所降低[1]。升温越快，养护温度越高，性能相差越大。因此，混凝土的结构形成和结构破坏就成为热养护过程中的一对主要矛盾，并将决定养护的效果和混凝土的性能。研究表明，热养护时混凝土结构的损伤主要是由物理过程引起的。此外，热养护对硅酸盐水泥的化学及物理化学变化也会产生一定的影响。 因此，需要深入研究混凝土热养护工艺原理，分析混凝土内部的化学、物理化学及物理变化过程及其影响因素，从而在各养护期内创造有利于混凝土结构形成的条件，制约导致结构破坏的因素，*终获得性能优良的混凝土。 1.2　混凝土预制构件 为提高生产效率，混凝土预制构件通常采用加速硬化工艺进行生产，如蒸汽湿热、干热、电热、高频电热法、红外线养护法、微波养护法等[2]。由于蒸汽的生产成本较低，工艺简单，且具有含热量高、湿度大及运输方便等优点而被广泛使用，我国的预制构件生产基本采用蒸汽养护[2~4]。 1.2.1　分类 随着社会进步和工程建设的发展，混凝土制品的种类日益增多，性能和应用也各不相同。具体的分类方法较多，如按胶凝材料种类、集料类型、构件外观形状、生产工艺、配筋类型、用途等。表1.2.1是基于构件外观形状的混凝土预制构件分类。从表中可以得知，混凝土预制构件几乎涉及各类工程结构部件，涉及各行各业。 表1.2.1　基于构件外观形状的混凝土预制构件分类 1.2.2　发展概况 1. 国际发展概况 1850年，Lambot制作了**条钢筋混凝土小船，是混凝土制品发展史上首次大突破。1867年，Monie获得钢筋混凝土结构设计专利，当时尚无设计理论指导，仅凭经验进行设计。1886年，Koenen基于材料力学原理，提出以允许应力计算钢筋混凝土结构的方法。1888年，Doehring 获得制作预应力楼板的专利。1940年，Nervi发明钢丝网水泥，为薄壁制品及结构提供了适用的材料。1929年YTONG公司、1934年Siporex公司，以及同期的Hebel公司相继建立并推出加气混凝土产品及技术。第二次世界大战后，丹麦、荷兰、波兰也开始生产加气混凝土制品。 硅酸盐水泥的出现促进了混凝土砌块的迅速发展。1866年，Hutchinson获得美国空心砌块专利。1874年，Rhodes获得在混凝土塑性状态下制作空心砌块的专利。1890年，Palmer开始混凝土砌块的商业性生产，七年后建成一幢空心砌块房屋，1900年，他又获得可动芯模和可调侧模的砌块成型机专利。1905年，美国在巴拿马运河和菲律宾用砌块建造大量房屋设施，然后在其本国也开始广泛应用。**次世界大战后，美国砌块产量增加7倍，第二次世界大战结束后第二年产量又翻一番。随后，Besser和Columbia成为美国*大的两家砌块设备制造公司。欧洲及日本的空心砌块也同样迅速发展。苏联则以大、中型砌块为主。相传17世纪赴美洲的英国移民就已采用木框预制墙板。19世纪末的产业革命，使新材料不断涌现，建筑工业化也已萌生，已初步形成体系建筑的概念。1935年，苏联开始研建预制住宅。第二次世界大战后，劳动力短缺，促使预制装配式建筑及体系建筑首先在欧洲迅速发展。 混凝土密实成型工艺新技术(如真空脱水、离心法等)的出现，使得混凝土制品迎来更大的生机。1909年，德国Rheinck公司及英国Jagger公司首先实现真空脱水技术在砌块和混凝土构件生产中的应用。1933年，美国Billner工程师获得真空混凝土专利。随着技术的进一步完善，振动真空脱水工艺技术在板材、地坪、路面、护坡、大管等工程中得到广泛应用。离心法是制作环形截面制品的主要方法。1910年，澳大利亚Hume首先用离心法制作外压管；1920年，Roberston和Clark合建制管厂，1927年，按二人名首音节命名为Rocla制管公司，并于1943年发明悬辊法制管工艺。在法国，1937年，按Freyssinet建议的一阶段制管工艺生产了??800～1600mm的预应力混凝土管，1939年，又制成带铸铁法兰的预应力混凝土管，之后，又用三阶段法制成了双向预应力混凝土管，称为Socoman管。1951年，美国用离心—振动—辊压复合工艺制成预应力管，并以Cen-Vi-Ro Pipe命名其制管公司。1943年，瑞典成立Sentab制管公司，1948年按一阶段法制成Sentab管，并于1952年获得专利。 巴西*早的预制构件是?1926?年在里约热内卢建造Gavea剧院时采用的，预制构件作为其基础和外墙；至20世纪50年代，预制构件使用较为普遍，1961年，由建筑师Niemeyer设计的巴西利亚大学某建筑结构采用了预制混凝土板和预制预应力混凝土梁，这是巴西预制构件发展的一个里程碑；进入80年代，巴西的预制构件生产工业进入了快速发展阶段。 欧洲采用预制构件进行建筑施工始于20世纪50年代，主要原因是第二次世界大战后采用预制构件建造民用房屋来缓解住房紧张的局面，波兰是*早采用预制构件建造民宅的欧洲国家之一，50年代即开始采用预制构件进行建筑施工，1975年成立了预制混凝土构件制造国家协会，全国约有200个生产制造商，消耗全国10%的水泥，年产值可达5.5亿欧元。 1993年，广告媒体公司专门为混凝土和预制构件工业创办了商业杂志。1998年，Concrete Plant International出版了**期，开始只有英文版和德文版，双月刊，主要报道混凝土制品新生产技术、生产方法、产品类型以及*新的相关会议和市场信息。读者主要是混凝土及其预制工厂的技术决策者。随着读者群的增加，Concrete Plant International逐渐发展为世界性期刊，2001～2009年，逐步覆盖了西班牙、意大利、法国、俄罗斯、波兰、葡萄牙、土耳其、中国等国家，已经采用12种语言出版，覆盖170多个国家。这些举措很好地推动了混凝土预制行业的发展，影响力巨大，混凝土制品工业逐步踏上了技术与信息共享发展的快车道。 2. 国内发展概况 我国的水泥工业起始于?1889?年的唐山启新洋灰公司。1926年，开始采用混凝土电杆。抗日战争时期，在北京、上海及南京生产离心电杆。1938年，日本浅野株式会社在沈阳开设石棉瓦株式会社。随后，天津、吉林也均开始生产石棉瓦。同年，日本大同株式会社在北京、天津建立排水管厂。20世纪40年代，上海等地利用美国砌块成型机生产了水泥炉渣小型空心砌块，但这些工厂的手工劳动强度大，机械化水平低，产量低。 中华人民共和国成立后，我国混凝土制品工业得到蓬勃发展。为适应经济建设的需要，迅速发展起分布于建材、建工、水电、铁道、公路、冶金等各部门的混凝土制品工业。 我国混凝土制品工业的发展经历了以下几个重要时期。 中华人民共和国成立之初至改革开放前期，茁壮成长与蓬勃发展期。中华人民共和国成立初期，随着国民经济建设发展的需要，水泥工业得到恢复和发展，制定了相应技术标准及有关试验方法，建立、扩大了技术队伍，开展了基本技术研究工作及一些新产品的研制推广工作，至1957年混凝土用量增长10倍，建成和发展了一批骨干企业，如北京**建筑构件厂等，并顺利支援了武汉长江大桥的建设。20世纪50年代后期至60年代中期进一步蓬勃发展，该时期内生产出四大系列水泥，开发了新品种混凝土，采用强度等级较高的混凝土制作了60m预应力屋架，研究了各主要品种混凝土制品及其生产设备和工艺，包括混凝土电杆、轨枕、预应力混凝土管、自应力管、钢丝网水泥船、石棉水泥瓦、玻璃纤维增强水泥制品、砌块等，建立了全湿热、干热和干湿热等各种养护设备及压蒸釜等系列生产线，并及时推广应用，取得了全面性进展。 改革开放开始至20世纪90年代，快速发展期。在改革开放的推动下，混凝土制品工业及技术取得新的重大进展，特别是随着混凝土技术的进步和化学外加剂、矿物外加剂等在混凝土中的应用，商品混凝土逐步推广，混凝土新工艺、新产品层出不穷，技术标准、试验方法及质量保证系统日趋完善，基础理论研究也取得新的进展。同时，引进了一些国外先进的专利技术、关键设备和生产线，如Rocla悬辊法预应力管生产线，Sentab振动挤压法制管生产线，日本的彩色石棉水泥瓦生产线、意大利的水磨石生产线、德国及日本的搅拌机和搅拌楼、德国的纤维增强水泥板9000t压制机，以及早期引进的石膏板、岩棉板及加气混凝土生产线等。对国外引进技术的消化吸收、国