稀土電熱涂料在混凝土冬季施工應用研究

在混凝土產(chǎn)品的生產(chǎn)中，工程質(zhì)量除與原料配方及施工方法有關外，還與水合速度、環(huán)境溫度、水合時間有直接關系。水合反應是一種放熱反應，受環(huán)境溫度影響較大，環(huán)境溫度越低，反應越慢、放熱越慢、水合反應越慢、混凝土產(chǎn)品的強度越低。混凝土的主要質(zhì)量指標——強度往往達不到設計要求，經(jīng)常造成工程質(zhì)量問題。據(jù)資料分析，有三分之二混凝土工程質(zhì)量方面的事故發(fā)生在冬季。

在冬季施工時，新澆混凝土在養(yǎng)護初期就遭受凍結，當溫度恢復到正常溫度后，即使在正常溫度養(yǎng)護到一定齡期，也不能達到設計的要求，這就是混凝土的早期凍害。

解決混凝土的早期凍害有兩個技術措施：①通過增加密實度，排除多余游離水分，摻入防凍液，改善混凝土本身的內(nèi)部結構，提高混凝土的抗凍能力；②通過使用早強水泥或早強劑、早期保溫蓄熱和早期短期加熱，改善系統(tǒng)水合溫度并提高早期強度。

當蓄熱法、外加劑和早強水泥法還不能滿足強度設計要求時，往往采用外部加熱法對混凝土系統(tǒng)進行加熱保溫，使混凝土系統(tǒng)達到受凍臨界強度，達到設計的強度要求。

外部加熱法有三種：蒸氣加熱法、電熱法、暖棚法。其中，電熱法對要求在短期內(nèi)達到設計強度的混凝土結構有特殊的功效。雖然電熱法有多種形式 ( 電熱毯、電磁感應、電極等 ) ，但在混凝土冬季施工時，大家普遍采用電熱毯外加煤油爐或電熱燈作為熱源，操作簡便易行。電熱毯在冬季混凝土施工時，由于一般將電熱毯的尺寸制成模板背面區(qū)格的尺寸大小，將其填充，再覆蓋保溫材料，外側(cè)封口，通電即可工作，發(fā)熱溫度一般為110 ℃。雖然覆蓋保溫材料有一定的保溫作用，但由于電熱毯與模板的接觸不緊密，傳熱路徑較長，存在縫隙，容易產(chǎn)生空氣的流動，熱損失較大，保溫效果并不理想，生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率低下。

針對上述混凝土冬季施工的現(xiàn)狀和存在的主要問題，研究了先進的稀土電熱涂料，研制出稀土電熱膜保溫模板，對冬季混凝土的施工進行高效、安全的加熱保溫，保證冬季混凝土系統(tǒng)的正常水合反應，滿足了混凝土的強度設計要求，有效防止混凝土的早期凍害，達到安全、高效、環(huán)保的施工目的。

1 稀土電熱膜加熱保溫模板

1.1 稀土電熱膜加熱保溫的理念

電熱膜不同于傳統(tǒng)的電加熱，是由分散成細顆粒狀的導電材料和非導電材料涂覆在基體表面，經(jīng)熱處理而成的加熱薄膜，通電后可使電能轉(zhuǎn)化為熱能，從而起到加熱保溫的作用，可取代傳統(tǒng)的發(fā)熱產(chǎn)品。

電熱膜技術是國外在 2O 世紀 5O 年代初提出并開始研究的，當時應用在石油輸油管道、電線電纜等野外設施進行保溫防凍。從 20 世紀 70 年代起，隨著對電熱膜技術研究的不斷深入，工藝技術逐步成熟，應用范圍也不斷擴大。目前已應用到電子、醫(yī)療、交通、宇航、家用電器、化學工業(yè)、輕工、紡織等領域。作為加熱元件的電熱膜越來越得到廣泛的應用，這是因為它有比傳統(tǒng)加熱元件所不可比擬的優(yōu)勢：①面狀發(fā)熱、熱效率高；②無機原料，壽命長；③無明火、安全可靠；④產(chǎn)品應用領域選擇性強。

1.2 稀土電熱膜加熱保溫模板

1.2.1 稀土電熱膜加熱保溫模板的結構

稀土電熱膜加熱保溫模板是在普通的模板表面涂覆稀土電熱涂料，經(jīng)熱固化、防水處理復合而成。具有熱效率高、傳熱迅速、絕緣、防水的功能。它由四部分組成：稀土電熱膜、保溫材料、防水外殼、電源引線。稀土電熱膜加熱保溫模板結構示意見圖1。

1.2.2 稀土電熱膜加熱保溫模板的特點

(1) 熱效率高。面狀加熱、低溫輻射，采用絕熱材料，實現(xiàn)高效單向熱傳導，熱效高，電一熱轉(zhuǎn)換率達 99 ％。

(2) 壽命長。發(fā)熱層屬于稀土、無機材料。無明火、不熾熱、不發(fā)紅、不氧化，輻射溫度在 80 ℃ 左右，平均壽命在 7 a 左右。

(3) 安全可靠。由于采用的整體復合工藝，耐壓 1 萬 V 不擊穿，絕緣電阻大于 500 M Ω 。

(4) 安裝操作方便。與建筑模塊相比，電熱膜加熱模板有一組電源連線，只需將電源連接即可使用。

2 稀土電熱膜加熱保溫模板現(xiàn)場實施

2.1 稀土電熱膜加熱保溫模板的制備

2.1.1 模板外殼制備

按照設計尺寸，制取 300 mm × 300 mm × 50 mm 金屬殼 ( 開口 ) ，材料為 A 3F ，厚度為 1.0 mm ；對模板外殼的內(nèi)部進行除銹、絕緣處理，測量絕緣層與金屬外殼絕緣電阻，阻值在 500 M Ω 以上。

2.1.2 稀土電熱膜加熱層制備

(1) 稀土導電涂料制備

將二氧化硅、炭化硅、硼酸、雙氫、氧化鉛按照一定的比例混合反應制得原料組分 A ；再將石墨粉、稀土氧化鈰按照一定的比例混合制成組分 B ；將 A 、 B 組分按照 3.2:1.0 的比例進行混合，加入溶劑，調(diào)制成黏稠狀的導電涂料；

(2) 稀土電熱膜制備

使用壓縮機將導電涂料噴涂在絕緣層上，經(jīng)熱處理制得稀土電熱膜涂層。再制作電極，連接電源引線即可。

2.1.3 絕熱保溫層及整體復合

將制好的模板外殼安裝在特制的模具中，將電源引線暴露在模板外殼的外部，將絕熱原材料一次注入到模板外殼內(nèi)，待整體成型后，復合防水材料即可。

2.2 混凝土加熱保溫試驗及強度測量

現(xiàn)場試驗是在室外進行，氣溫為 - 15 ℃ ，風力 2 級，有小雪。實施樣品為方塊模板 (1 200 mm × 1 200mm × 300 mm ) ，附設在地面的鋼板上，共安裝稀土電熱膜加熱保溫模板 48 塊；混凝土的比例為： 425 號普通水泥：石子：黃砂：水 =1 ： 1.5 ： 1.5 ： 3 ，水溫為 60 ℃ ，現(xiàn)場采用翻斗車一次澆注，澆注完畢，方塊模板頂部覆蓋防雨布；功率為 2 ． 4 kW ，溫度測量采用大體積砼內(nèi)部溫度監(jiān)測系統(tǒng)，運行電壓為 220 V ，電流為 5 ． 2 A ，混凝士內(nèi)部最高溫度為 52 ℃ ，最低為 37 ℃ 。運行 16 h 停止加熱。

2.3 取樣和養(yǎng)護測量

冷卻至室溫后拆模取樣，取樣采用取芯法，芯樣直徑為 80 mm ，長度為 300 mm ，。養(yǎng)護采用濕養(yǎng)護法，養(yǎng)護時間從 2006 年3月6 日開始，分別養(yǎng)護 63 h 和 18h ，然后測量抗壓強度，結果見表 1 。

2.3.1 混凝土質(zhì)量

混凝土表觀質(zhì)量和強度均滿足規(guī)范要求，未發(fā)現(xiàn) 質(zhì)量缺陷。

2.3.2 混凝土強度增長率

試件養(yǎng)護期間平均氣溫為 1 ℃ ，上述氣溫條件下混凝土強度增長率經(jīng)驗數(shù)值為，塊I :0.17 × 63/72= 14.9% ；塊Ⅱ:0.13 × 18/24=9 .8 %；其中 72 MPa ,24 MPa 分別為在養(yǎng)護條件下的塊 I 和塊Ⅱ的經(jīng)驗值。電加熱條件下混凝土強度實際增 ( 長率為，塊 I：37.1 /44=84 .3 %；塊Ⅱ:20.7/44=47.0% ，式中 44 MPa 為加熱試驗條件下的經(jīng)驗值。

混凝土強度增長率分別達到無加熱措施時的 5.7 倍 (63 h 強度 ) 和 4 .8 倍 (18 h 強度 ) 。

3 分析和結論

使用稀土電熱涂料技術對建筑鋼模板進行加熱，對混凝土的內(nèi)部質(zhì)量沒有影響；這種加熱形式完全滿足冬季混凝土施工生產(chǎn)需要，發(fā)熱均勻，對提高混凝土的強度、保證混凝土的質(zhì)量意義重大，可替代其他電加熱工藝，廣泛應用在混凝土冬季施工，應用前景十分廣闊 !