干旱地区抑制水面蒸发轻质混凝土抗冻性试验研究

干旱地区抑制水面蒸发轻质混凝土抗冻性试验研究 分类号: 单位代码: 密 级:公开 学 号: 宁 夏 大 学 硕士学位 干旱地区抑制水面蒸发轻质混凝土 抗冻性试验研究 ?? . 学位 申请人: 黄圭适 指 导 教 师: 里垩全塾援 申请学位门类级别: 王堂亟? 称: 丕型丞电王程 向: 苴丞灌遗理途皇撞丕 专研所 业究在 名方学 院: ?丕兰丞型王程堂瞳独创性』声明 本人声明所呈交的论文是我个人在田军仓导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 时间:如,年月日 研究生签名:孝怎违/ 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅,可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 研究生签名: 时间:如『 毫弋磊 年月二日 \/ 导师签名: 日 皿鼍冬 时间:工力、年月摘 要 本文针对干旱地区抑制水面蒸发轻质混凝土的抗冻性问题,在综述了抑制水面蒸发研究及混 凝土抗冻研究的基础上,以用于抑制水面蒸发的节水轻质混凝土新材料一珍珠岩混凝土为研究对 象,采用对比试验的方法对水灰比为.、.、.的膨胀珍珠岩混凝土及水灰比为.、.、 .的普通珍珠岩混凝土进行了基本物理力学性能试验及抗冻性能试验研究。主要研究结果如 下: 、通过对不同水灰比的珍珠岩混凝土进行基本物理、力学性能试验,得出水灰比对其物理 力学性能有明显的影响。珍珠岩混凝土的水灰比从.到.时,轻质混凝土的干容重降低.%, 抗压强度降低.%,吸水率增大.%。 、通过对不同水灰比的珍珠岩混凝土进行抗冻性能试验,得出普通珍珠岩混 凝土和憎水珍 珠岩混凝土相对动弹性模量、强度均随冻融循环次数的增加而降低。 、由于珍珠岩混凝土在冻融试验过程中存在吸水引起的质量增加的现象,所以质量损失率 这个指标不能合理判断珍珠岩混凝土的抗冻性能。 、通过国民经济评价得出:三种材料的费用效益比均,说明三种轻质混凝土材料在经 济上都是合理的;通过财务评价得出:泡沫混凝土板和普通珍珠岩混凝土板两种材料在财务上可 行,而憎水珍珠岩混凝土板在财务上不可行。因此,从经济性及自然气候环境角度考虑,实际应 用中建议采用普通珍珠岩混凝土覆盖抑制水库水面蒸发的措施。 本研究成果为干旱地区抑制水面蒸发、提高水资源利用率提供了理论和技术依据,填补了我 区在干旱地区抑制水面蒸发技术中轻质混凝土抗冻性研究及实际应用的空白,对干旱地区水资源 高效利用和水资源可持续发展具有重大现实意义。 动弹性模量,经济评价 关键词:抑制水面蒸发,轻质混凝土,抗冻性能, ? . , . /.、/.、/? /.、/.、/. ? , : , . ,. .,. .%, .%, .%..? . 。 . , ., . . , 三, . ,。 . .. , ., .,?, : ,? , 目录 第一章绪论..一? .弓言??..?一? .抑制水面蒸发研究现状?.一一 .混凝土抗冻性研究现状.?一? ..混凝土冻融破坏研究现状??.??..一一 ..混凝土冻融试验方法研究现状?.??.一? .本文研究目标及研究意义??..?一? ..研究目标??...??...??.?一一 ..研究意义??....一? .本文的研究内容及技术路线..?.?一? ..研究内容??..?.?....一? ..技术路线??..?..??.?........??...??一一 第二章原材料、设备及试验设计??.?..?...?..?..一? .原材料?..?..??.......??.?..一? ..水泥....??..?....?................?....?.一? ..膨胀珍珠岩?......??.??..?.?.?........一? ..及拌合自来水.?..?..??...?.?........一~ .试验主要设备与工具.....??......?.........??......一? .试验设计?...??...??......?.........??......一? ..节水轻质混凝土制作工艺方法??..........?一? ? ..配合比设计.?..........?........?....?...?..一 ? ..试验流程??........?.?....?.?.....一 ./、结.........................?.......?......?........一一 ? 第三章节水轻质混凝土的物理性能及基本力学性能研究.?..??.....一 .引言...................?.................?....?......一? .试验方法.?.??......?..........?.........一? ? ..节水轻质混凝土基本物理性能试验方法.....??........一 ..基本力学性能试验方法?...?.........?...一? .试验?..?....?...??....?....??.一?.试验结果与分 析??...??...??...一? ..试验结果?.??一? ..结果分析.一? ./、结?......??....一一 第四章节水轻质混凝土的抗冻性能研究?....??一? .弓言.??...一? .试验方法?.??.?....??一? ..卜陕速冻融试验方法...??..一? ..动弹性模量测定试验方法?..一? .试验方案..?.??.....??.一? .试验结果与分析.??.??..?..??一? ..试验结果.??.....?.?一? ..结果分析...??...?.....?.??..?......?..一? ./、结??.....?.??..?....?......?......??.一一 第五章抑制水面蒸发轻质混凝土经济效益评价??..??..一? .弓言...........??............?..??.......?....一? .国民经济评价指标...........?....??....?......?..一? .财务评价指标?.?.....?...?..?.....?...一? . 国民经济评价?..?.......?....??..?........?..一? .财务评价?..?..........................??.一? ./』、结...?......?......?..........?............?..一一 第六章结论与展望?.?........................?...........?.一? .结论.............?..................?.....?.....?..一? .工作展望.?..?........................?..........?..一一 参考文献?...??.?.?.............?..?............?..一一 致 谢...?..................?......?.?...?.......?..一一 个人简介......?......?.............一一 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 .引言 近年来,水资源问题不仅成为是制约我国经济社会发展的重大问题,也是全世界范围内许多 国家面临的重大问题。伴随着世界人口剧增,经济社会的高速发展,使得全球用水量急剧增长, 水污染日益严重。根据联合国发布的《世界水资源综合评估报告》,指出水问题是制约世纪世 界经济及社会发展的重要因素,水问题可能导致国家问的冲突。正由于水资源日益影响全球的环 境与发展,探讨世纪水资源的国家战略及其相关科学问题,已成为是全球共同关注和各国政 府的重点议题之一【卜。据“国际水资源管理协会”就.年,世界上哥国家的用水量 和供应量所作的调查研列’’,预测到年,中东个国家,包括叙利亚、埃及以及南非、印 度西部和南部的干旱地区和中国的北部,都将面临着严重的水资源危机,因而全世界三分之二的 人口,将生活在严重缺水的状态下。 我国幅员辽阔,人口众多,以占世界陆地面积的%的土地养育着占世界%的人口。水资 源总量虽然比较丰富,但按人口和耕地面积分配,水资源数量却极为有限,因而存在着水资源与 , 人民生产、生活不相适应的矛盾。我国人口已超过亿,平均每人年占有的径流量仅为 相当于美国每人平均占有量的/,原苏联的/,巴西的/,加拿大的/,为世界平均水平 的%。由此可见,按人口和耕地平均拥有的水资源还相当紧缺,因此水资源是我国十分珍贵的 自然资源【】。 作为水资源总量匮乏的西北地区,其国土面积不包括内蒙古东部和陕西南部 地区占全国 的%,淡水资源总量仅占‰单位面积产水量.万/,仅为全国平均值的%,地多 水少是西北地区的主要特征【。西北地区多年平均降水深约为不包括内蒙古东部和陕 西南部地区,余万的沙漠与戈壁地区,年降雨量低至 以下,而多年平均蒸发量 却高达,有的地区甚至超过了,水资源短缺已成为西北地区开发和可持续发展 的制约因素?。而水资源十分贫乏的宁夏地区,水资源总量排在全国乃至西北最后见图卜。 宁夏河川径流有总量少、地区变化大、年内分配不均、年际变化大,年降水量不均的特点?。宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 目前,国内主要是从合理开发水资源、节水灌溉、水资源管理、输配水系统的节水以及农业 节水增产技术这五个方面实现来节水目的【】。而如何抑制水库水面等水体的无效蒸发,研究还没 有达到可以在现实中推广应用的水平。水体的水分蒸发损失主要是来自湖泊、河流、水库等大面 积水体的水分蒸发流失,而在干旱地区由于水面无效蒸发损失的水量更是不计其数。以内蒙古为 例?引,全年年径流总量约.亿立米,年实际蒸发量约,亿立米,即年均降雨量 的% 被蒸发掉。又如在新疆已建的座水库中绝大多数都为平原水库,水库水面面积约 , 平均水深为. 。这些水库的年蒸发量为.×,蒸发损失量超过水库总库容的%,大 。 大降低了水库的有效利用率【 而抑制水库水面蒸发最突出的亟待解决的问题是水库水面覆盖物的老化、冻融问题。如何可 以使水库覆盖物在冬天有效防止冻融破坏使其使用寿命大大延长需要做进一步的深入研究,而这 方面研究国内外可参考的资料很少。利用合适的抑制水面蒸发技术,可以减少无效水面蒸发损失, 节约宝贵的水资源,这对于解决水资源供需矛盾,改善生态环境有着重大的现实意义,同时也能 为解决水资源短缺问题的提供新思路新方法。 .韦水面蒸发研究现状 对于抑制水面蒸发的方法,国内外在该领域公开发行的刊物上,能检索到的相关理论研究与 实际应用的报道并不多。抑制水面蒸发的方法按覆盖水面的材料,一般可分为化学试剂法、物理 覆盖材料法、生物技术法等三类方法。 国外采用化学试剂方法来减少水面蒸发的研究最早是由里迪尔应用各种脂肪酸覆 盖水面,首先观测了单分子膜具有抑制水面蒸发的作用。澳大利亚的曼斯菲尔德在自然环 境下利用十六烷醇和十八烷醇形成单分子薄膜抑制水面蒸发,从而由 此揭开了抑制水面蒸发研究的序幕【 。其后许多国家和部门相继进行了试验研究,采用很多可以 形成单分子膜的化学试剂进行了抑制蒸发试验,年国际水库蒸发会议讨论通过了单分子薄膜 抑制蒸发的物理化学基础【 。日本从菜籽油中提炼出,其主要成分是氧化乙烯二十二 烷,抑制率可达到%~%【?。加拿大用一种“含脂酒精”的有机分子物质抑制水面 蒸发,通过该技术蒸发率可降低%。而后来美国亚利桑那州的一座蓄水库采用石蜡抑制水面蒸 发,抑制率超过%,使用四年后,石蜡仍完好【。 我国也陆续采用化学试剂方法开展了一些水面蒸发试验。朱岗岜等【 在甘肃省河西 地区进行了单分子薄膜抑制水面蒸发试验。施成熙在南京用醇和醇进行了蒸发 试验。廖宗族【利用日用化学工业中椰油醇提取.醇后的残渣试制蒸发抑制剂,在解 决试剂的乳化及扩散两大问题后,制成了水面蒸发抑制剂,抑制蒸发率高达.%。吴邦信、 陈天祥等人【 以我国盛产的乌柏脂为原料制取棕榈酸、油酸的聚氧乙烯酰胺和氨基醇酰胺, 用所得到的非离子型表面活性剂抑制水面蒸发。肖蕊等】利用溶液、/ 溶液和/乳液进行实验。夏萍、吴燕等拉采用十六醇、脂肪醇聚氧 乙烯醚一、石油醚。~?配制成溶液体系和乳液体系,当乳液体系的表面浓度为 .‖时,不溶膜在汽水界面铺展完全,分子膜凝聚性较好,在自然环境中蒸发抑制率较好。 以上方法是通过将化学试剂喷洒至水面来达到抑制水面蒸发的目的。此种方法投资较少且使第一章绪论 宁夏大学硕士学位论文 用方便,材料来源地广泛。但是也存在很大的缺点与问题,例如化学试剂形成的薄膜在水面铺展 后由于风浪作用的不稳定性,薄膜的是否可降解性、修复性及化学试剂本身具有一定的毒性等, 鉴于这些缺点使得这种方法还不能在实际中大范围的推广应用。 由于化学试剂方法的不足,采用物理覆盖物方法即用漂浮物覆盖水面来抑制水面蒸发的方法 越来越受到国外研究者的推崇。例如澳大利 英联邦科学以及工业研究组织 和维多利亚州水管机构采用 公司生产的高容重聚乙烯帘布在维多利亚州 的四个小型水坝进行试验,该试验表明,水面覆盖帘布后减少了水生植物的生长,蒸发率下降了 。 约%。对不同颜色的聚乙烯抑制水面蒸发效果进行了测定 国内用物理覆盖物来抑制水面蒸发的研究最先在新疆进行。严新军口】提出将苯板漂浮 在水面的工程措施来抑制水面蒸发,但是其研究的重点放在苯板在水面的稳定性,对苯板覆盖影 响抑制水面蒸发的效果及覆盖后会对水质是否产生变化、苯板的物理化学性能是否变化等等并未 做更进一步的研究。车安宁提出使用现在流行的聚酯材料,广泛播撒在水库表面抑制水 面的蒸发。武金慧】在甘肃景泰县一座水库利用聚苯乙烯泡沫塑料板、聚乙烯片以及石 蜡材料覆盖于水面进行了抑制水面蒸发的试验研究。结果表明,聚苯乙烯泡沫塑料板的抑制水面 蒸发效率最好,石蜡效果最差。其研究只限于水面的完全覆盖,而对非完全覆盖以及两种材料在 室内外的物理化学性能的变化情况并没有做进一步的深入研究。杨浦.利用轻质混凝 土板、聚苯乙烯泡沫塑料板、竹片、遮阳网以及竹片与遮阳网组合材料进行抑制水面蒸发试验, 并首次提出利用轻质混凝土进行蒸发试验。试验研究表明,与聚苯乙烯泡沫塑料板相比,轻质混 凝土抑制效果显著。竹材抑制蒸发率较低,且污染水质,不适合用于抑制水面蒸发。赵相会 .】利用轻质混凝土板、苯板、橡塑保温板、聚氨酯泡沫塑料板材料进行了相关试 验。该试验研究表明聚氨酯泡沫塑料板在水中性能稳定,抑制水面蒸发率高。橡塑保温板的抑制 率也较高。苯板的抑制率在试验初期较好,但是由于长时间暴露于野外环境下,随着时间的推移 出现老化现象,吸水率增大,不适于长期使用。 采用生物技术方法也可以用于抑制水面蒸发试验。孙芹芳【】在武昌东湖试验站对 种植着水花生和浮萍的水体进行了水面蒸发的试验和分析。试验证明,不同类型的水草对水面蒸 发的影响也不同。王积强等人【 在新疆阿克苏地区采用蒲草抑制水面蒸发。蒲草的平均 利用 抑制蒸发率为.%,较化学方法抑制率低,抑制效果不明显。毛锐等【 年的资料分析了有水草水面、污水面、受热水面、盐水卤水面等特定水面类型的蒸发量,最后 建议用水生植物的蒸腾规律来控制水面蒸发,调节水面温度,达到减少水面 蒸发量的目的。丁成 在甘肃陇南水文站用水生植物进行了水面蒸发的试验研究,研究初步探讨了水生植物对 水面蒸发的影响规律,研究表明在生长旺季水花生将增大水面蒸发%左右,而浮萍可减少蒸发 %左右。生物技术方法的缺点在于不同水生植物对水面蒸发的不同影响,不同水生植物对不同 水环境的适应性以及对生态环境的不同影响,因而没有得到很好的推广使用。 目前国内外对抑制水面蒸发的研究仍然处于探索阶段。绝大部分研究集中在化学试剂方法, 物理覆盖物方法。由于一些条件的局限,以上这些方法在现实生活及产品应用推广方面十分困难。 而且绝大多数研究都是针对自由水体及完全水面覆盖条件下的抑制水面蒸发,对于非完全覆盖的 抑制水面蒸发及化学试剂、物理材料覆盖后对水体水质、材料的物理力学性能的变化情况等都缺 乏更进一步的深入研究。 ..宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 当然随着科学技术的发展,越来越多的新技术新材料新方法用于水面蒸发研究中。例如应用 更为价廉耐久稳定的新型高分子膜及固体漂浮材料;应用同位素技术于来估 算水面蒸发量或利用 遥感技术探测各种气象因子、水域情况,计算区域尺度上的日蒸发量等等。如何将传统的 研究理论与新技术新材料新方法有机的结合起来,并在实际中得到有效的推广应用,这是今后水 面蒸发研究迫切需要解决的。 .混凝土抗冻性研究现状 本论文研究在国内首次用膨胀珍珠岩混凝土用于抑制水面蒸发试验研究。针对年、 年用于抑制水面蒸发轻质泡沫混凝土材料的抗冻能力差,强度低等突出问题,通过比较,选用膨 胀珍珠岩混凝土用于抑制水面蒸发试验,并对其基本性能及抗冻耐久性能进行了一定研究。现就 混凝土的抗冻性研究现状进行了综述。 ..混凝土冻融破坏研究现状 混凝土冻融破坏的研究始于世纪年代初,迄今为止已有许多专家学者提出过不少的理 论,其中最早的混凝土破坏理论解释是当混凝土中孔隙水结冰体积膨胀%,混凝土内部的有效 孔隙不足以来容纳孔隙中水结冰膨胀的体积,膨胀应力由此产生使得混凝土内部结构遭到破坏。 ..提出了膨胀压理论。膨胀压理论:首先混凝土在冻结时,负温度从其四 周侵入,冻结首先发生在混凝土四周表面上并将构件包围封闭起来。由于表层水结冰后冰体积膨 胀,使得未冻结的水分通过毛细孔道压人饱和度较小的空间,随后由于温度的不断持续降低,冰 体积开始不断增大,压迫未冻结的水,未冻结的水被压得无处可流,于是在毛细孔内产生了极大 的压力作用,从而水泥石中的毛细孔产生了拉应力。毛细孔内的水压力达到一定程度时,造成水 泥石内部的拉应力过高,当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时,毛细孔则遭到破裂,混凝土内 部即产生微裂纹而遭受破坏。随后和他的同事针对混凝土的冻融破坏机制提出 了渗透压理论【 ,即在负温条件下,首先是毛细孔中有部分水冻结成冰,由于溶液中的水冻结, 使得溶液的浓度变大,从而在毛细孔与凝胶孔内的溶液之问产生着浓度差,于是凝胶孔中的液体 【提出他的关 向毛细孔中扩散,两个通道之间形成了渗透压。后来加拿大. 于混凝土受冻破坏的理论即结晶压理论,凡是被吸附在多孔固体表面上或包含在固体中的水,如 果经过重新分布后就会冻结。由于存在表面力的作用,使得被吸附液体不能达到形成结晶所需要 的压力。结晶压理论认为,处于冻融环境中的混凝土材料,当其内部包含的溶液的固态体积大于 其液态体积时,就会产生结晶压力。【也曾提出“冻融临界饱水值法”,即混 凝土能够容纳的可冻结水含量存在一个临界值,当内部的可冻结水量未达到临界值时,即使在冻 害环境下,混凝土也不会发生冻融破坏;而当内部可冻结水量到达临界值之后,混凝土则迅速破 坏。混凝土中饱水程度越大,可冻水量越多,当其饱水程度超过临界值时,就会发生破坏。 等人研究表明混凝土的含气量、临界气泡间距、水灰比、骨料、临界饱水度和降温 速度等因素综合的决定了混凝土的抗冻耐久性。通过热力学的方法阐述了结晶 压理论。通过研究表明引气能显著提高混凝土的抗冻融性。.【纠 .在结晶压理论的基础上,把孔隙弹性力学理论引入到孔隙材料的冻融破坏中,将微 观尺度的方程与材料的平均性质紧密的联系起来。通过测量混凝土试件的膨胀及试件 ..宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 变化情况来研究混凝土受冻结冰的过程以及引起的损伤的原因。..】和 基于断裂力学的理论,提出了用“胶体剥落”理论来解释盐冻剥蚀破坏过程, 并根据理论基础对 冻融过程进行了试验分析及数值模拟。 而我国对混凝土抗冻性以及耐久性也做了大量的研究,绝大多数研究从材料学的角度考察混 凝土内部性质及外部环境对混凝土抗冻性能的影响,包括孔结构、集料、配合比、外加剂、环境 湿度、养护条件等。范沈抚等提出了提高水工混凝土抗冻耐久性的技术措施,即抗冻 混凝土必须掺入引气剂,同时减小水灰比,选用优质的原材料,严格按施工规范进行施工与养护。 宋拥军通过研究表明只要采用合适的引气量,就能明显提高普通混凝土的抗冻耐久 性能。黄土元【 】提出合理的气泡结构可以使混凝土抗冻性能得以明显改善。吴中伟 教授通过大量试验后提出了孔结构理论,认为混凝土的冻融破坏与混凝土内部微孔结构有关。 一般情况下,孔隙率越大,其相对含水量越多,使得混凝土中可结冰的水也就越多。水灰比也是 影响混凝土抗冻耐久生的直接因素,随着水灰比的增大,不仅使含有可冻结水的空隙体积增加, 而且内部孔的平均孔径也逐渐增大,导致混凝土的抗冻性耐久性降低。缪昌文通过 对混凝土的抗盐冻性能进行相关的试验研究,得出混凝土的剥落主要受到渗透性、孔隙率、表面 层饱和程度的影响的结论。余红发等通过试验研究了盐湖环境中膨胀剂、纤维对高性 能混凝土抗冻耐久性的影响。巴恒静等参照抗冻性能试验方法后,证明使用活 性掺合料及引气剂能够改善混凝土的抗冻性。国内水科院李金玉应用快速冻融试验法 来探索混凝土水饱和状态下冻融中的破坏机理。他通过测试在冻融过程中混凝土的抗压强度,抗 弯强度,动弹性模量,饱和面干吸水率和孔结构,然后对混凝土的水化产物进行一系列相关分析, 证实混凝土的冻融破坏是一个物理破坏过程,而且不同种类混凝土破坏机理也不尽相同。段安 在的基础上,考虑冻融降温过程中的温度场作用,认为混凝土冻融过程是温度 场、达西渗流场、力学场的多场耦合下的物理破坏过程。 目前,对于混凝土的冻融破坏机理国内外尚无统一的定论,但是经典的膨胀压理论、渗透压 理论和结晶压理论已经可以较为合理地解释混凝土的冻融破坏问题。试验方面,针对混凝土抗冻 耐久生的试验已经逐步由宏观向微观领域深入,但是对于研究影响混凝土抗 冻性的因素问题还只 是停留在定性试验分析的阶段上。 。.混凝土冻融试验方法研究现状 国外混凝土冻融试验方法目前主要有美国的冻融试验方法、原苏联的冻融试验方 法、英国规定的试验方法、欧洲混凝土冻融性试验方法、国际材料协会混凝土冻融试验方法等。 美国的冻融试验方法主要包括三种试验方法?,即“混凝土快速冻融试验方法”、“受 冻混凝土临界膨胀试验方法”、“商品混凝土砌块和相关混凝土构件冻融耐久性评估试验方法”。 混凝土快速冻融试验方法是在.. 温度范围内,利用水冻或气冻方法对每个试件进行 次的冻融循环,当试件的相对动弹性模量下降到原来的%或质量损失率超过%后停止试验。受 冻混凝土临界膨胀试验方法是通过测量混凝土两次冻融循环前后的极限伸长率,当伸长率相差超 过.%时,则认为试件不具备抗冻能力。由于受冻混凝土临界膨胀试验方法的周期长,劳动强 度较大,所以在实际中应用较少。商品混凝土砌块和相关混凝土构件冻融耐久性评估方法是测量宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 混凝土砌块或构件经过冻融循环后的重量损失率来确定混凝土耐久性的方、法【。 原苏联规定冻融试验方法主要有种方法【,即普通冻融法和快速冻融法。普通冻融法是以 立方体混凝土试件为冻融试件,在一??的温度下所能承受的最大循环次数作为混凝土的抗 冻等级。而快速冻融法主要由“积累残余变形快速测定混凝土抗冻性方法”、“在温度为一?? 下冻结快速测定混凝土抗冻性方法”及“用补偿系数测定混凝土抗冻性的快速试验计算方法”这 三种方法组成。其中积累残余变形快速测定混凝土抗冻性方法在使用中必须建立混凝土冻融循环 次数与相对变形之间的关系,然后通过测量混凝土受冻后的变形来快速测定混凝土的抗冻性。温 度为一??下冻结快速测定混凝土抗冻性方法规定冻结温度为一??,试件为立方体混凝土 试件。试验时将一的立方体试件在一??下冻结后,之后内将冻融室的温度 升高到一?,再将试件取出放在~。的水中融解以上,当试件经过次冻融,其强度损 失大于%时停止试验。补偿系数测定混凝土抗冻性的快速试验计算方法是通过测定新拌制混凝 土含气量等有关系数,根据测定的系数计算出补偿系数,之后确定混凝土的 抗冻等级。该方法可 以直接评价混凝土制品或结构的抗冻性,尤其适用于密实骨料混凝土的测定【?。 × 英国规定的混凝土冻融试验方法中所用的试件尺寸为 ×。冻融试 验前要求试件在温度为??水中养护。开始试验后要求试件在一??温度下冻左 右,让后试件在??度水中融解。当试件经过次冻融循环后计算其相对长度变化率【。 欧洲的?:标准推荐了冻融试验的一个参考方法和两个替代方法。参考方 法为平板法,即以/次冻融循环后单位面积上混凝土试件累计剥落量大小来衡量混凝土的抗冻 性。 两个代替方法是立方体法/试验方法。立方体法是以次冻融循环后试件的质量损 失百分比衡量混凝土的抗冻性能。而/法是试件在次冻融循坏或次冻融循环后, 。。 通过测量超声波传播时间及试件表面剥蚀量的变化情况来评价衡量混凝土的抗冻性能【 国际材料与结构研究试验联合会于年颁布的一试验方法,其中包括快冻 法、盐冻法和极限充水程度法。在此基础上后来的国际材料试验学会又颁布了 一 试验方法,即法、平板法和立方体法【 。随后国际材料试验学会于年颁布了新修订的 试验方法,主要包括法和平板法两种方法峥。法中混凝土试件是 通过毛细管吸入的方式进行预饱处理,然后进行冻融循环试验,通过测量计算动弹性模量的相对 变化和试件单位面积的质量损失率来评价混凝土的抗冻性能【引。 我国国内在年后由水工、建工等部门陆续制定了混凝土相关冻融的试验方法。目前运 用最广的是《/?普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》、 /? 水工混凝土试验规程》。国内混凝土冻融试验方法主要有慢冻法和快冻法两种方法组成。 慢冻法是参考前苏联冻融试验方法后得出的试验方法。试件为标准立方体。试件成型经过标 准养护后,在到达龄期前放到.?左右的水中浸泡天。慢冻法所需设备主要有冷冻箱和恒 温水槽。试验一个循环小时,其中冻、融各占一半。试验结束后根据试件抗冻标号不同,多次 进行抗压强度和重量损失率的。一般混凝土强度损失率不超过%或重量损失率不超过% 时的最大冻融循环次数,根据规范对照相应等级划分标准即可确定混凝土的抗冻等级。 我国的快冻法起源于美国。快冻法评定抗冻指标主要有相对动弹性模量及质 量损失率。试验 主要设备为快速冻融试验机,试验前冻融试件在水中浸泡后进行试验。快冻法中整个冻融过程 需在一之内完成,当混凝土试件的质量损失率超过%或相对动弹性模量小于%时即停止试 一.第一蕈绪论 宁夏大学硕士学位论文 验,混凝土的抗冻等级以质量损失率不超过%或相对动弹性模量大%的最大冻融循环次数来 确定。 目前国内外采用的混凝土冻融试验方法很多,由于基于的原理方法不同,每种方法都有其合 理性。但从总体来看由于试件与冻融介质接触方式存在着差异、试验采用的冻融介质的不同、冻 融循环制度的差异性以及冻融体系中评价参数的不一致导致冻融试验结果大不相同,因而在世界 范围内这些方法对混凝土冻融评价标准体系缺乏指导与借鉴意义?。 .本文研究目标及研究意义 ..研究目标 通过对不同水灰比、不同掺合料的膨胀珍珠岩轻质混凝土板进行相关的基本物理、力学性能 试验,筛选出合适的轻质混凝土材料。然后对其进行抗冻性试验研究,从而筛 选出抗冻能力较强、 经济效益佳且抑制水面蒸发效果好的轻质混凝土板,为干旱地区抑制水面蒸发、提高水资源利用 率提供理论和技术依据。 ..研究意义 本文是田军仓教授主持的宁东水资源高效利用项目的一部分,针对、年抑制水面 蒸发轻质混凝土抗冻耐久性差的问题,结合之前已有的相关试验研究后重新改良节水轻质混凝土 材料的试验配方,并对其进行抗冻耐久性试验,目的在于解决节水轻质混凝土抗冻性能差的问题。 这项研究填补了我区在干旱地区抑制水面蒸发技术中轻质混凝土抗冻性及实际应用的空白,对干 旱地区水资源高效利用和水资源可持续发展具有重大现实意义。 .本文的研究内容及技术路线 ..研究内容 本文针对用于抑制水面蒸发的轻质混凝土的抗冻问题,选取膨胀珍珠岩混凝土为研究对象, 进行了材料相关的基本物理、力学性能及抗冻耐久性试验,主要包括以下内容: 抑制水面蒸发轻质混凝土的选取 选用膨胀珍珠岩混凝土取代泡沫混凝土材料作为抑制水面蒸发的水面覆盖 材料。主要包括试 验所用各种原材料以及材料性能,试验方案的确定和混凝土配合比的设计。 抑制水面蒸发轻质混凝土物理性能及基本力学性能研究 对膨胀珍珠岩混凝土的物理性能及基本力学性能进行了试验研究,研究了普通珍珠岩及憎水 性珍珠岩混凝土的物理性能和基本力学性能,并分析了影响结果及原因。 抑制水面蒸发轻质混凝土的抗冻性能研究 采用“快冻法”试验方法,研究了普通珍珠岩混凝土和憎水珍珠岩混凝土在水溶液中的抗冻 耐久性,并对其抗冻耐久性能指标进行了分析,讨论了造成差异性的原因。 抑制水面蒸发的轻质混凝土经济性评价研究 通过对用于抑制水面蒸发的普通珍珠岩混凝土、憎水珍珠岩混凝土及泡沫混凝土进行经济效益评价及财务评价分析后,筛选出抑制水面蒸发效果较好且经济效益佳的材料,为下一步水库抑 制水面蒸发技术及推广使用提供一定的理论依据。 ..技术路线宁夏大学硕士学位论文 第二章原材料、设备及试验设计 第二章原材料、设备及试验设计 .原材料 ..水泥 作为在水中应用的抑制水面蒸发混凝土材料, 在制作时首先考虑其抗渗抗冻性能。本试验采 用的是最常见的水泥品种.普通硅酸盐水泥, 这种水泥不仅资源分布广泛、 价格低廉,而且 具有凝结硬化快、强度高、抗冻性好、耐久性好等优点。本文中所使用的水泥为宁夏赛马实业股 份有限公司生产的.普通硅酸盐水泥,其主要化学指标见表?、主要力学性能指标见表?。 表?水泥的化学成分合格 . . . . ..膨胀珍珠岩 膨胀珍珠岩是由酸性火山玻璃质熔岩珍珠岩经破碎、筛分至一定粒度,再经预热、瞬间 高温焙烧、冷却后制成的一种白色或者浅色的优质绝热材料。膨胀珍珠岩属于玻璃质岩石,通常 呈白色或浅灰等颜色,有玻璃光泽或珍珠光泽。它具有表观容重轻、导热系数低、稳定性好、 使用温度范围广、吸湿能力小,且无毒、无味、防火、吸音等特点。膨胀珍珠岩的化学成 分主要是:和少量的。。,其中。含量在%一%范围内,:。含量为%%, 物理化学性能指标具体见表。膨胀珍珠岩按有无憎水性分为普通膨胀珍珠岩见图? 和憎水膨胀珍珠岩见图.。 表膨胀珍珠岩物理化学性能指标 ..宁夏大学硕士学位论文 第二章原材料、设备及试验设计 膨胀珍珠岩的应用领域及其广泛,它可用于建筑工业领域:作为混凝土骨材、各种防火隔热 吸音板、各种工业设备管道绝热层、各种冷库工程的内壁、低沸点液体气体的贮藏内壁和运输工 具的内壁等;可用于农业领域:作为土壤改造、调节土壤板结同时控制土壤肥效和肥度,利用珍 珠岩的多孔吸附性,其也可作为杀虫剂和除草剂的稀释剂和载体;也可用于化工食品领域:用作 过滤剂、去污剂、充填剂、催化剂以及油井灌浆混合剂:此外还可以用于轻工业领域:作为作各 种隔热、保温玻璃陶瓷等制品的配料。 本试验中选用的膨胀珍珠岩为普通膨胀珍珠岩和憎水膨胀珍珠岩,生产厂家为河南信阳恒业 珍珠岩保温材料厂。 图普通膨胀珍珠岩 图憎水膨胀珍珠岩 ..外加剂及拌合自来水 本试验采用的防水剂为高效复合液态防水剂,其主要成分是水溶性甲基硅酸钾溶液,添加量 为胶凝材料质量的%。添加防水剂主要是为减少混凝土的毛细孔隙或切断毛细孔通道,提高混凝 土的防渗抗冻性能。混凝土拌合水为银川市供应的自来水。 .试验主要设备与工具 试验中用的主要设备与工具如下: .型混凝土快速冻融试验设备,天津市北辰试验建工仪器厂生产; 动弹性模量测定仪,天津市北辰试验建工仪器厂生产; 万能压力试验机,上海三思建工仪器有限公司生产; 电子称:最大量程,感量; 试件盒:由硬质橡胶制成。其截面尺寸为,高; 电热偶、电位差计:能在.。。范围内测定试件中心温度,测量精度不低于.?; 电热鼓风干燥箱,上海精宏试验设备有限公司。宁夏大学硕士学位论文 第二章原材料、设备及试验设计 .试验设计 ..节水轻质混凝土制作工艺方法 由于膨胀珍珠岩混凝土的加工成型工艺需要使用相关加压成型设备,故试验中采用的膨胀珍 珠岩混凝土其加工制作地点选在银市贺兰县珍珠岩厂。 试验中轻质混凝土试件的搅拌制备采用的是机械搅拌。轻质混凝土试件的制备过程为:先将 水泥与珍珠岩的用量称好后按不同的比例混合后,根据水灰比的不同加入适量水,搅拌成均匀稳 定的料浆,控制料浆温度,并加入防水剂等外加剂,按照一定搅拌速率搅拌一定时间,然后注入 试模,再通过相关机械设备加压成型后将试件拆模、编号。考虑到轻质混凝 土板块主要用于漂浮 水面,抑制水面蒸发,正常的工作状态在水中,其强度仍要继续发展,且试件为非承重构件,本 身强度低,故养护龄期选为天,试件放在。,相对湿度%标准养护室中养护,养护至 所需龄期后进行相关性能测试。 ..试验方案 本次试验中抑制水面蒸发轻质混凝土主要采用膨胀珍珠岩混凝土包括普通珍珠岩混凝土和 憎水珍珠岩混凝土。配合比设计主要基于以下两个方面:一方面考虑到轻质混凝土主要用于漂 浮在水面抑制水面蒸发,其物理性能和基本力学性能需要满足一定的条件,结合实际环境,在实 验室条件下尽可能提供一个配合比参考范围;另一方面根据轻质混凝土在水中应用,需考虑其抗 冻耐久性能,并根据实验研究结果提出轻质混凝土在不同配合比下的抗冻耐久性能影响因素及为 下一步的优化轻质混凝土改进工作提供良好的基础。具体配合比设计见表?、?所示。 表普通膨胀珍珠岩轻质混凝土配合比一 编号 水灰比 岩灰匕 水泥 普通珍珠岩 用水量 防水剂% 原警组 . . . . . . 埔 . . . . . . . . . . . . 坫 . . . . . . . . . 队阶附阳阻腿阢陀阢卜之书之屯弋 揭?; 汜晓呓沱呓呓屹卫池 . . . 如加?加加三加 注:表一中的字母代表添加普通珍珠岩;、、分别代表水灰比为.、 、.:防水剂添加量为水泥用量的%;岩灰比是 指珍珠岩与水泥的配合比例。宁夏大学硕士学位论文 第二章原材料、设备及试验设计 表憎水膨胀珍珠岩轻质混凝土配合比一 注:表二中的字母代表添加憎水珍珠岩;、、分别代表水灰比为.、.、.;防水剂添加量为水泥用量的%;岩灰比 是指珍珠岩与水泥的配合比例。 ..试验流程 将膨胀珍珠岩材料掺进水泥中,加入外加剂并通过一些列工序制成的轻 质膨胀珍珠岩混凝土试件,分别对其进行物理性能、基本力学性能试验和抗冻耐久性试验,最终 得出不同水灰比,不同种类珍珠岩对轻质膨胀珍珠岩混凝土物理力学性能影响,并结合轻质混凝 土抗冻试验得出珍珠岩混凝土在不同配合比下抗冻性能的影响因素,最后筛选出适宜于抑制水面 蒸发的轻质混凝土。详细试验方案内容及分析见后面两章,试验流程见图.。 图试验流程图宁夏大学硕士学位论文 第二章原材料、设备及试验设计 .小结 由于目前还没有研究者将膨胀珍珠岩混凝土用于抑制水面蒸发研究,相关规范及试验规程也 没有介绍这种轻质混凝土材料的的抗冻性能试验及基本力学性能试验的方法,所以参照相关规范 规程及根据试验的特点,确定了试验所使用的原材料及设备、试验所用试件的施工工艺,并设计 了一系列轻质混凝土配合比试验方案,以研究这种节水轻质混凝土材料的物理力学性能及抗冻耐 久性能。宁夏大学硕士学位论文 第三章节水轻质混凝土的物理性能及基本力学性能研究 第三章节水轻质混凝土的物理性能及基本力学性能研究 .引言 本文的节水轻质混凝土为膨胀珍珠岩混凝土,膨胀珍珠岩混凝土是以水泥、膨胀珍珠岩为骨 料,加入防水剂和水通过筛选、配制、混合搅拌、加压成型、自然养护等工序制成的隔热、防水、 轻质多空混凝土材料。 膨胀珍珠岩混凝土具有质量轻、导热系数小、耐酸碱、不易变形、憎水性能好及在水中稳定 性好等特点,所以本试验应用膨胀珍珠岩混凝土制成的节水轻质混凝土板材,用于抑制水面蒸发 试验的研究。在国内首次将这种轻质混凝土应用到这一领域,无论是对节水新材料新技术的应用, 还是对抑制水面蒸发技术的发展都具有重要的意义。本章在对其物理性能、基本力学性能研究的 基础上,根据不同水灰比、不同掺合料对其物理力学性能的影响情况,进行了分析。 .试验方法 混凝土采用机械搅拌。节水轻质混凝土板材主要用于漂浮水面及抑制水面蒸发,其强度在水 中仍要持续发展。且节水轻质混凝土为非承重构件,自身强度较低,故试件养护龄期选为天, 养护条件为标准养护。本章测试主要指标为:干表观容重、抗压强度、吸水率。由于目前没有这 种轻质混凝土材料试验标准,所以本章试验标准主要参考/?普通混凝土力学性能 试验方法》 、/ ?蒸压加气混凝土性能试验方法》 、/?普通混凝 土长期性能和耐久性能试验方法》、/?水工混凝土试验规程》 。 ..节水轻质混凝土基本物理性能试验方法 节水轻质混凝土板材主要用于漂浮水面抑制水面蒸发,而普通混凝土的干表观容重在 /远大于水的容重 /,无法飘浮在水面,所以节水轻质混凝土的一个 物理性能测试首要指标是干表观容重,且必须小于水的容重。但是在小于水 的容重的条件下,干 表观容重并非越小越好,太小必然强度太低,而太大容重的混凝土板材露出水面太浅,反而起不 到良好的抑制水面蒸发的效果。所以制作板材尺寸时,要求露出水面左右为宜,因此,节水 轻质混凝土的干表观容重在? /范围时比较好。由于混凝土具有吸水性,会对材料的 漂浮性能及抑制蒸发效率都有影响,故应用时必须也要考虑其吸水性能指标即吸水率。 试验中的节水轻质膨胀珍珠岩混凝土的板材尺寸为 ×,不能按照标准尺寸 ××锯取,故参照/?蒸压加气混凝土性能试验方法》,将 制备的不同标号不同水灰比的试件加工成尺寸为×的非标准轻质混凝土试块, 在到达预定养护龄期天前,将试块放入电热鼓风干燥箱中,先在。温度下干燥,然后在 ?温度下干燥,最后在?温度下烘至恒重。试件冷却到室温后,将试件取出,测定其 干表观容重。干表观容重测定完毕以后,将试件放入水温保持在??的恒温水槽中,然后加 水至试件高度的/,保持;然后继续加水到试件高度的/,经过后,继续加水直至高 出试件高度以上,保持,将试件从水中取出,抹去表面水分,称取每块质量,测 定试件第三章节水轻质混凝土的物理性能及基本力学性能研究 宁夏大学硕士学位论文 的吸水率。 干表观容重按式计算: :竺卫 ??? 式中:一干表观容重,/; 。一试件烘干后质量,: 。 一试件体积, 吸水率按式计算: .;广上刈 式中:一吸水率,%; 。一试件吸水后质量,; 一试件烘干后质量,。 ..基本力学性能试验方法 由于节水轻质混凝土虽然为非承重构件,但是其在水中漂浮应用时受外界因 素风、浪 作用会对其稳定性及结构产生较大的破坏,所以试验中不仅要考虑材料的干 表观容重、吸水 率,其强度也应考虑在内。 抗压强度试验方法如下: 试块的切割: 由于节水轻质膨胀珍珠岩混凝土的板材尺寸为××,不能 锯取,故参照/?蒸压加气混凝土性能试 按照标准尺寸 验方法》,将制备的不同标号不同水灰比的试件加工成尺寸为××的非标准轻质 混凝土试块,即抗压试验、冻融循环试验的试块尺寸为××。在切割试块时要注意 试块的切割方向,如图.所示,观察轻质混凝土的剖截面可以发现,轻质混凝土内部的结构并 不是完全均匀的。沿图中的箭头方向,即沿浇筑方向,轻质混凝土试件的孔尺寸逐渐增大,因此 在进行试块的切割时,为了使切割出的试块与试件之间的孔结构相近,尽量降低试块与试块之问 的结构差异性,在测量轻质混凝土的抗压强度值之前,对试块进行切割时,切割方向应垂直于试 块的发气方向进行。 ..图?试块切割圈 取出待测试件,测量其尺寸精确至.,计算试件的受压面积。 将试件放在试验机下压板的中心位置,保持试块的受压面应与成型面垂直,然后开动 试验机,使上压面板与试件接触同时接触面均衡。 以.?./的速度连续均匀的加荷,试件接近破坏状态并开始迅速变形时调整试 验机开关油门,试件破坏时,破坏荷载。 混凝土的立方体试件抗压强度。。按式计算: 姻’ 。。 式中:。。一试件的立方体抗压强度,; 一破坏荷载,; 一试件的受压面积,。宁夏大学硕士学位论文 第三章节水轻质混凝土的物理性能及基本力学性能研究 .试验方案 节水轻质膨胀珍珠岩混凝土基本物理、力学性能研究试验方案: 不同水灰比对膨胀珍珠岩混凝土普通干表观容重、吸水率、抗压强度的影响 比较不同组水灰比、珍珠岩掺合料对膨胀珍珠岩混凝土普通干表观容重、吸水率、抗压 强度的影响,试验方案见表。 表 普通膨胀珍珠岩混凝土试验方案 注:表二中的孚母代表添加普通珍珠岩;、、分别代表水灰比为.、.、.;防水剂添加量为水泥用量的%;岩灰比 是指珍珠岩与水泥的配合比例 不同水灰比对膨胀珍珠岩混凝土憎水干表观容重、吸水率、抗压强度的影响 比较不同组水灰比、珍珠岩掺合料对膨胀珍珠岩混凝土普通干表观容重、吸水率、抗压强 度的影响,试验方案见表.。 表?憎膨胀珍珠岩混凝土试验方案 注:表二中的字母代表添加憎水珍珠岩;、、分别代表水灰比为.、.、.;防水 剂添加量为水泥用量的%;岩灰比 是指珍珠岩与水泥的配合比例。.试验结果与分析 ..试验结果 本章试验中,我们测定了轻质珍珠岩混凝土的容重、吸水率、抗压强度。其 中珍珠岩混凝土 的吸水率用质量吸水率表示,质量吸水率是指珍珠岩混凝土吸收水分的质量 占珍珠岩混凝土烘干 后的干燥质量的百分数,为无量纲。 详细的试验结果见下表?、?: 表普通珍珠岩混凝土试验结果 . :.一 . . . :. . 一 . :. . 一 . . . :. . 一 . :. . 一 . . :. . ? . . :.一 . . :.一 . . :.一 . 表憎水珍珠岩混凝土试验结果 . :. . 一 . . :. . 一 . . :. . 一 . . ? . :. . . . :. . 一 ..第三章节水轻质混凝土的物理性能及基本力学性能研究 宁夏大学硕士学位论文 ..结果分析 水灰比对珍珠岩混凝土干容重的影响 万 一 删 整 水灰比 图?水灰比对憎水珍珠岩混凝土干容重的影响 图?水灰比对普通珍珠岩混凝土干容重的影响 从图.、图?我们可以看出,珍珠岩混凝土的干容重与水灰比有关。随着水灰 比的增大, 普通珍珠岩混凝土和憎水珍珠岩混凝土的干容重随之降低。普通珍珠岩混凝 土水灰比从.增大 到.,容重则从 /降低到 /,容重降低.%;憎水珍珠岩混凝土水灰比从. 增大到.,容重则从 /降低到 /,降低.%。水灰比对普通珍珠岩混凝土容 重的影响较憎水珍珠岩混凝土大很多。这是由于随着水灰比的增大,普通珍 珠岩混凝土内部结构 中的孔隙增多,因而容重降低,水灰比对这种珍珠岩混凝土容重的影响较显 著。 干容重、水灰比对珍珠岩混凝土吸水率的影响 西 。 、 删 嘣 种 约 吸水率% 吸水率% 图干容重对憎水珍珠岩混凝土吸水率的影晌 图干容重对普通珍珠岩混凝土吸水率的影响宁夏大学硕士学位论文 第三章节水轻质混凝土的物理性能及基本力学性能研究 图?、所示,当普通珍珠岩混凝土干容重为/时,其吸水率为%,干容重为 /时,吸水率为%,吸水率增加.%。而憎水珍珠岩混凝土干容重为 /时, 其吸水率为%,当干容重为 /,吸水率为%