磁化水混凝土技術的研究及應用

      隨著混凝土外加劑技術和攙合科技術水平的不斷提高,混凝土預拌技術得以迅速推廣,不論是預拌混凝土生產數(shù)量,還是混凝土質量都獲得了很大提高。以北京地區(qū)為例,截止2004年底,注冊的預拌混凝土廠(站)共約200多家,實際年生產量已突破3700萬立方米;同時,C40以上強度等級的可泵送混凝土,已經在建筑工程中大量推廣應用??梢哉f,過去十幾年,是預拌混凝土企業(yè)發(fā)展較快和相對比較容易的時期。分析過去混凝土生產企業(yè)的經營發(fā)展環(huán)境,當時的條件是,原材資源充分,市場豐盈,產品的技術質量要求起點低。

      但是現(xiàn)在,混凝土企業(yè)所處的環(huán)境與以前截然不同。產品價格連續(xù)走低,經營成本持續(xù)上揚,產品質量要求不斷提高,同行業(yè)競爭異常激烈。任何一個預拌混凝土企業(yè)都面對來自成本、產品質量和市場份額的壓力。在這樣的條件下,企業(yè)如何生存并求得進一步發(fā)展?

      為此,北京城建亞東混凝土有限責任公司以技術創(chuàng)新為突破口,不斷加大對技術創(chuàng)新的投入,要求技術創(chuàng)新必須堅持以降低材料消耗和提高混凝土產品性能作為出發(fā)點和最終目標,以尋求和創(chuàng)建新的效益增長點。近幾年,城建亞東公司在開發(fā)和推廣磨細礦粉、聚羧酸外加劑等新技術的同時,對磁化水混凝土技術展開研究,并于2004年7月8日,從德國引進專用水磁化處理設備,安裝在城建亞東公司原有的混凝土生產系統(tǒng)中,實現(xiàn)全部用磁化水拌制混凝土。 經過一年的實際生產應用,城建亞東公司改用磁化水生產工藝后,混凝土的產品性能有了進一步提高,同時土的水泥和外加劑用量顯著降低,取得了很好的技術經濟效果,有關情況總結如下:

      1 為什么要開發(fā)磁化水混凝土技術

      從我國混凝土材料技術的發(fā)展進程看,可以劃分三個階段:上世紀80年代以前,混凝土質量的關注點主要是抗壓強度,采取的主要技術途徑,是提高水泥質量和保證水泥用量:上實際90年代以來,混凝土質量關注點主要是流動性和進一步提高混凝土強度,采取的主要技術途徑是高效減水劑技術和摻和料技術;21世紀以后,進入了高性能混凝土和環(huán)保型混凝土時代?,F(xiàn)在乃至今后的建筑工程,尤其是重點工程中,超長、超厚、超薄等各種異型、大型混凝土結構越來越多,混凝土不僅要求高工作性、高強度,還要具有高耐久性和好的外觀質量。 通過摻合料技術和新型高性能外加劑技術,可以進一步提高混凝土的性能。但是單靠外加劑和摻合料技術的改進使混凝土性能提高存在一定限度,而且提高外加劑品質(例如聚羧酸系列外加劑)和不斷增加外加劑用量,會導致混凝土生產成本增加。眾所周知,混凝土的組成主要包括水泥、水、砂、石和外加劑、摻合料等,每種組分對混凝土質量都有重要影響。為了進一步提高混凝土質量,配置高性能和環(huán)保型混凝土,現(xiàn)在是關注砂石和水這兩種材料、深化開發(fā)其對混凝土貢獻的時候了。提高混凝土砂石質量,例如優(yōu)化級配,改進粒形,減少含泥量等,可以提高混凝土質量,但是目前要受到砂石資源緊張和成本制約,而磁化水技術投資小,工藝簡單。因此,從改進水的品種質量入手,開發(fā)利用磁化水技術,是配置高性能混凝土,降低混凝土生產成本的一條新的途徑。

      2 磁化水混凝土原理及國內外研究應用情況

      所謂磁化水混凝土,就是用磁化、水代替普通水拌制的混凝土。普通水以一定的流速,通過由專用電磁設備產生的磁場,電磁場中的磁力使水的部分物理、化學性質發(fā)生變化,水分子活性增強,促進了混凝土中水泥和中的物化反應速度,有利于提高水泥混凝土拌合物、易性和硬化后混凝土的早期強度,從而達到提高混凝土質量和降低水泥、外加劑用量的目的。 磁化水技術作為一種有效的水處理技術,在醫(yī)療、農業(yè)、環(huán)保等行業(yè)得到了較廣泛應用。自上世紀60年代,原蘇聯(lián)最早開始磁化水混凝土技術的研究。到上世紀70年代,磁化水大量應用與混凝土生產工藝中,并且出現(xiàn)了不少有關用于混凝土生產的磁化設備專利。最近幾年,隨著磁化設備性能的改進,磁化水混凝土在西方發(fā)達國家得到了大量應用。像德國、西班牙等國家的許多預拌混凝土廠,都使用磁化水拌制高性能混凝土,外加劑節(jié)約用量可達20%。
  
      自上世紀80年代,國內開始引進磁化水混凝土技術,當時取得了一定的試驗研究成果,也研制了一些用于磁化水處理的專用設備。但因為種種原因,磁化水混凝土一直沒有成功的投入實際生產。到目前為止,磁化水混凝土的實際應用在我國尚屬空白。因此,加快國內磁化水混凝土技術的研究開發(fā)和推廣應用,對于促進預拌和預制混凝土產業(yè)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

      3 磁化水混凝土生產工藝

      如前所述,磁化水混凝土就是用磁化水代替普通水拌制混凝土。除了在配水系統(tǒng)增加一套磁化設備外,其他與普通混凝土生產工藝完全相同。但為了保證磁化水活性,需要滿足兩個基本條件: (1)磁力強度必須達到要求。因此,必須選擇和安裝符合要求的磁化設備: (2)水流經磁場必須保持一定的時間。因此,須根據(jù)混凝土實際生產用水量設計磁場通道的長度或磁化器的配置數(shù)量。如果生產用水量多,應增加磁化器的通道長度或數(shù)量。 試驗結果表明,磁化水的活性在一定期間內(一般7天)能基本保持穩(wěn)定,但隨著時間延長,磁化水的活性逐漸喪失,所以,如果水磁化后長期不用,使用前應重新進行磁化。

      城建亞東公司經大量調研,優(yōu)選當前國外最先進的水磁化處理設備,即德國 Condis公司生產的 CST300B 環(huán)保型優(yōu)化水處理系統(tǒng)。

      Condis 磁化水處理設備,在混凝土行業(yè)實現(xiàn)了降低消耗和提高產品質量的目標,因此近幾年,在歐洲一些國家混凝土廠獲得了大量推廣應用。Condis磁化水處理設備包括一個外設的電子控制器和至少一個共振器。由共振器產生高頻脈沖電磁能量,普通水通過共振器后得到磁化??梢愿鶕?jù)混凝土廠的實際生產能力,配備多個共振器同時工作,而且只需一臺控制器即可滿足要求。

      Condis磁化水處理設備具有以下優(yōu)點: (1)Condis的共振磁化器和電子控制器尺寸小,占地面積小,不需要很大安裝空間,因此布置和安裝非常方便。磁化器采用普通電源,每個共振器功率在25W-100W之間,功率消耗小。 (2)Condis磁化器經過集成處理,不易損壞,對使用工況環(huán)境要求不高,可用于高溫高濕環(huán)境條件,在調試運行之后無須專門維修保養(yǎng)。 (3)Condis設備本身及其所產生的磁場符合國家有關安全和環(huán)保要求,不會對周圍環(huán)境和人身造成危害。 城建亞東公司根據(jù)兩臺2.5立方攪拌機組日產4800方的生產能力所需水量,訂購并安裝了15個Condis共振器,保證混凝土攪拌機滿負荷生產時磁化水量能滿足要求,根據(jù)水箱原有結構和布置特點,15個共振器分兩組并排安裝在蓄水箱的上部,其中5個共振器串聯(lián)組成一組直接與蓄水箱的進水口連接,使水進蓄水箱前首先進行第一道磁化;另一組10個共振器串聯(lián)后與水箱內的循環(huán)水泵連接,使水進行第二道磁化,并由此保證生產方量小時,水的磁化效果不受影響。 磁化系統(tǒng)的安裝用了兩天時間,安裝調試過程非常順利。城建亞東公司安裝磁化設備后,經過大量的試配試驗,于2004年8月15日正式生產磁化水混凝土 。

      到目前為止,經歷了常溫和冬季施工,設備一直正常運轉,磁化系統(tǒng)沒有發(fā)生任何設備事故和維修費用問題。冬施期內,蓄水箱采用蒸汽加熱,蓄水箱周圍的高溫高濕環(huán)境沒有對磁化設施造成任何損害。 

      4 磁化水混凝土產品性能 為了驗證磁化水混凝土的技術效果,城建亞東公司試驗室利用現(xiàn)有的普通混凝土生產所用的原材料和配合比,進行了普通混凝土和磁化水混凝土對比試驗,分析磁化水對混凝土各項性能的影響,并研究了磁化水對不同外加劑效果的適應性。主要試驗結論如下:

      (1)使用磁化水拌制混凝土,在原材料和配合比相同條件下,3天、7天和28天齡期混凝土抗壓強度約提高了5-15%。 

      (2)磁化水混凝土和易性改善,較好解決了萘系高效外加劑配置大流動性混凝土時,混凝土拌合物容易出現(xiàn)泌漿、板結的質量問題。 

      (3)磁化水混凝土密實度增強,混凝土產品的毛細通道和碳化現(xiàn)象顯著減少,抗?jié)B和抗凍性能提高。 

      (4)磁化水混凝土收縮變形性能與普通水拌制的混凝土差別不大。

      (5)水泥品種變化對磁化水混凝土性能影響不大;外加劑品種變化對磁化水混凝土的效果有一定影響。同樣條件下,使用普通減水劑時,用磁化水拌制混凝土對混凝土的改性作用不大;相比,使用高效減水劑(最好是聚羧酸系)時,用磁化水拌制混凝土則對混凝土性能有比較顯著的改性作用。 

      從2003年第三季度,城建亞東公司先后完成向首都機場、國家大劇院、北京地鐵和國家體育場等重點工程的混凝土供應任務。據(jù)統(tǒng)計,改用磁化水混凝土生產工藝后,因坍落度不合適返回的車次大大減少,混凝土均質性顯著提高,試件強度離散程度明顯降低。例如,北京地鐵5#線高架橋工程,甲方要求高架橋的墩柱和箱梁拆模后外觀具有清水效果。在安裝磁化水系統(tǒng)前,因為施工和水泥品種等多方面的原因,混凝土墩柱拆模后,經常出現(xiàn)色差、氣泡和水紋等質量通病,外觀質量不能很好的滿足甲方要求。自8月份城建亞東公司改用磁化水拌制混凝土后,色差和水紋現(xiàn)象即得到了很好解決,混凝土外觀質量較好的達到了甲方對外觀的質量要求,得到工程甲方和施工單位的好評。 

      5 磁化水混凝土生產經濟分析 

      自2004年8月15日,城建亞東公司全部正式改用磁化水生產預拌混凝土,到目前為止,生產C10到C60各種等級的混凝土,共約16萬立方米。一方面,如前所述,混凝土產品質量普遍提高;另一方面,在保證混凝土強度質量不降低條件下,混凝土材料成本得到顯著降低。根據(jù)城建亞東公司的試驗對比情況,磁化水混凝土的水泥用量比普通水拌制混凝土節(jié)約3%,減水劑用量則減少了5-15%。以普通C30混凝土為例進行計算,平均每方混凝土節(jié)約原材成本約4.5元。而且,隨著混凝土強度等級提高,節(jié)省的外加劑(尤其是高效外加劑)用量也隨之增加。因此,用磁化水配置C40以上強度等級的混凝土,例如C60混凝土高強度高性能混凝土,成本節(jié)約更加明顯。城建亞東公司對采用磁化水混凝土技術后,混凝土生產的直接材料成本進行了初步統(tǒng)計,到目前為止,共完成磁化水混凝土生產約16萬方,與前期完成同樣方量的混凝土生產任務,實際原材料消耗減少約150萬元。而且,這還不包括因為磁化水混凝土施工性能、產品質量穩(wěn)定性提高、結構外觀質量改善、返回車損失降低、以及生產效率和顧客滿意率提高等所帶來的巨大間接效益和綜合效益。

      總之,根據(jù)城建亞東公司已有的研究成果和實際應用經驗,磁化水混凝土作為一項新技術,能夠進一步提高混凝土的性能質量,用于配置各種性能混凝土;同時,可以實現(xiàn)節(jié)約材料和顯著降低混凝土生產成本的目的。因此,我門認為,進一步深化磁化水混凝土技術的研究和推廣應用,對節(jié)約資源、促進環(huán)保、提高質量、降低成本、實現(xiàn)混凝土企業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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