稀土电热涂料在混凝土冬季施工的应用研究

    摘要：报道了最新研制的稀土电热涂料的性能特点，并给出了稀土电热涂料在冬季施工中的应用实例。   
    关键词：电热涂料；稀土涂料；冬季施工   
      
    在混凝土产品的生产中，工程质量除与原料配方 及施工方法有关外，还与水合速度、环境温度、水合时 间有直接关系。水合反应是一种放热反应，受环境温 度影响较大，环境温度越低，反应越慢、放热越慢、水合反应越慢、混凝土产品的强度越低。混凝土的主要质量指标——强度往往达不到设计要求，经常造成工程质量问题。据资料分析，有三分之二混凝土工程质量方面的事故发生在冬季。  
   
    在冬季施工时，新浇混凝土在养护初期就遭受冻结，当温度恢复到正常温度后，即使在正常温度养护到 一 定龄期，也不能达到设计的要求，这就是混凝土的早期冻害。   

    解决混凝土的早期冻害有两个技术措施：①通过 增加密实度，排除多余游离水分，掺入防冻液，改善混 凝土本身的内部结构，提高混凝土的抗冻能力；②通过 使用早强水泥或早强剂、早期保温蓄热和早期短期加热，改善系统水合温度并提高早期强度。  
   
    当蓄热法、外加剂和早强水泥法还不能满足强度 设计要求时，往往采用外部加热法对混凝土系统进行加热保温，使混凝土系统达到受冻临界强度，达到设计 的强度要求。  
    外部加热法有三种：蒸气加热法、电热法、暖棚 法。其中，电热法对要求在短期内达到设计强度的混 凝土结构有特殊的功效。虽然电热法有多种形式 ( 电热毯、电磁感应、电极等 ) ，但在混凝土冬季施工时，大家普遍采用电热毯外加煤油炉或电热灯作为热源，操作简便易行。电热毯在冬季混凝土施工时，由于一般 将电热毯的尺寸制成模板背面区格的尺寸大小，将其填充，再覆盖保温材料，外侧封口，通电即可工作，发热 温度一般为110 ℃。虽然覆盖保温材料有一定的保温 作用，但由于电热毯与模板的接触不紧密，传热路径较 长，存在缝隙，容易产生空气的流动，热损失较大，保温效果并不理想，生产能力和生产效率低下。   

    针对上述混凝土冬季施工的现状和存在的主要问 题，研究了先进的稀土电热涂料，研制出稀土电热膜保温模板，对冬季混凝土的施工进行高效、安全的加热保 温，保证冬季混凝土系统的正常水合反应，满足了混凝土的强度设计要求，有效防止混凝土的早期冻害，达到 安全、高效、环保的施工目的。   

    1 稀土电热膜加热保温模板   
    1 ． 1 稀土电热膜加热保温的理念   
    电热膜不同于传统的电加热，是由分散成细颗粒状的导电材料和非导电材料涂覆在基体表面，经热处 理而成的加热薄膜，通电后可使电能转化为热能，从而起到加热保温的作用，可取代传统的发热产品。   

    电热膜技术是国外在 2O 世纪 5O 年代初提出并开 始研究的，当时应用在石油输油管道、电线电缆等野外 设施进行保温防冻。从 20 世纪 70 年代起，随着对电热膜技术研究的不断深入，工艺技术逐步成熟，应用范围也不断扩大。目前已应用到电子、医疗、交通、宇航、家用电器、化学工业、轻工、纺织等领域。作为加热元件的电热膜越来越得到广泛的应用，这是因为它有比传统加热元件所不可比拟的优势：①面状发热、热效率高；②无机原料，寿命长；③无明火、安全可靠；④产品应用领域选择性强。   
  1 ． 2 稀土电热膜加热保温模板  
    1 ． 2 ． 1 稀土电热膜加热保温模板的结构  
    稀土电热膜加热保温模板是在普通的模板表面涂 覆稀土电热涂料，经热固化、防水处理复合而成。具有 热效率高、传热迅速、绝缘、防水的功能。它由四部分组成：稀土电热膜、保温材料、防水外壳、电源引线。稀土电热膜加热保温模板结构示意见图1。  



图 1 稀土电热膜加热保温模板结构示意 

  
    1 ． 2 ． 2 稀土电热膜加热保温模板的特点  
    (1) 热效率高。面状加热、低温辐射，采用绝热材料，实现高效单向热传导，热效高，电一热转换率达 99 ％。  
    (2) 寿命长。发热层属于稀土、无机材料。无明火、不炽热、不发红、不氧化，辐射温度在 80 ℃ 左右，平均 寿命在 7 a 左右。  
    (3) 安全可靠。由于采用的整体复合工艺，耐压 1 万 V 不击穿，绝缘电阻大于 500 M Ω 。  
    (4) 安装操作方便。与建筑模块相比，电热膜加热 模板有一组电源连线，只需将电源连接即可使用。  

    2 稀土电热膜加热保温模板现场实施  

    2 ． 1 稀土电热膜加热保温模板的制备
  
    2 ． 1 ． 1 模板外壳制备  
    按照设计尺寸，制取 300 mm × 300 mm × 50 mm 金属壳 ( 开口 ) ，材料为 A 3F ，厚度为 1 ． 0 mm ；对模板外壳的内部进行除锈、绝缘处理，测量绝缘层与金属外壳绝缘电阻，阻值在 500 M Ω 以上。  

    2 ． 1 ． 2 稀土电热膜加热层制备  
    (1) 稀土导电涂料制备  
    将二氧化硅、炭化硅、硼酸、双氢、氧化铅按照一定的比例混合反应制得原料组分 A ；再将石墨粉、稀土氧化铈按照一定的比例混合制成组分 B ；将 A 、 B 组分按照 3 ． 2 ： 1 ． 0 的比例进行混合，加入溶剂，调制成黏稠状的导电涂料； 

     (2) 稀土电热膜制备 
    使用压缩机将导电涂料喷涂在绝缘层上，经热处理制得稀土电热膜涂层。再制作电极，连接电源引线 即可。 

    2 ． 1 ． 3 绝热保温层及整体复合 
    将制好的模板外壳安装在特制的模具中，将电源引线暴露在模板外壳的外部，将绝热原材料一次注入到模板外壳内，待整体成型后，复合防水材料即可。
 
    2 ． 2 混凝土加热保温试验及强度测量 
    现场试验是在室外进行，气温为 - 15 ℃ ，风力 2 级，有小雪。实施样品为方块模板 (1 200 mm × 1 200mm × 300 mm ) ，附设在地面的钢板上，共安装稀土电热膜加热保温模板 48 块；混凝土的比例为： 425 号普通水泥：石子：黄砂：水 =1 ： 1 ． 5 ： 1 ． 5 ： 3 ，水温为 60 ℃ ，现场采用翻斗车一次浇注，浇注完毕，方块模板顶 部覆盖防雨布；功率为 2 ． 4 kW ，温度测量采用大体积砼内部温度监测系统，运行电压为 220 V ，电流为 5 ． 2 A ，混凝士内部最高温度为 52 ℃ ，最低为 37 ℃ 。运行 16 h 停止加热。 

    2 ． 3 取样和养护测量 
    冷却至室温后拆模取样，取样采用取芯法，芯样直 径为 80 mm ，长度为 300 mm ，。养护采用湿养护法，养护时间从 2006 年 3 月 6 日 开始，分别养护 63 h 和 18h ，然后测量抗压强度，结果见表 1 。

表1 养护测量