超輕質(zhì)堿激發(fā)泡沫混凝土的性能影響研究

甘戈金，蘭聰，陳景，盧佳林，王晶晶

（中建西部建設(shè)西南有限公司，四川 成都 610052）

超輕質(zhì)堿激發(fā)泡沫混凝土的性能影響研究

甘戈金，蘭聰，陳景，盧佳林，王晶晶

（中建西部建設(shè)西南有限公司，四川 成都 610052）

以濕密度200 kg/m3的超輕質(zhì)堿激發(fā)泡沫混凝土（ULAAFC）為研究對(duì)象，研究了激發(fā)劑、水膠比、聚丙烯纖維、活性MgO、有機(jī)硅防水劑對(duì)ULAAFC絕干密度、力學(xué)性能、收縮性能、吸水率、導(dǎo)熱系數(shù)的影響。結(jié)果表明：激發(fā)劑、水膠比、聚丙烯纖維對(duì)ULAAFC的力學(xué)性能均具有顯著的影響，但激發(fā)劑和聚丙烯纖維對(duì)絕干密度的影響不大；摻入20%MgO對(duì)ULAAFC的28 d抗壓強(qiáng)度及收縮性能有一定的改善；有機(jī)硅防水劑外噴的效果優(yōu)于內(nèi)摻，且在外噴摻量4%時(shí)使用效果最佳，此時(shí)，ULAAFC的吸水率降至8%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 W/（m·K）。

堿激發(fā)；超輕質(zhì)；泡沫混凝土；力學(xué)性能；吸水率

0 前言

泡沫混凝土具有質(zhì)輕、保溫、隔聲、耐火等特點(diǎn)，在建筑保溫領(lǐng)域和功能型制品生產(chǎn)等方面的應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。目前施工中泡沫混凝土的密度等級(jí)多在A03～A08之間，隨著建筑工程對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱性能要求的提高，絕干密度小于200 kg/m3的超輕質(zhì)泡沫混凝土的制備逐漸成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)[4-5]。與普通泡沫混凝土不同，超輕質(zhì)泡沫混凝土的泡沫引入量較大，相對(duì)水泥用量較少，硬化后氣孔的孔壁薄，易出現(xiàn)表面粉化、吸水率高、強(qiáng)度低的情況。目前，國(guó)內(nèi)常規(guī)的制備超輕質(zhì)泡沫混凝土的技術(shù)手段是采用早強(qiáng)快硬型特種水泥，制備的超輕質(zhì)泡沫混凝土絕干密度在150 kg/m3左右，28 d強(qiáng)度在0.1～0.2 MPa，但吸水率高達(dá)50%以上[6]，制品的保溫隔熱性能遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。因此，為制備出性能優(yōu)異的超輕質(zhì)泡沫混凝土，并理清性能的影響因素及水平，本試驗(yàn)通過堿激發(fā)的技術(shù)手段制備出濕密度為200 kg/m3的超輕質(zhì)堿激發(fā)泡沫混凝土（ULAAFC），分別研究了激發(fā)劑、水膠比、活性氧化鎂等因素對(duì)ULAAFC力學(xué)性能、收縮性能、吸水率及導(dǎo)熱性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

磷渣：比表面積450m2/kg，四川什邡雙福磷渣加工廠，化學(xué)成分見表1。

礦渣：比表面積420m2/kg，四川雙實(shí)建筑新材料有限公司，化學(xué)成分見表1。

活性氧化鎂：S85級(jí)，遼寧大石橋源宏鎂業(yè)礦產(chǎn)品有限公司。

激發(fā)劑：水玻璃，液態(tài)，固含量35%，模數(shù)2.5，成都市新都五一硅酸鈉廠；氫氧化鈉，分析純，成都科龍化工試劑廠。

聚丙烯纖維：長(zhǎng)度9 mm，密度0.91 g/cm3，抗拉強(qiáng)度＞450 MPa，成都順美國(guó)際貿(mào)易有限公司。

有機(jī)硅防水劑：固含量28%，pH值=12.5±1，山東科創(chuàng)新型建筑材料有限公司。

發(fā)泡劑：采用十二烷基硫酸鈉、N-月桂酰-L-谷氨酸鈉、茶皂素按質(zhì)量比5∶5∶1復(fù)配而成，發(fā)泡倍數(shù)35～37倍，1 h沉陷距5～7 mm，1 h泌水量32.4～33.1 ml。

表1 磷渣和礦渣的化學(xué)成分 %

1.2 超輕質(zhì)堿激發(fā)泡沫混凝土的制備

ULAAFC的制備采用混合攪拌法，即發(fā)泡劑的發(fā)泡與拌合過程同時(shí)進(jìn)行。具體制備過程為：按既定配比稱料、攪拌、形成勻質(zhì)漿體，通過空壓機(jī)發(fā)泡（造泡壓力0.4～0.6 MPa），邊發(fā)泡邊攪拌直到拌合至設(shè)計(jì)濕密度200 kg/m3，澆模成型，并按相應(yīng)性能的測(cè)試要求對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 黏度測(cè)試

不同水膠比漿體的黏度采用NDJ-99型水泥凈漿旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，具體測(cè)試方法按照儀器的操作步驟執(zhí)行。

1.3.2 收縮性能測(cè)試

漿體收縮性能測(cè)試參照J(rèn)C/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行，在流動(dòng)度相同的情況下成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，放置在相對(duì)濕度為（60±2）%的空氣中至規(guī)定齡期。

1.3.3 XRD測(cè)試

將達(dá)到規(guī)定測(cè)試齡期的凈漿，取其芯浸泡于無水乙醇中，用碾磨棒磨成粉末狀，用D/Max-RB X射線衍射儀進(jìn)行分析測(cè)試。

1.3.4 FESEM測(cè)試

將達(dá)到規(guī)定測(cè)試齡期的試件，取其新鮮斷面放入無水乙醇中終止水化，在105℃真空干燥24 h后鍍金，用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察斷面形貌。

1.3.5 其它性能測(cè)試

ULAAFC的抗壓強(qiáng)度、絕干密度、吸水率參照J(rèn)G/T 266—2011《泡沫混凝土》進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)熱系數(shù)參照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》，采用DRH-Ⅲ導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)的基準(zhǔn)配比如表2所示，通過泡沫引入量控制其濕密度為（200±5）kg/m3，試驗(yàn)中保證研究變量以外的材料配比與基準(zhǔn)配比一致。

表2 ULAAFC的基準(zhǔn)配比

2.1 激發(fā)劑對(duì)ULAAFC絕干密度和力學(xué)性能的影響

磷渣、礦渣都是具有潛在水化活性的膠凝材料，本身水化速度很慢，但在堿性物質(zhì)的激發(fā)下，其Si—O、Al—O鍵斷裂，形成SiO32-與AlO33-陰離子團(tuán)，與游離Ca2+進(jìn)一步結(jié)合生成C-S-H、C-A-H等具有膠凝性質(zhì)的水化產(chǎn)物[7]，因此，堿性激發(fā)劑的性能決定了磷渣、礦渣、粉煤灰的水化程度及強(qiáng)度的發(fā)展。

以NaOH和不同模數(shù)的水玻璃作為激發(fā)劑，研究不同摻量下激發(fā)劑對(duì)ULAAFC性能的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同激發(fā)劑及其摻量對(duì)ULAAFC性能的影響

從圖1可以看出，采用NaOH激發(fā)時(shí)，隨其摻量的增加，ULAAFC的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度總體提高；采用水玻璃激發(fā)時(shí)，隨著水玻璃模數(shù)的增大，相同摻量下ULAAFC的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，在水玻璃模數(shù)增至1.2時(shí)，ULAAFC的3 d抗壓強(qiáng)度極低，低摻量下（小于8%）3 d強(qiáng)度幾乎為0，模數(shù)相同時(shí)，隨著水玻璃摻量的增加，ULAAFC的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度逐漸提高。相同摻量下，采用NaOH激發(fā)制備的ULAAFC的3 d抗壓強(qiáng)度大于各模數(shù)水玻璃激發(fā)的強(qiáng)度，但28 d抗壓強(qiáng)度低于Na2O·0.8SiO2和Na2O·1.0SiO2激發(fā)的強(qiáng)度，其中采用12% Na2O·0.8SiO2激發(fā)時(shí)，ULAAFC的28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，為0.33MPa，但與12%Na2O·1.0SiO2激發(fā)的強(qiáng)度差別不大，僅相差0.01 MPa。激發(fā)劑對(duì)ULAAFC的絕干密度影響不明顯，在不同激發(fā)劑及摻量下，ULAAFC的絕干密度均在146～153 kg/m3。

2.2 水膠比對(duì)ULAAFC絕干密度和力學(xué)性能的影響

漿體的水膠比是制備超輕質(zhì)泡沫混凝土的重要控制因素，水膠比過小，料漿較干，容易結(jié)團(tuán)；水膠比過大，料漿黏度較小，泡沫易串泡上浮，澆筑后容易出現(xiàn)分層，導(dǎo)致塌?，F(xiàn)象發(fā)生。因此，選擇合適的水膠比對(duì)超輕質(zhì)泡沫混凝土的制備尤為重要。

水膠比對(duì)ULAAFC絕干密度和抗壓強(qiáng)度的影響如圖2所示，對(duì)漿體黏度的影響如圖3所示。

圖2 水膠比對(duì)ULAAFC性能的影響

圖3 水膠比對(duì)漿體黏度的影響

從圖2可以看出，ULAAFC的絕干密度和抗壓強(qiáng)度均與漿體的水膠比有關(guān)，在相同濕密度（200 kg/m3）下，ULAAFC的絕干密度隨著水膠比的增大而逐漸減小，當(dāng)水膠比增至0.52時(shí)，絕干密度僅為110kg/m3，較水膠比為0.34時(shí)減小了41kg/m3，減幅達(dá)27%，3 d、28 d抗壓強(qiáng)度在水膠比為0.46時(shí)達(dá)到最大，分別為0.19、0.32 MPa。考慮到不同水膠比下ULAAFC的絕干密度變化較大，單獨(dú)研究抗壓強(qiáng)度存在一定的局限性，因此，表3對(duì)不同水膠比ULAAFC的28 d比強(qiáng)度進(jìn)行了分析。

表3 不同水膠比下ULAAFC的28 d比強(qiáng)度

從表3可以看出，在水膠比為0.46時(shí)，ULAAFC的28 d比強(qiáng)度最高，達(dá)到0.0023 MPa/（kg/m3）。

由圖3可見，隨著水膠比的增大，漿體的黏度幾乎呈線性減小，當(dāng)水膠比由0.34增至0.52時(shí)，對(duì)應(yīng)漿體的30min黏度由35.8mPa·s降至22.7mPa·s，漿體黏度減小導(dǎo)致可蒸發(fā)的自由水含量增加，因此，ULAAFC的絕干密度有所降低。但漿體黏度過大會(huì)影響泡沫的分散性，進(jìn)而導(dǎo)致ULAAFC的勻質(zhì)性變差，在受壓過程中應(yīng)力在多孔區(qū)集中，降低了強(qiáng)度，隨水膠比的增大，這一問題逐漸得到改善，因此，強(qiáng)度有所增加，但持續(xù)增加水膠比，會(huì)大幅降低基材強(qiáng)度，導(dǎo)致ULAAFC的強(qiáng)度開始下降。

2.3 活性MgO對(duì)ULAAFC收縮性能和力學(xué)性能的影響

與普通硅酸鹽水泥不同，堿激發(fā)水泥的水化產(chǎn)物中只有凝膠，沒有鈣礬石、氫氧化鈣等結(jié)晶相，導(dǎo)致了堿激發(fā)水泥的干燥收縮遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通硅酸鹽水泥，因此相同密度等級(jí)的堿激發(fā)泡沫混凝土的干燥收縮也明顯高于其在普通硅酸鹽水泥制備時(shí)的水平?？紤]到目前尚未出現(xiàn)泡沫混凝土收縮性能的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，本試驗(yàn)通過對(duì)凈漿收縮性能的測(cè)試，間接反映泡沫混凝土的收縮性能。

試驗(yàn)采用活性氧化鎂替代磷渣，不同MgO摻量漿體的1、3、7、14、21、28、60 d的干燥收縮測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 MgO對(duì)漿體干燥收縮的影響

從圖4可以看出，各組漿體的干燥收縮率均隨著齡期的延長(zhǎng)而增大，到60 d齡期時(shí)仍表現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，整體看來，基準(zhǔn)組（MgO摻量為0）的收縮率變化最大，其次各組收縮率隨著MgO摻量的增加而減小，這說明MgO對(duì)漿體的收縮具有一定的改善作用，但值得注意的是，在低摻量下，這種改善作用并不明顯，如MgO摻量為10%時(shí)，漿體28 d的收縮率僅由4600×10-6降為4100×10-6，當(dāng)摻量達(dá)到20%以上時(shí)，其收縮率有較大改善，通過SEM觀察MgO摻量為30%的漿體28 d斷面形貌（見圖5），可以發(fā)現(xiàn)大量由MgO轉(zhuǎn)化生成的Mg（OH）2與MgCO3晶體，過程產(chǎn)生的膨脹抵消了部分漿體水化過程中產(chǎn)生的收縮，且其摻量越大，抵消的收縮量越多，因此，高摻量下，MgO對(duì)漿體的收縮性能改善更明顯。

圖5 摻30%MgO漿體水化28 d的斷面形貌

MgO對(duì)漿體凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響如圖6所示。

圖6 MgO對(duì)漿體凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響

從圖6可以看出，摻入MgO的ULAAFC抗壓強(qiáng)度在水化早期（3 d）表現(xiàn)為降低，但隨著水化過程的推進(jìn)，在10%～ 30%摻量范圍內(nèi)，隨著MgO摻量的增加，ULAAFC的28 d抗壓強(qiáng)度總體上增強(qiáng)；進(jìn)一步提高摻量至40%，28 d抗壓強(qiáng)度開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

為研究MgO在ULAAFC中的作用機(jī)理，本試驗(yàn)將MgO摻量為30%的ULAAFC試塊分別養(yǎng)護(hù)3 d、28 d后，破碎取芯粉磨進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 摻30%MgO的ULAAFC水化3 d的XRD圖譜

圖8 摻30%MgO的ULAAFC水化28 d的XRD圖譜

從圖7和圖8可以看出，水化3 d時(shí)，MgO的峰較強(qiáng)，說明其早期水化率低，摻入MgO減少了漿體中活性膠材的含量，導(dǎo)致了早期參與水化反應(yīng)的膠材用量減少，降低了整個(gè)體系的水化程度，致使其早期強(qiáng)度降低。但隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，到28 d時(shí)，大部分MgO發(fā)生水化反應(yīng)生成Mg（OH）2，再經(jīng)碳化生成碳酸鎂，過程產(chǎn)生體積膨脹，增加了水化產(chǎn)物的致密度，因此，提高了ULAAFC的后期強(qiáng)度。但MgO摻量過高時(shí)，部分MgO得不到充分水化，在ULAAFC中僅起到惰性填料的作用，反而影響了強(qiáng)度。

2.4 聚丙烯纖維對(duì)ULAAFC絕干密度和力學(xué)性能的影響

采用堿激發(fā)水泥制備超輕質(zhì)泡沫混凝土?xí)r，由于其漿體的收縮較大，泡沫膜壁薄，因此存在較大的開裂風(fēng)險(xiǎn)，因此，有必要在堿激發(fā)水泥中摻入有機(jī)纖維，并對(duì)其在超輕質(zhì)泡沫混凝土中的使用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

聚丙烯纖維摻量對(duì)ULAAFC抗壓強(qiáng)度及絕干密度的影響如圖9所示。

圖9 聚丙烯纖維摻量對(duì)ULAAFC性能的影響

從圖9可以看出，當(dāng)聚丙烯纖維摻量小于1.0%時(shí)，ULAAFC的抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而增大；當(dāng)摻量為0.5%～1.0%時(shí)，ULAAFC的28 d抗壓強(qiáng)度從0.30 MPa提高至0.35 MPa，此后，隨著摻量的進(jìn)一步提高，強(qiáng)度增速變緩；當(dāng)纖維摻量超過1.6%時(shí)，強(qiáng)度開始下降；當(dāng)纖維摻量從1.6%增加到2.0%時(shí)，ULAAFC的抗壓強(qiáng)度從0.35MPa降低至0.32MPa。分析認(rèn)為，在一定摻量范圍內(nèi)，聚丙烯纖維的增強(qiáng)效應(yīng)占主導(dǎo)，有利于ULAAFC強(qiáng)度的提升，但摻量較高時(shí)，聚丙烯纖維在料漿中分散不均勻，局部存在團(tuán)聚現(xiàn)象，影響了ULAAFC的勻質(zhì)性。當(dāng)然也有可能是加入過量的聚丙烯纖維后，ULAAFC的內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，聚丙烯纖維的摻入對(duì)ULAAFC的絕干密度影響不大，摻量為0.5%～2.0%時(shí)，絕干密度的波動(dòng)范圍在5kg/m3以內(nèi)。

2.5 防水劑對(duì)ULAAFC吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

一般來說，通過物理發(fā)泡制備的泡沫混凝土存在大部分的連通孔，尤其是超輕質(zhì)泡沫混凝土，連通孔的比例會(huì)大幅增加，導(dǎo)致了超輕質(zhì)泡沫混凝土具有較高的吸水率，而吸水率過高會(huì)顯著降低泡沫混凝土的熱工性能，因此有必要采取一些針對(duì)性的技術(shù)手段來降低吸水率。

本試驗(yàn)通過摻加防水劑對(duì)ULAAFC進(jìn)行改性，摻入方式分內(nèi)摻和外噴2種，測(cè)試了有機(jī)硅防水劑2種摻入方式對(duì)ULAAFC性能的影響，結(jié)果見圖10。

圖10 有機(jī)硅防水劑摻入方式對(duì)ULAAFC吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖10可見，采用內(nèi)摻方式時(shí)，ULAAFC的吸水率有所降低，在摻量為4%時(shí)，吸水率達(dá)到最低值22%，較51%的基準(zhǔn)吸水率有了大幅降低；進(jìn)一步提高摻量，吸水率出現(xiàn)反增的趨勢(shì)。而內(nèi)摻有機(jī)硅防水劑對(duì)ULAAFC的導(dǎo)熱系數(shù)影響不大，在摻量變化范圍內(nèi)，導(dǎo)熱系數(shù)僅由基準(zhǔn)值0.048 W/（m·K）降為0.045 W/（m·K），因此總體來看，內(nèi)摻有機(jī)硅防水劑的使用效果并不理想。分析原因，可能是由于有機(jī)硅防水劑中的硅氧烷分子直接參與了膠材的水化反應(yīng)，而并未在顆粒表面形成憎水層，也沒有填補(bǔ)毛細(xì)管等孔隙，因此，水分仍然可以內(nèi)滲，故防水處理的效果不大。為提高有機(jī)硅防水劑的防水效果，試驗(yàn)在原摻量的基礎(chǔ)上，將內(nèi)摻改為外噴的方式，噴涂之前，先將防水劑用水稀釋40倍，再采用密封噴槍均勻噴涂于ULAAFC各表面，由圖10可以看出，采用外噴的方式時(shí)，ULAAFC的吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)隨有機(jī)硅摻量的增加而顯著降低，當(dāng)有機(jī)硅防水劑摻量為4%時(shí)，ULAAFC的吸水率僅為8%，導(dǎo)熱系數(shù)降至0.038 W/（m·K），低于內(nèi)摻時(shí)的最小值，進(jìn)一步提高防水劑摻量，吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)的降幅不大，故有機(jī)硅防水劑外噴的最佳摻量為4%。

3 結(jié)論

（1）ULAAFC的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度隨NaOH摻量的增加總體上增大，相同摻量下，隨著水玻璃模數(shù)的增大，ULAAFC的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度逐漸減小，模數(shù)相同時(shí)，隨著水玻璃摻量的增加，ULAAFC的3 d、28 d抗壓強(qiáng)度逐漸增大。

（2）ULAAFC的3 d和28 d抗壓強(qiáng)度及28 d比強(qiáng)度在水膠比為0.46時(shí)均達(dá)到最大，分別為0.19MPa、0.32MPa、0.0023 MPa/（kg/m3）。

（3）隨著MgO摻量的增加，漿體的凝結(jié)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，3 d抗壓強(qiáng)度逐漸降低，后期28 d強(qiáng)度總體上有所增加。MgO摻量超過20%時(shí)，對(duì)漿體的收縮有顯著的補(bǔ)償作用。

（4）ULAAFC的抗壓強(qiáng)度隨著聚丙烯纖維摻量的增加而增大，但增速在摻量超過1.0%時(shí)變緩，當(dāng)聚丙烯纖維摻量超過1.6%時(shí)，纖維分散不勻，強(qiáng)度開始下降。

（5）ULAAFC的絕干密度隨著水膠比的增大而減小，激發(fā)劑和聚丙烯纖維摻量對(duì)絕干密度的影響不大。

（6）有機(jī)硅防水劑采用外噴的方式要優(yōu)于內(nèi)摻，且有機(jī)硅防水劑外噴的最佳摻量為4%，此時(shí)，ULAAFC的吸水率降至8%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.038 W/（m·K）。

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Study on performance effect of ultra-light alkali-activated foamed concrete

GAN Gejin，LAN Cong，CHEN Jing，LU Jialin，WANG Jingjing
（China West Construction Groop Southwest Co.Ltd.，Chengdu 610052，China）

The ultra-light alkali-activated foamed concrete（ULAAFC）with wet density of 200 kg/m3was used to study the effect of activated agent，W/C ratio，polypropylene fiber，activated magnesia and organic silicon waterproofing agent on dry density，mechanical property，shrinkage，bibulous rate and thermal conductivity coefficient.The result shows that activated agent，W/C ratio and polypropylene fiber have significant effect on the mechanical property of ULAAFC，but activated agent and polypropylene fiber have a little influence todry density，the incorporation of 20%activated magnesia will improve 28 d strength and shrinkage properties of ULAAFC，the effect of organic silicon waterproofing agent sprayed outside is better than that of mixed，and the best dosage is 4%，and then the bibulous rate of ULAAFC is down to 8%，the thermal conductivity coefficient is 0.038 W/（m·K）.

alkali-activated，ultra-light，foamed concrete，mechanical property，bibulous rate

TU528.2

A

1001-702X（2016）11-0064-05

2016-03-16；

2016-04-21

甘戈金，男，1986年生，重慶人，碩士，工程師，主要從事預(yù)拌混凝土及混凝土制品的研究。