混凝土防冻剂作用的分析与控制

混凝土防冻剂作用的分析与控制

根据“建筑工程冬季施工规程”(JGJ104 - 97) 的规定,室外日平均气温连续5 天稳定低于5 ℃即进入冬季施工;当室外日平均气温连续5 天稳定高于5 ℃时解除冬季施工。我国三北地区由于区域条件所致,一年大概有三分之一时间处于冬季施工期。

由于工程工期紧、任务重, 冬期继续施工已无法避免。这样低的气温如不采取有效措施或措施不当,使混凝土遭受冻害,将会给工程质量造成事故。研究和认识混凝土冻害的机理和规律,正确使用防冻剂,对保证工程质量,实现全年均衡施工具有十分重要的意义。

1 混凝土冻害机理及分析

混凝土拌和物浇灌后之所以能逐渐凝结硬化,直至获得最终强度,是由于水泥水化作用的结果。而水泥水化作用的速度除与混凝土本身组成材料和配合比有关外,还与外界温度密切相关。当温度升高时水化作用加快,强度增长加快,而当温度降低到0 ℃度时,存在于混凝土中的水有一部分开始结冰,逐渐由液相(水) 变为固相(冰) ,这时参与水泥水化作用的水减少了,水化作用减慢,强度增长相应变慢。温度继续降低,当存在于混凝土中的水完全变成冰,也就是完全由液相变成固相时,水泥水化作用基本停止,此时混凝土的强度不会再增长。由于水变成冰后体积约增大9 % ,同时产生约2. 5MPa 的膨胀应力,这个应力往往大于混凝土的内部形成的初始强度值,使混凝土受到不同程度的破坏(即早期受冻破坏) 。此外,当水变成冰后,还会在骨料和钢筋表面上产生颗粒较大的冰凌,减弱水泥浆与骨料和钢筋的粘结力。当冰凌融化后,还会在混凝土内部形成各种空隙,而降低混凝土的耐久性。

国内外许多学者对冬季施工的混凝土进行了大量的试验,结果表明:在受冻混凝土中水泥发生水化作用停止之前,使混凝土达到一个最小临界强度(我国规定为不低于设计强度的30 %且不低于3.5MPa) ,可以使混凝土不遭受冻害,最终强度不受到损失。所以延长混凝土中水的液体形态,使之有充裕的时间与水泥发生水化反应,达到混凝土的最小临界强度及减少混凝土中自由水的含量是防止混凝土冻害的关键。在实际的工程中,针对具体情况,通常采用蓄热法和掺加防冻剂两种方法来保证水的液态。防冻剂的作用在于降低拌和物冰点,细化冰晶,使混凝土在负温下保持一定数量的液相水,使水泥缓慢水化,改善了混凝土的微观结构,从而使凝土达到一个最小临界强度,待来年温度升高时强度持续增长并达到设计强度。

2 防冻剂组分的作用机理

防冻剂是外加剂的一种,由减水组分、引气组分、防冻组分,有时还掺有早强组分等组成。

2. 1 减水组分

减水组分的主要功能是减水。减水剂对冬季混凝土的作用有三:一是,减少水就意味着提高强度,就是提高混凝土的抗冻能力;二是,在盐分一定的情况下减少用水量,提高混凝土中自由水中盐的浓度,而其孔隙的细化作用又更进一步降低液相冰点,有利于水化反应进行,提高早期强度;三是,降低水结冰对混凝土形成的冻胀力,每立方米混凝土降低约20～50L 的水, 混凝土密实度提高,较大降低了自由水对混凝土形成的冻害,且细化了毛细孔隙,对降低液相冰点仍有促进作用。

2. 2 引气组分

在混凝土拌合物中,增加微小封密气泡的方法,使气泡像滚珠一样,降低其粘性,减少混凝土与管壁之间的摩阻力,增加施工阶段的润滑性,同时又改善了混凝土硬化后内部的孔结构,能减缓冰晶的冻胀力,从而减少对混凝土内部结构的损伤,并能大幅度提高硬化混凝土的抗冻能力。

2. 3 防冻组分

防冻组分是指一种使混凝土拌和物在负温环境下不受冻害的化学物质。有许多无机盐和若干有机物都有防冻功能,其作用方式可以分成三类:一类是与水有很低的共熔温度. 具有能降低水的冰点而使混凝土在负温下仍在进行水化作用,如亚硝酸钠、氯化钠。可是一旦用量不足或气温太低,仍然会造成冻害。另一类是既能降低水的冰点,也能使含该类物质的冰的晶格构造严重变形,因而无法形成冻胀应力而破坏水化矿物构造使混凝土强度受损,如尿素、甲醇。用量不足时,在负温下强度停止增长,但转正温后对最终强度无影响;第三类是,虽然水溶液有很低的共熔温度,但不能使混凝土中水的冰点明显降低. 它的作用在于直接与水泥发生水化反应而加速混凝土凝结硬化. 有利于混凝土强度发展,如氯化钙、碳酸钾。

2. 4 早强组分

微量的催化早强组份虽然不参与水泥的水化反应,但能起到催化作用,能加速水泥中的矿物水化形成钙钒石的过程,从而使混凝土在较短时间内形成强度骨架,尽快达到抗冻临界强度,增强混凝土抵御冻害的能力,更重要的是,早期的水化反应速度的加快,可使混凝土内大部分自由水变成不结冰的化合水,从而减少混凝土的冻害。

2. 5 其它组分

对于粉剂外加剂, 还可在混凝土拌和物中添加粘聚矿物质粉。由于矿物细粉和超细粉类混合材与防冻剂复合后,既能在养护初期使混凝土有一定的防冻能力,又能大量减少混凝土内部孔隙数量和

3 混凝土工程中可采用防冻剂的种类

1) 强电解质无机盐类:

a) 氯盐类:以氯盐为防冻组分的外加剂;

b) 氯盐阻锈类:以氯盐与阻锈组为防冻组分的外加剂;

c) 无氯盐类:以亚硝酸盐、硝酸盐等无机盐为防冻组分的外加剂。

2) 水溶性有机化合物类:以某些醇类等有机化合物为防冻组分的外加剂。

3) 有机化合物与无机盐复合类。

4) 复合型防冻剂:以防冻组分复合早强、引气、减水等组分的外加剂。 4 防冻剂适用范围

1) 含有氯盐配制的防冻剂严禁用于下列结构中:

a. 预应力混凝土结构;

b. 相对湿度大于80 %环境中使用的结构、处于水位变化部位的结构、露天结构及经常受水淋、受水流冲刷的结构;

c. 大体积混凝土;

d. 直接接触酸、碱或其他侵蚀性介质的结构;

e. 经常处于温度为60 ℃以上的结构,需经蒸养的钢筋混凝土预制构件; f . 有装饰要求的混凝土,特别是要求色彩一致的或是表面有金属装饰的混凝土;

g. 薄壁混凝土结构,中级和重级工作制吊车的梁、屋架、落锤及锻锤混凝土基础等结构;

h. 使用冷拉钢筋或冷拔低碳钢丝的结构;

j. 骨料具有碱活性的混凝土结构。

2) 含有强电解质无机盐类的防冻剂严禁用于下列结构中:

a. 与镀锌钢材或铝铁相接触部位的结构,以及有外露钢筋预埋铁件而无防护措施的结构;

b. 使用直流电源的结构以及距高压直流电源100m 以内的结构。

3) 含亚硝酸盐\ 碳酸盐的防冻剂严禁用于预应力混凝土结构。

4) 含有六价铬盐、亚硝酸盐等有害成分的防冻剂,严禁用于饮水工程及与食品相接触的工程,严禁食用。

5) 含有硝铵、尿素等产生刺激性气味的防冻剂,严禁用于办公、居住等建筑工程;

6) 强电解质无机盐防冻剂用于骨料具有碱活性的混凝土结构时,防冻剂带入的碱含量(以当量氧化钠计) 不宜超过1kg/ m3 混凝土,混凝土总碱含量尚应符合有关标准的规定;

7) 有机化合物类防冻剂可用于素混凝土、钢筋混凝土及预应力混凝土工程;

8) 有机化合物与无机盐复合防冻剂及复合型防冻剂可用于素混凝土、钢筋混凝土及预应力混凝上工程,并应符合以上1～7 条的规定;

9) 对水工、桥梁及有特殊抗冻融性要求的混凝土工程,应通过试验确定防冻剂品种及掺量。