談混凝土防凍劑的原理及使用
2005-06-21 00:00
摘 要：結(jié)合工作實(shí)際，對混凝土的凍害過程作了介紹，闡述了綜合蓄熱法的防凍機(jī)理，提出了防凍劑的正確使用方法， 對有效防止混凝土受凍具有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：混凝土，凍害，綜合蓄熱法
當(dāng)環(huán)境溫度降到0 ℃左右時(shí)，混凝土施工要采取一些特殊的技術(shù)措施，這是施工界的常識。如何針對凍害原因制訂施工措施并不是一個(gè)簡單的問題。下面試結(jié)合具體工作中的一些經(jīng)驗(yàn)，并參考相關(guān)文獻(xiàn)，提出幾點(diǎn)看法?；炷恋亩┐胧┯泻芏?，華北地區(qū)常用的是綜合蓄熱法， 下面結(jié)合凍害原因重點(diǎn)探討一下綜合蓄熱法的防凍機(jī)理。
1 抗凍臨界強(qiáng)度
1. 1 在冬季施工時(shí)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到某一界限值時(shí)，由于結(jié)構(gòu)已初步形成，具備了抵抗凍脹破壞的能力，混凝土再受凍亦不會被凍壞，這一強(qiáng)度稱做混凝土的抗凍臨界強(qiáng)度?？箖雠R界強(qiáng)度的提出是混凝土冬季施工理論的一個(gè)重大突破，也是制訂混凝土冬施措施的重要依據(jù)?；炷炼臼┕さ年P(guān)鍵就是要使混凝土盡快達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度。
1. 2 大量試驗(yàn)和實(shí)踐表明，混凝土抗凍臨界強(qiáng)度與水泥品種、水灰比、降溫速率等多種因素有關(guān)，且素混凝土和摻防凍劑混凝土的抗凍臨界強(qiáng)度亦不相同，其值可按規(guī)范確定。一般說來，摻防凍劑后混凝土的抗凍臨界強(qiáng)度略低一些(相對空白) ，這是因?yàn)榛炷翐椒纼鰟┖笃浜繙p小、冰晶變的較為分散軟弱且減弱了凍脹效果的緣故。
2 防凍劑的防凍原理
防凍劑是根據(jù)混凝土凍害機(jī)理，結(jié)合抗凍臨界強(qiáng)度、最優(yōu)成冰率、冰晶形態(tài)轉(zhuǎn)化等理論，并總結(jié)長期冬季施工實(shí)踐研制的，一般由四種成分組成，其作用分述如下：
2. 1 早強(qiáng)成分
強(qiáng)度后才能進(jìn)行下一道工序的施工。在混凝土終凝初期應(yīng)避免施工荷載對樓板產(chǎn)生較大的振動(dòng)。主要作用是加速混凝土的凝結(jié)硬化，使之盡快達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度；在達(dá)到臨界強(qiáng)度以后，能加快混凝土硬化速度，克服負(fù)溫、低溫造成的強(qiáng)度增長緩慢現(xiàn)象。
2. 2 引氣成分
在混凝土體內(nèi)引入微米級的細(xì)小氣泡(有益氣泡) ，其作用：
1) 切割、封閉混凝土內(nèi)的連通孔道(有害孔道) ，減輕凍脹時(shí)的裂紋擴(kuò)展；
2) 引入的大量氣泡起到膨脹“緩沖器”的作用，吸收冰晶膨脹應(yīng)力，減輕凍害。在混凝土內(nèi)引入氣體3. 5 % ，可消化6. 6 %的體積膨脹，在成齡階段，可起到提高抗凍融能力、改善耐久性的作用。
2. 3 減水成分
其作用：1) 減少拌合水，從而減少游離水總量，從根本上減少可凍冰的含量(但亦應(yīng)保持一定含冰率) ，消除凍脹內(nèi)因；2) 通過減水成分的分散作用，釋放包裹水，消除劣質(zhì)水泡，使粗大冰晶轉(zhuǎn)化為細(xì)小冰晶，優(yōu)化水泥水化環(huán)境，減輕脹凍壓力。
2. 4 防凍成分
多為一些有降低冰點(diǎn)作用的無機(jī)鹽，作用可概括如下:摻防凍組份(以NaNO2 ，摻2 %為例) 的水溶液冰點(diǎn)約為- 1. 5 ℃，當(dāng)溫度降到- 1. 5 ℃時(shí)，孔隙內(nèi)臨近受凍側(cè)的游離水開始結(jié)冰，冰體內(nèi)無機(jī)鹽部分析出，剩余游離水中鹽的濃度變大(冰點(diǎn)進(jìn)一步降低) ；當(dāng)溫度繼續(xù)下降(如降到- 5 ℃) ，又有臨近受凍側(cè)游離水部分結(jié)冰，剩余游離水濃度繼續(xù)增大..，持續(xù)這一過程，直到亞硝
酸鈉最低共溶點(diǎn)出現(xiàn)，孔內(nèi)全部游離水結(jié)成冰。由此可見，防凍成分的作用是在連續(xù)降溫過程中保持混凝土體內(nèi)始終有一定的液相水存在(過冷水) ，使水泥水化能持續(xù)進(jìn)行(盡管此時(shí)水化速度已較常溫大為減慢) 。
由此可見:防凍劑的防凍機(jī)理是綜合性的，是多種效果的綜合體現(xiàn)。世界上并不存在某種一摻就靈的防凍劑，“防凍”只是最終的效果，它是通過早強(qiáng)、引氣、減水、防凍等因素共同作用而實(shí)現(xiàn)的。而且防凍劑的使用效果與工程的施工情況也有關(guān)系，所以說混凝土的冬季施工是一個(gè)典型的系統(tǒng)工程，必須通盤考慮。
3 防凍劑的正確使用
3. 1 正確理解“使用溫度”
任何一種符合標(biāo)準(zhǔn)的防凍劑產(chǎn)品，都有一個(gè)明確的“使用溫度”(如- 15 ℃、- 20 ℃) ，說使用溫度就是“允許混凝土施工的溫度”并不錯(cuò)誤，但應(yīng)著重與混凝土抗凍臨界強(qiáng)度聯(lián)系起來理解，即在環(huán)境溫度降到外加劑“使用溫度”前，混凝土必須達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度，這樣混凝土才是安全的，否則混凝土有可能被凍壞?；炷恋氖褂脺囟仍降?，說明該防凍劑的防凍效果越好，混凝土越有更多的時(shí)間(含負(fù)溫區(qū)) 來增長強(qiáng)度，從而達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度的可能性大大增加。
目前國內(nèi)生產(chǎn)的混凝土防凍劑的使用溫度多在- 10 ℃～ - 15 ℃之間(可適用于日最低- 15 ℃～ - 20 ℃的情況) ，溫度再低，防凍劑配方設(shè)計(jì)難度越大，不確定因素也增加，從這個(gè)角度講，多數(shù)情況下沒有必要非得要求防凍劑的使用溫度一定低于施工時(shí)的最低環(huán)境溫度，關(guān)鍵是必須在溫度降到防凍劑使用溫度前就使混凝土達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度。
3. 2 采取覆蓋保溫措施
綜合蓄熱法的基本做法是覆蓋加摻防凍劑，必要時(shí)對水和砂石料進(jìn)行加熱。覆蓋的作用是使水泥水化熱量和原材料加熱熱量留在混凝土內(nèi)部的時(shí)間長一些，盡量延長水泥正溫水化時(shí)間， 這一點(diǎn)非常重要。保溫做得越好，混凝土降到外加劑“使用溫度” 的時(shí)間越長，越有時(shí)間達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度。為達(dá)到這個(gè)效果，覆蓋材料的種類和厚度應(yīng)結(jié)合外加劑的使用溫度、抗凍臨界強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素通過熱工計(jì)算確定。
3. 3 搞好施工組織
防凍劑的使用效果必須通過良好的攪拌、振搗來實(shí)現(xiàn)，攪拌延長30 min 是為了使外加劑更充分的混合，外加劑攪拌不勻甚至?xí)l(fā)事故。再者防凍劑有一個(gè)最佳攪拌時(shí)間和最佳振搗時(shí)間問題，過度會使其中的引氣量減小，不足又會使其中的氣泡分布不均甚至產(chǎn)生粗大劣質(zhì)氣泡，這些都會對防凍不利。此外，最大限度縮短運(yùn)送距離，攪拌站搭設(shè)保溫棚，輸送管外裹保溫套，架子車覆蓋保溫被，工序銜接緊湊等措施都是為了提高混凝土的入模溫度，延長正溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間，盡快達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度。
3. 4 熱工計(jì)算
熱工計(jì)算主要參照湖南大學(xué)吳震東提出的“吳震東公式”進(jìn)行，它有多方面的用途，在華北地區(qū)主要用來做驗(yàn)證性計(jì)算。要點(diǎn)是:
1) 根據(jù)原材料和環(huán)境溫度計(jì)算混凝土的入模溫度， T ；
2) 計(jì)算混凝土由此溫度降至防凍劑規(guī)定溫度所需的時(shí)間，h ；
3) 根據(jù)成熟度公式計(jì)算在上述養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)混凝土能達(dá)到的強(qiáng)度，MPa ；
4) 比較該強(qiáng)度是否大于抗凍臨界強(qiáng)度，確定冬施方案是否可行；
5) 施工時(shí)留置同條件試塊，在環(huán)境溫度降至防凍劑使用溫度的前1 d 檢驗(yàn)其實(shí)際強(qiáng)度，看是否達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度。
3. 5 掌握防凍劑摻量
有人將說明書上的摻量視為基準(zhǔn)摻量，施工時(shí)根據(jù)實(shí)際溫度上下調(diào)整，這種做法是冒險(xiǎn)的。一般地，比較正規(guī)的防凍劑產(chǎn)品在配方設(shè)計(jì)時(shí)摻量與使用溫度都是一一對應(yīng)的，不存在調(diào)整問題。防凍劑的多數(shù)組份都有最優(yōu)摻量問題，適用范圍十分狹窄，摻量與功效并非線性關(guān)系。比如將3 %摻為4 %，各組份將都增加33 %，很可能造成因含氣量增加導(dǎo)致強(qiáng)度下降(約5 %～10 %) ； 因Na2SO4 、NaNO3 增加致使堿含量增高而對耐久性不利。若由3 %變成2 % ，則功效肯定不是減少33 %的問題，而是更多。不僅防凍劑，其他外加劑亦是如此。
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