混凝土防凍劑的原理及正確使用方法

當環境溫度降到0 ℃左右時，混凝土施工要采取一些特殊的技術措施，這是施工界的常識。如何針對凍害原因製訂施工措施並不是一個簡單的問題。下麵試結合具體工作中的一些經 驗，並參考相關文獻，提出幾點看法。混凝土的冬施措施有很多，華北地區常用的是綜合蓄熱法， 下麵結合凍害原因重點探討一下綜合蓄熱法的防凍機理。



一 抗凍臨界強度



a、大量試驗和實踐表明，混凝土抗凍臨界強度與水泥品種、水灰比、降溫速率等多種因素有關，且素混凝土和摻防凍劑混凝土的抗凍臨界強度亦不相同，其值可按規 範確定。一般說來，摻防凍劑後混凝土的抗凍臨界強度略低一些(相對空白) ，這是因為混凝土摻防凍劑後其含水量減小、冰晶變的較為分散軟弱且減弱了凍脹效果的緣故。



b、在冬季施工時，當混凝土強度達到某一界限值時，由於結構已初步形成，具備了抵抗凍脹破壞的能力，混凝土再受凍亦不會被凍壞，這一強度稱做混凝土的抗凍臨 界強度。抗凍臨界強度的提出是混凝土冬季施工理論的一個重大突破，也是製訂混凝土冬施措施的重要依據。混凝土冬季施工的關鍵就是要使混凝土盡快達到抗凍臨 界強度。



二、混凝土防凍劑的防凍原理
防凍劑是根據混凝土凍害機理，結合抗凍臨界強度、最優成冰率、冰晶形態轉化等理論，並總結長期冬季施工實踐研製的，一般由四種成分組成，其作用分述如下：



  引氣成分
在混凝土體內引入微米級的細小氣泡(有益氣泡) ，其作用：

1) 引入的大量氣泡起到膨脹“緩衝器”的作用，吸收冰晶膨脹應力，減輕凍害。在混凝土內引入氣體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) 切割、封閉混凝土內的連通孔道(有害孔道) ，減輕凍脹時的裂紋擴展； 



 　減水成分
其作用： 



1) 通過減水成分的分散作用，釋放包裹水，消除劣質水泡，使粗大冰晶轉化為細小冰晶，優化水泥水化環境，減輕脹凍壓力。

2) 減少拌合水，從而減少遊離水總量，從根本上減少可凍冰的含量(但亦應保持一定含冰率) ，消除凍脹內因；


早強成分
強度後才能進行下一道工序的施工。在混凝土終凝初期應避免施工荷載對樓板產生較大的振動。主要作用是加速混凝土的凝結硬化，使之盡快達到抗凍臨界強度；在達到臨界強度以後，能加快混凝土硬化速度，克服負溫、低溫造成的強度增長緩慢現象。





 防凍成分
多為一些有降低冰點作用的無機鹽，作用可概括如下:摻防凍組份(以NaNO2 ，摻2 %為例) 的水溶液冰點約為- 1. 5 ℃，當溫度降到- 1. 5 ℃時，孔隙內臨近受凍側的遊離水開始結冰，冰體內無機鹽部分析出，剩餘遊離水中鹽的濃度變大(冰點進一步降低) ；當溫度繼續下降(如降到- 5 ℃) ，又有臨近受凍側遊離水部分結冰，剩餘遊離水濃度繼續增大..，持續這一過程，直到亞硝
酸鈉最低共溶點出現，孔內全部遊離水結成冰。由此可見，防凍成分的作用是在連續降溫過程中保持混凝土體內始終有一定的液相水存在(過冷水) ，使水泥水化能持續進行(盡管此時水化速度已較常溫大為減慢) 。
由此可見:防凍劑的防凍機理是綜合性的，是多種效果的綜合體現。世界上並不存在某種一摻就靈的防凍劑，“防凍”隻是最終的效果，它是通過早強、引氣、減 水、防凍等因素共同作用而實現的。而且防凍劑的使用效果與工程的施工情況也有關係，所以說混凝土的冬季施工是一個典型的係統工程，必須通盤考慮。





防凍劑的正確使用



1　掌握防凍劑摻量
有人將說明書上的摻量視為基準摻量，施工時根據實際溫度上下調整，這種做法是冒險的。一般地，比較正規的防凍劑產品在配方設計時摻量與使用溫度都是一一對 應的，不存在調整問題。防凍劑的多數組份都有最優摻量問題，適用範圍十分狹窄，摻量與功效並非線性關係。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致強度下降(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。
 


2　搞好施工組織
防凍劑的使用效果必須通過良好的攪拌、振搗來實現，攪拌延長30min 是為了使外加劑更充分的混合，外加劑攪拌不勻甚至會引發事故。再者防凍劑有一個最佳攪拌時間和最佳振搗時間問題，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生粗大劣質氣泡，這些都會對防凍不利。此外，最大限度縮短運送距離，攪拌站搭設保溫棚，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，延長正溫養護時間，盡快達到抗凍臨界強度。



3 　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，必要時對水和砂石料進行加熱。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部的時間長一些，盡量延長 水泥正溫水化時間， 這一點非常重要。保溫做得越好，混凝土降到外加劑“使用溫度” 的時間越長，越有時間達到抗凍臨界強度。為達到這個效果，覆蓋材料的種類和厚度應結合外加劑的使用溫度、抗凍臨界強度、環境溫度等因素通過熱工計算確定。


4  熱工計算
熱工計算主要參照湖南大學吳震東提出的“吳震東公式”進行，它有多方麵的用途，在華北地區主要用來做驗證性計算。要點是:
1) 比較該強度是否大於抗凍臨界強度，確定冬施方案是否可行；
2) 施工時留置同條件試塊，在環境溫度降至防凍劑使用溫度的前1 d 檢驗其實際強度，看是否達到抗凍臨界強度。
3) 根據原材料和環境溫度計算混凝土的入模溫度， T ；
4) 計算混凝土由此溫度降至防凍劑規定溫度所需的時間，h ；
5) 根據成熟度公式計算在上述養護時間內混凝土能達到的強度，MPa ；




5 正確理解“使用溫度” 
任何一種符合標準的防凍劑產品，都有一個明確的“使用溫度”(如- 15 ℃、- 20 ℃) ，說使用溫度就是“允許混凝土施工的溫度”並不錯誤，但應著重與混凝土抗凍臨界強度聯係起來理解，即在環境溫度降到外加劑“使用溫度”前，混凝土必須達到 抗凍臨界強度，這樣混凝土才是安全的，否則混凝土有可能被凍壞。混凝土的使用溫度越低，說明該防凍劑的防凍效果越好，混凝土越有更多的時間(含負溫區) 來增長強度，從而達到抗凍臨界強度的可能性大大增加。

目前國內生產的混凝土防凍劑的使用溫度多在- 10 ℃～ - 15 ℃之間(可適用於日最低- 15 ℃～ - 20 ℃的情況) ，溫度再低，防凍劑配方設計難度越大，不確定因素也增加，從這個角度講，多數情況下沒有必要非得要求防凍劑的使用溫度一定低於施工時的最低環境溫度，關鍵 是必須在溫度降到防凍劑使用溫度前就使混凝土達到抗凍臨界強度。