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，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，當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到某一界限值時，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。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，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)計難度越大，不確定因素也增加，從這個角度講，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)部的時間長一些，盡量延長水泥正溫水化時間， 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” 的時間越長，越有時間達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度。為達(dá)到這個效果，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(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)時間，盡快達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度。
3. 4 熱工計算
熱工計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)證性計算。要點(diǎn)是:
1) 根據(jù)原材料和環(huán)境溫度計算混凝土的入模溫度， T ；
2) 計算混凝土由此溫度降至防凍劑規(guī)定溫度所需的時間，h ；
3) 根據(jù)成熟度公式計算在上述養(yǎng)護(hù)時間內(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，施工時根據(jù)實(shí)際溫度上下調(diào)整，這種做法是冒險的。一般地，比較正規(guī)的防凍劑產(chǎn)品在配方設(shè)計時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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