水泥防凍劑原理及其使用方法

當環境溫度降到0℃左右時，混凝土施工(gōng)要采取一(yī)些特殊的技術措施，這是施工(gōng)界的常識。如何針對凍害原因制訂施工(gōng)措施并不是一(yī)個簡單的問題。下(xià)面試結合具體(tǐ)工(gōng)作中(zhōng)的一(yī)些經驗，并參考相關文獻，提出幾點看法。混凝土的冬施措施有很多，華北(běi)地區常用的是綜合蓄熱法，下(xià)面結合凍害原因重點探讨一(yī)下(xià)綜合蓄熱法的防凍機理。

　　1.抗凍臨界強度

　　1.1 在冬季施工(gōng)時，當混凝土強度達到某一(yī)界限值時，由于結構已初步形成，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(yī)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(gōng)理論的一(yī)個重大(dà)突破，也是制訂混凝土冬施措施的重要依據。混凝土冬季施工(gōng)的關鍵就是要使混凝土盡快達到抗凍臨界強度。

　　1.2 大(dà)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，其值可按規範确定。一(yī)般說來，摻防凍劑後混凝土的抗凍臨界強度略低一(yī)些（相對空白(bái)），這是因爲混凝土摻防凍劑後其含水量減小(xiǎo)、冰晶變的較爲分(fēn)散軟弱且減弱了凍脹效果的緣故。

　　2.防凍劑的防凍原理

　　防凍劑是根據混凝土凍害機理，結合抗凍臨界強度、最優成冰率、冰晶形态轉化等理論，并總結長期冬季施工(gōng)實踐研制的，一(yī)般由四種成分(fēn)組成，其作用分(fēn)述如下(xià)：

　　2.1 早強成分(fēn)強度後才能進行下(xià)一(yī)道工(gōng)序的施工(gōng)。在混凝土終凝初期應避免施工(gōng)荷載對樓闆産生(shēng)較大(dà)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(màn)現象。

　　2.2 引氣成分(fēn)在混凝土體(tǐ)内引入微米級的細小(xiǎo)氣泡（有益氣泡），其作用：

　　1）切割、封閉混凝土内的連通孔道（有害孔道），減輕凍脹時的裂紋擴展；

　　2）引入的大(dà)量氣泡起到膨脹“緩沖器”的作用，吸收冰晶膨脹應力，減輕凍害。在混凝土内引入氣體(tǐ)3.5%，可消化6.6%的體(tǐ)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(fēn)其作用：1）減少拌合水，從而減少遊離(lí)水總量，從根本上減少可凍冰的含量（但亦應保持一(yī)定含冰率），消除凍脹内因；2）通過減水成分(fēn)的分(fēn)散作用，釋放(fàng)包裹水，消除劣質水泡，使粗大(dà)冰晶轉化爲細小(xiǎo)冰晶，優化水泥水化環境，減輕脹凍壓力。

　　2.4 防凍成分(fēn)多爲一(yī)些有降低冰點作用的無機鹽，作用可概括如下(xià)：摻防凍組份（以NaNO2，摻2%爲例）的水溶液冰點約爲-1.5℃，當溫度降到-1.5℃時，孔隙内臨近受凍側的遊離(lí)水開(kāi)始結冰，冰體(tǐ)内無機鹽部分(fēn)析出，剩餘遊離(lí)水中(zhōng)鹽的濃度變大(dà)（冰點進一(yī)步降低）；當溫度繼續下(xià)降（如降到-5℃），又(yòu)有臨近受凍側遊離(lí)水部分(fēn)結冰，剩餘遊離(lí)水濃度繼續增大(dà)……，持續這一(yī)過程，直到亞硝酸鈉最低共溶點出現，孔内全部遊離(lí)水結成冰。由此可見，防凍成分(fēn)的作用是在連續降溫過程中(zhōng)保持混凝土體(tǐ)内始終有一(yī)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(dà)爲減慢(màn)）.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(tǐ)現。世界上并不存在某種一(yī)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(gōng)程的施工(gōng)情況也有關系，所以說混凝土的冬季施工(gōng)是一(yī)個典型的系統工(gōng)程，必須通盤考慮。

　　3.防凍劑的正确使用

　　3.1 正确理解“使用溫度”

　　任何一(yī)種符合标準的防凍劑産品，都有一(yī)個明确的“使用溫度”（如-15℃、-20℃），說使用溫度就是“允許混凝土施工(gōng)的溫度”并不錯誤，但應着重與混凝土抗凍臨界強度聯系起來理解，即在環境溫度降到外(wài)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(dà)大(dà)增加。

　　目前國内生(shēng)産的混凝土防凍劑的使用溫度多在-10℃～-15℃之間（可适用于日最低-15℃～-20℃的情況），溫度再低，防凍劑配方設計難度越大(dà)，不确定因素也增加，從這個角度講，多數情況下(xià)沒有必要非得要求防凍劑的使用溫度一(yī)定低于施工(gōng)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。

　　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内部的時間長一(yī)些，盡量延長水泥正溫水化時間，這一(yī)點非常重要。保溫做得越好，混凝土降到外(wài)加劑“使用溫度”的時間越長，越有時間達到抗凍臨界強度。爲達到這個效果，覆蓋材料的種類和厚度應結合外(wài)加劑的使用溫度、抗凍臨界強度、環境溫度等因素通過熱工(gōng)計算确定。

　　3.3 搞好施工(gōng)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是爲了使外(wài)加劑更充分(fēn)的混合，外(wài)加劑攪拌不勻甚至會引發事故。再者防凍劑有一(yī)個最佳攪拌時間和最佳振搗時間問題，過度會使其中(zhōng)的引氣量減小(xiǎo)，不足又(yòu)會使其中(zhōng)的氣泡分(fēn)布不均甚至産生(shēng)粗大(dà)劣質氣泡，這些都會對防凍不利。此外(wài)，最大(dà)限度縮短運送距離(lí)，攪拌站搭設保溫棚，輸送管外(wài)裹保溫套，架子車(chē)覆蓋保溫被，工(gōng)序銜接緊湊等措施都是爲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。

　　3.4 熱工(gōng)計算熱工(gōng)計算主要參照湖南(nán)大(dà)學吳震東提出的“吳震東公式”進行，它有多方面的用途，在華北(běi)地區主要用來做驗證性計算。要點是：

　　1）根據原材料和環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定溫度所需的時間，h；

　　3）根據成熟度公式計算在上述養護時間内混凝土能達到的強度，MPa；

　　4）比較該強度是否大(dà)于抗凍臨界強度，确定冬施方案是否可行；

　　5）施工(gōng)時留置同條件試塊，在環境溫度降至防凍劑使用溫度的前1d檢驗其實際強度，看是否達到抗凍臨界強度。

　　3.5 掌握防凍劑摻量有人将說明書(shū)上的摻量視爲基準摻量，施工(gōng)時根據實際溫度上下(xià)調整，這種做法是冒險的。一(yī)般地，比較正規的防凍劑産品在配方設計時摻量與使用溫度都是一(yī)一(yī)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，适用範圍十分(fēn)狹窄，摻量與功效并非線性關系。比如将3%摻爲4%，各組份将都增加33%，很可能造成因含氣量增加導緻強度下(xià)降（約5%～10%）；因Na2SO4、NaNO3增加緻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(wài)加劑亦是如此。