防凍劑在混凝土冬季施工中的應(yīng)用分析

羅小怡

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 陜西西安 710016）

防凍劑在混凝土冬季施工中的應(yīng)用分析

羅小怡

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司 陜西西安 710016）

根據(jù)《建筑工程冬季施工規(guī)程》的規(guī)定，室外日平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定低于5℃即進(jìn)入冬季施工。本文主要分析了冬季施工中混凝土早期凍害產(chǎn)生的原因，介紹了防凍劑的種類和作用機(jī)理，并簡(jiǎn)要的闡述了防凍劑在使用過程中的注意事項(xiàng)，為混凝土工程在冬季低溫條件下的施工過程提供了參考。

防凍劑；混凝土；冬季施工；應(yīng)用

混凝土是工程建設(shè)領(lǐng)域使用最為廣泛的建筑材料，無論是鐵路、公路還是水利、房建工程，它都處于極其重要的地位。我國幅員遼闊，氣候類型多樣，在北方地區(qū)冬季的施工過程中，混凝土容易受到早期凍害的影響，降低了工程的質(zhì)量，而合理的使用防凍劑可以明顯減少此類現(xiàn)象的發(fā)生，為工程的安全質(zhì)量提供了保障。

1 冬季施工對(duì)混凝土強(qiáng)度和耐久性造成的影響

低溫對(duì)混凝土的影響主要體現(xiàn)在混凝土澆筑的早期，過低的環(huán)境溫度使新澆混凝土內(nèi)部的水分凍結(jié)，阻礙了拌和物的水化作用，影響了混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，同時(shí)改變了混凝土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，大大降低了混凝土的耐久度和壽命，此現(xiàn)象被稱為混凝土的早期病害。

新澆筑的混凝土內(nèi)部含有一定量的水分，其中一部分吸附在組成混凝土的材料顆粒表面以及毛細(xì)管中，能夠使水泥顆粒進(jìn)行水化作用，稱為水化水，其余的部分則存在于組成混凝土的材料顆粒空隙之間，不與水泥發(fā)生反應(yīng)的游離水。混凝土的強(qiáng)度在很大程度上取決于水泥水化作用進(jìn)行的程度和混凝土內(nèi)部游離水的蒸發(fā)，而水泥水化程度又與溫度有著直接的關(guān)系。當(dāng)氣溫降低時(shí)，混凝土內(nèi)部水泥的水化作用減慢，混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度也相應(yīng)降低，一旦氣溫達(dá)到冰點(diǎn)以下，混凝土中的水分就會(huì)結(jié)冰，水泥的水化作用基本停止，混凝土的強(qiáng)度就會(huì)停止增長(zhǎng)。同時(shí)在強(qiáng)度尚未達(dá)到施工要求的混凝土內(nèi)部發(fā)生膨脹，形成冰晶，產(chǎn)生很大的凍脹應(yīng)力，造成混凝土孔隙率提高，孔隙體積增大，甚至在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微的裂縫，降低了混凝土的強(qiáng)度和耐久度。而冰晶形成的過程中通常還伴隨有水分的轉(zhuǎn)移，冰晶周圍的水會(huì)向著冰晶移動(dòng)，令冰晶的體積不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致混凝土受損進(jìn)一步加劇。

新澆筑的混凝土的骨料周圍通常都包裹著一層水分，過低的溫度令水分凍結(jié)，在骨料與混凝土之間產(chǎn)生一層冰膜，降低了骨料與水泥之間的粘合力，這種現(xiàn)象一旦產(chǎn)生便很難恢復(fù)，從而令混凝土的強(qiáng)度受到永久性的損傷。同時(shí)，由于混凝土內(nèi)部各成分之間的膨脹系數(shù)各不相同，造成混凝土各部分之間發(fā)生位移，使混凝土的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋，降低了混凝土的強(qiáng)度。

2 防凍劑的成分及作用原理

為了防止混凝土早期病害的發(fā)生，在冬季施工中，經(jīng)常會(huì)在混凝土內(nèi)加入防凍劑，防凍劑能使混凝土在負(fù)溫下硬化，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度，其實(shí)質(zhì)就是降低了混凝土內(nèi)部水分的冰點(diǎn)，使混凝土內(nèi)部水分在低溫狀態(tài)下依舊保持、或部分保持液態(tài)，保證了混凝土強(qiáng)度的發(fā)展，從而減輕低溫給混凝土帶來的損害。防凍劑中含有多種組分，主要組分為防凍組分，其它還有早強(qiáng)組分、減水組分、引氣組分等，在各組分的共同作用下，混凝土不僅在負(fù)溫條件下能夠硬化，而且最終能夠達(dá)到與常溫養(yǎng)護(hù)的混凝土相同的質(zhì)量水平。

2.1 防凍組分

防凍組分是復(fù)合型防凍劑的主要成分，其主要作用是令混凝土在低溫狀態(tài)下，內(nèi)部依舊保有一定比例的液態(tài)水，讓水泥的水化作用得以繼續(xù)進(jìn)行，促使混凝土強(qiáng)度健康發(fā)展，保證其在低溫下免遭凍害。其作用原理可分為三類：①組分與水有著很低的共溶溫度，與水混合后可明顯降低水的冰點(diǎn)，保證混凝土內(nèi)部的水泥在低溫下仍能發(fā)生水化作用，維持混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度，代表成分主要有氯化鈉、亞硝酸鈉等。②防凍組分不僅能夠減低水分的冰點(diǎn)，同時(shí)還可以改變水分結(jié)成冰晶后的晶格狀態(tài)，令其無法產(chǎn)生凍脹應(yīng)力，防止了冰晶對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成的損害，代表成分主要包括甲醇、尿素等。③防凍組分在作用機(jī)理上與前兩者存在明顯的不同，它無法明顯降低水分的冰點(diǎn)，但卻能夠直接與水泥發(fā)生水化作用，明顯提高了混凝土強(qiáng)度增加的速度，此類防凍組分的代表成分主要有碳酸鉀、氯化鈣等。

2.2 早強(qiáng)組分

防凍劑中的早強(qiáng)組分雖不直接參與混凝土內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)，但卻在反應(yīng)中起到了催化劑的作用，可以加快水泥的水化速度，縮短混凝土達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度的時(shí)間，在短期內(nèi)迅速提升混凝土的抗凍能力。并且通過水化反應(yīng)，混凝土內(nèi)部的大部分游離水發(fā)生反應(yīng)成為不會(huì)凍結(jié)的結(jié)合水，進(jìn)一步減輕了混凝土的凍害。

2.3 減水組分

減水組分能夠減少單位體積混凝土拌和過程中水的用量，起到增強(qiáng)混凝土密實(shí)度、減少混凝土內(nèi)部游離水的含量的作用，同時(shí)減水劑還能夠?qū)λ嗥鸬椒稚⒆饔?，將其?xì)化為更小、更分散的顆粒，起到了改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的作用，進(jìn)一步分散了混凝土中的水分，提高了水分中防凍劑的濃度，降低了可能產(chǎn)生的冰晶粒度，減輕了水分凍結(jié)時(shí)對(duì)混凝土產(chǎn)生的破壞作用。

2.4 引氣組分

混凝土屬于多孔性材料，其內(nèi)部或多或少的存在有一定的孔隙，如果能夠合理的利用孔隙的作用，就可以明顯減輕低溫對(duì)混凝土產(chǎn)生的損害作用。如在混凝土拌合的過程中加入引氣劑，便能夠在混凝土內(nèi)部增加大量微小的密封性氣泡，氣泡可以增加混凝土的潤滑性，并改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，緩解水分在凍結(jié)為冰晶過程中產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力，從而達(dá)到提高混凝土抗凍能力的目的。

3 防凍劑的種類

目前常見的防凍劑根據(jù)其所含防凍組分的成分，可大體分為三種：氯鹽類防凍劑、氯鹽阻銹類防凍劑以及無氯鹽類防凍劑。

氯鹽類防凍劑的主要成分為氯化鈉和氯化鈣，并加入了一定比例的早強(qiáng)組分、減水組分和引氣組分，屬于復(fù)合型防凍劑，可以對(duì)混凝土起到很好的早強(qiáng)、減水及降低混凝土內(nèi)部水分冰點(diǎn)的作用，但其成分會(huì)加速混凝土中鋼筋的銹蝕速度。而鋼筋銹蝕后體積會(huì)增大，使混凝土產(chǎn)生裂縫，裂縫的產(chǎn)生又進(jìn)一步促進(jìn)鋼筋的銹蝕，長(zhǎng)此以往形成惡性循環(huán)，會(huì)嚴(yán)重的降低混凝土的強(qiáng)度和耐久度。因此氯鹽類防凍劑只適用于無鋼筋的混凝土工程。

氯鹽阻銹類防凍劑在氯鹽類防凍劑的基礎(chǔ)上，添加了具有阻銹功能的成分，有效的彌補(bǔ)了氯鹽類防凍劑促進(jìn)鋼筋銹蝕的缺點(diǎn)，增加了自身的適用范圍，可廣泛的應(yīng)用于鋼筋混凝土工程中。

無氯鹽類防凍劑是以硝酸鹽、亞硝酸鹽、碳酸鹽和尿素為主要成分的復(fù)合型防凍劑。此類防凍劑對(duì)鋼筋不產(chǎn)生銹蝕作用，但其成分中的硝酸鹽與亞硝酸鹽會(huì)對(duì)混凝土造成應(yīng)力腐蝕，因此不能用在預(yù)應(yīng)力混凝土工程當(dāng)中。而使用尿素生產(chǎn)的防凍劑，由于堿性過高，致使混凝土內(nèi)部氨不斷釋放到環(huán)境當(dāng)中，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了污染，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。

4 防凍劑在工程中的應(yīng)用

以西安地區(qū)的建設(shè)工程為例，根據(jù)相關(guān)氣溫資料統(tǒng)計(jì)，西安每年的12月份到次年的2月份為寒冬季節(jié)，其中1月份最冷，月平均最低氣溫在-4℃左右，極端最低氣溫為-16～-20℃，所以每年的12月份西安地區(qū)基本進(jìn)入了冬季施工階段。

在防凍劑的選擇上，氯鹽類防凍劑因?yàn)楹新入x子，會(huì)對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋產(chǎn)生銹蝕作用，所以只能用于無鋼筋的素混凝土工程中，鋼筋混凝土工程一般摻加氯鹽阻銹類防凍劑或無氯鹽類防凍劑。防凍劑的摻量應(yīng)根據(jù)不同的溫度變化進(jìn)行調(diào)整，西安地區(qū)一般最低氣溫都在-5℃以內(nèi)，相對(duì)于北方其它地區(qū)來說，溫度變化幅度不是很大，因此防凍劑的摻量3%就能滿足防凍要求，當(dāng)然具體的產(chǎn)品要以檢驗(yàn)報(bào)告為依據(jù)。我們?cè)?jīng)做過這樣的模擬試驗(yàn)，把兩組摻加防凍劑和不摻防凍劑的混凝土試件放進(jìn)-5℃的冷凍箱中養(yǎng)護(hù)7d，不摻防凍劑的混凝土試件強(qiáng)度增長(zhǎng)幾乎為零（說明已經(jīng)受凍），而摻加防凍劑的混凝土試件強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度的30%，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了混凝土受凍的臨界強(qiáng)度。

在冬季混凝土施工過程中，宜優(yōu)先選用流動(dòng)性好、早期水化熱高的普通硅酸鹽水泥，嚴(yán)禁使用高鋁水泥，骨料內(nèi)不得含有冰雪等冰凍物，凍砂塊必須打碎過篩后使用，嚴(yán)格控制水灰比，摻防凍劑的混凝土攪拌時(shí)間要比普通混凝土延長(zhǎng)50%，混凝土的運(yùn)輸車必須輔助一定的保溫措施，混凝土的入模溫度不得低于5℃，混凝土澆筑成型后立即用塑料和草袋覆蓋養(yǎng)護(hù)，加強(qiáng)新澆混凝土的保溫、保濕工作，嚴(yán)禁灑水養(yǎng)護(hù)。

在使用防凍劑之前，需要確認(rèn)防凍劑的產(chǎn)品質(zhì)量報(bào)告以及產(chǎn)品合格證，并且對(duì)防凍劑的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，保證所選防凍劑為質(zhì)量合格產(chǎn)品。

5 總結(jié)

防凍劑的合理使用可以有效的減少冬季混凝土早期病害現(xiàn)象的發(fā)生，明顯提高冬季施工速度和混凝土的強(qiáng)度，保障了混凝土的強(qiáng)度和耐久度不受損害，起到了縮短工期，提高工程質(zhì)量的效果。

[1]中華人民共和國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).《混凝土防凍劑》（JC475-2004）.

[2]中華人民共和國建設(shè)部.《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50119-2003）.

TU528.042

A

1004-7344（2016）10-0135-02

2016-2-18

羅小怡（1981-），女，工程師，本科，主要從事地鐵工程建設(shè)及施工管理工作。