混凝土防凍劑性能研究

關(guān) 穎

（中鐵二十二局第一工程有限責(zé)任公司，哈爾濱 150006）

我國地域遼闊，冬季持續(xù)時(shí)間較長，尤其是東北、西北、華北地區(qū)，冬季一般持續(xù)3～6 個(gè)月。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，混凝土冬季施工比較普遍，而漫長的冬期寒冷季節(jié)給工程建設(shè)帶來了許多問題，最主要的就是防止混凝土凍傷，在低溫下如果不采取有效的措施，混凝土一旦遭受凍傷就會產(chǎn)生破壞，合理及適當(dāng)?shù)厥褂梅纼鰟┦菧p輕混凝土早期病害和提高混凝土防凍效果切實(shí)有效的措施，可保證混凝土的耐久性及強(qiáng)度達(dá)到施工要求，對工程質(zhì)量有很好的作用。

1 防凍劑的防凍原理

混凝土拌合物在混凝土連續(xù)澆注后之所以會逐漸凝結(jié)和硬化，直至獲得最終強(qiáng)度，是混凝土中水泥與水之間進(jìn)行了水化作用的結(jié)果。而混凝土水化過程的快慢，除與混凝土材料本身的內(nèi)部物質(zhì)和摻量狀況有關(guān)以外，也與外部氣溫的高低相關(guān)?；炷练纼鰟┦且环N能夠使混凝土在負(fù)溫條件下慢慢地硬化，并在規(guī)定的預(yù)養(yǎng)和養(yǎng)護(hù)溫度下達(dá)到理想強(qiáng)度，在溫度逐漸降低至0 ℃以下之后，存在于混凝土中的自由水有一部分開始凝結(jié)成冰，并慢慢地由液態(tài)（水）變?yōu)楣虘B(tài)（冰），而此時(shí)參與混凝土水化的水分就減少了，因此水化過程變得遲緩，強(qiáng)度提高亦隨之緩慢。溫度再逐漸降低，這時(shí)混凝土的強(qiáng)度已不能再增長了，當(dāng)溫度下降至-15 ℃以下時(shí)，參與水化反應(yīng)的水幾乎全部凍結(jié)，致使混凝土的水化和硬化過程幾乎全部停止，溫度較低或0℃以下，尤其-15 ℃以下的溫度對混凝土的施工和結(jié)構(gòu)工程十分不利。由于水的固有特性，從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)時(shí)，其體積會增大，會使混凝土內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致骨料與水泥粒間的相對位移和內(nèi)部水分向負(fù)溫表面遷移，使混凝土內(nèi)部形成了因冰聚體所引起的結(jié)構(gòu)破壞。

為了克服冬季水泥混凝土澆筑的困難，添加混凝土防凍劑無論是從工程經(jīng)濟(jì)性還是從施工的可操作性角度考量，都是一種非常好的方式。防凍劑的主要功能就是可以降低拌合料的冰點(diǎn)溫度，并且能細(xì)化冰晶，讓水泥混凝土在0℃以下溫度保留些液態(tài)水，這些液態(tài)水可以使混凝土緩慢水化，從而改變了水泥混凝土的微觀構(gòu)造，防凍劑的關(guān)鍵作用就是可以促進(jìn)及加速水泥混凝土凝固，并且能夠在很短時(shí)間內(nèi)到達(dá)抗凍的臨界強(qiáng)度值，硬化速度也大大提高，并且可以防止施工構(gòu)件破裂損壞。抗凍臨界強(qiáng)度是指在冬季澆筑時(shí)，當(dāng)砼強(qiáng)度超過了某一限制值之后，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本初步形成，就具有了抗凍脹破裂的能力，混凝土即使再受凍也不致被凍壞，此時(shí)的強(qiáng)度稱為砼的抗凍臨界強(qiáng)度。

防凍劑的防凍機(jī)理與原理一般是各種外加劑效果復(fù)合一起共同產(chǎn)生的，但并不是只要添加了防凍劑混凝土就會滿足冬季施工要求，一定要考慮到施工中的具體狀況，需做相容性試驗(yàn)，所以在建筑工程施工中，要選用符合施工要求的防凍劑才可以改善砼的抗凍性能。

2 防凍劑試驗(yàn)

中鐵二十二局第一工程有限責(zé)任公司（以下簡稱“我單位”）地處北方，冬季最低溫度能達(dá)到-20 ℃左右，2022 年1 月我單位參與國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的比對試驗(yàn)，共試驗(yàn)了6 組防凍劑，-10 ℃、-15 ℃2 個(gè)溫度各3組。做了抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)、收縮率比試驗(yàn)、氯離子含量試驗(yàn)。下面主要介紹防凍劑抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)和收縮率比試驗(yàn)，檢測方法依據(jù)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 475—2004《混凝土防凍劑》，摻防凍劑的混凝土性能滿足建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC 475—2004 中表2 的要求。

2.1 防凍劑抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)

1）試驗(yàn)材料的選擇、配合比比例確定及攪拌方法等，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8076—2008《混凝土外加劑》試驗(yàn)方法的規(guī)定進(jìn)行，混凝土防凍劑試驗(yàn)時(shí)的坍落度應(yīng)控制為70～90 mm。試驗(yàn)中基準(zhǔn)配合比試驗(yàn)各材料用量見表1。各外加劑性狀及摻量見表2。

表1 基準(zhǔn)配合比試驗(yàn)各材料用量

表2 各外加劑性狀及摻量

2）試件的成型及養(yǎng)護(hù)溫度和方法?；鶞?zhǔn)混凝土試塊和摻防凍劑的受檢混凝土試塊須同時(shí)制作，由于防凍劑的特殊性能，試驗(yàn)的試塊與其他外加劑試塊的養(yǎng)護(hù)是不同的?；炷量箟簭?qiáng)度試塊的制作方法參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，混凝土坍落度控制為70～90 mm，坍落度盡量相同，試塊成型方法選用振動臺振實(shí)，一般振動時(shí)間為10～15 s，振至表面出漿停止。將摻防凍劑的受檢混凝土抗壓強(qiáng)度試塊在室溫17～23 ℃溫度下按表3中要求的時(shí)間預(yù)養(yǎng)后用塑料膜包裹試件放入冰箱（或冷凍室）中，其冷凍溫度應(yīng)于3～4 h 內(nèi)均勻地降至規(guī)定溫度，在冰箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)滿7 d 后（從混凝土材料與水接觸時(shí)算起）脫模，將試塊放置在室溫17～23 ℃至冷凍的試件完全解凍，解凍時(shí)間不少于表3 要求的解凍時(shí)間。在解凍后其中一組試塊進(jìn)行負(fù)溫7 d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其他試塊放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至其他齡期再試驗(yàn)。

表3 -10 ℃、-15 ℃溫度混凝土試件的預(yù)養(yǎng)與解凍時(shí)間

3）抗壓強(qiáng)度比的計(jì)算。用28 d 受檢標(biāo)養(yǎng)混凝土、不同齡期受檢負(fù)溫混凝土與28 d 基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度之比表示

式中：R28指受檢混凝土標(biāo)養(yǎng)28 d 抗壓強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)28 d 基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度之比，單位為百分?jǐn)?shù)（%）；R-7指受檢測的混凝土負(fù)溫養(yǎng)護(hù)7 d 抗壓強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)28 d基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度之比，單位為百分?jǐn)?shù)（%）；R-7+28指受檢混凝土在規(guī)定溫度下養(yǎng)護(hù)7d 后再轉(zhuǎn)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d 抗壓強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)28 d 基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度之比，單位為百分?jǐn)?shù)（%）；R-7+56指受檢混凝土在規(guī)定溫度下養(yǎng)護(hù)7 d 后再轉(zhuǎn)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)56 d 抗壓強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)28 d 基準(zhǔn)混凝土抗壓強(qiáng)度之比，單位為百分?jǐn)?shù)（%）；fCA指受檢混凝土標(biāo)養(yǎng)28 d 抗壓強(qiáng)度，單位為兆帕（MPa）；fC指基準(zhǔn)混凝土標(biāo)養(yǎng)28 d 抗壓強(qiáng)度，單位為兆帕（MPa）；fAT指不同齡期的受檢混凝土抗壓強(qiáng)度，單位為兆帕（MPa）。防凍劑需要計(jì)算式（1）—（4）4 個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度比，來判定防凍劑是否滿足要求。

4）試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 防凍劑不同齡期抗壓強(qiáng)度比（試驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅供參考） （%）

試驗(yàn)過程中，防凍劑在規(guī)定溫度（-10 ℃/-15 ℃）養(yǎng)護(hù)至7 d 齡期后，并按規(guī)定溫度和時(shí)間解凍后，-10 ℃防凍劑拆模后，試塊完好，-15 ℃防凍劑拆模時(shí)有掉渣和掉角現(xiàn)象。-10 ℃防凍劑負(fù)溫養(yǎng)護(hù)7 d 齡期的抗壓強(qiáng)度在14～19 MPa 之間；-15 ℃防凍劑負(fù)溫養(yǎng)護(hù)7 d 齡期的強(qiáng)度很低，強(qiáng)度值在1～3 MPa 之間，壓碎的試塊松散，粗骨料沒有受力，抗壓強(qiáng)度比較低，其他齡期的抗壓強(qiáng)度比都能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。最終負(fù)溫7 d 轉(zhuǎn)標(biāo)養(yǎng)56 d的抗壓強(qiáng)度比基本能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

5）試驗(yàn)期間還對預(yù)養(yǎng)時(shí)間進(jìn)行了驗(yàn)證，其他條件相同，預(yù)養(yǎng)時(shí)間不同，結(jié)果見表5。

表5 不同預(yù)養(yǎng)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度值（試驗(yàn)數(shù)據(jù)，僅供參考）

結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)中給定的預(yù)養(yǎng)時(shí)間是最適合的時(shí)間。預(yù)養(yǎng)時(shí)間3 h，負(fù)溫7 d 強(qiáng)度基本上無增長，預(yù)養(yǎng)時(shí)間增加1～2 h，負(fù)溫7 d 抗壓強(qiáng)度略高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的預(yù)養(yǎng)時(shí)間的抗壓強(qiáng)度值，預(yù)養(yǎng)時(shí)間短，主要影響的是拆模強(qiáng)度，對后期強(qiáng)度增長也會有影響。所以預(yù)養(yǎng)時(shí)間一定要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的時(shí)間。

6）注意事項(xiàng)：①溫度原因，試驗(yàn)所有材料應(yīng)在試驗(yàn)室中放置24 h 以上，包括水泥、摻和料、砂石、外加劑和拌合用水，砂石均為干燥狀態(tài)，試驗(yàn)時(shí)測量各材料溫度?；炷裂b模后的養(yǎng)護(hù)，在17～23 ℃環(huán)境溫度預(yù)養(yǎng)后移入冰箱或冰室，應(yīng)注意地面溫度，地面溫度較環(huán)境溫度低，對外加劑的1 d 強(qiáng)度影響很大，可以在地面鋪聚苯板等，減小地面溫度跟室溫的差異，強(qiáng)度增長效果更好。冷凍時(shí)，我單位用的是精準(zhǔn)控溫冰箱，跟專門做防凍劑研究的老師也探討過，負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件環(huán)境要求，要求高功率冰箱或冰室，有條件的可以測下試件中心溫度，一般試件的中心溫度12 h 左右能達(dá)到要求。試模的材質(zhì)也影響降溫時(shí)間，鐵試模和塑料試模降溫時(shí)間不一樣，冷凍時(shí)塑料膜包裹層數(shù)也有影響，包裹一層效果較好，包裹多層影響降溫時(shí)間。②其他因素，達(dá)到要求坍落度時(shí)基準(zhǔn)混凝土用水量波動范圍寬，外加劑含氣量大小對混凝土強(qiáng)度有影響，含氣量大于7 以上，不建議進(jìn)行強(qiáng)度、收縮、耐久性試驗(yàn)，合格率低，粗骨料的質(zhì)量對強(qiáng)度影響很大。解凍時(shí)間一般2～3 h 能達(dá)到要求，做負(fù)溫7 d 抗壓強(qiáng)度時(shí)，注意試件是否完全解凍，若按規(guī)定時(shí)間無法完全解凍的，7 d 強(qiáng)度可延緩試驗(yàn)，記錄延緩時(shí)間。③試驗(yàn)過程中還應(yīng)特別注意，混凝土攪拌前的準(zhǔn)備工作應(yīng)做好，此次試驗(yàn)用的是100 mm×100 mm×100 mm 的塑料試模，要將試模的內(nèi)部清理干凈，并在其內(nèi)部涂上一層礦物油脂或其他不和混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的脫模劑，一定涂抹均勻，過多影響強(qiáng)度，過少不易脫模，因?yàn)榉纼鰟┗炷猎噳K負(fù)溫養(yǎng)護(hù)后脫模時(shí)強(qiáng)度低，拆模時(shí)要特別的注意，有掉渣和掉角現(xiàn)象可能與試模內(nèi)部涂的礦物油脂有關(guān)。試驗(yàn)時(shí)采用振動臺成型，將混凝土拌合物一次性裝入試模，振搗10 s左右，至表面出漿為止，避免振搗時(shí)間過長，出現(xiàn)水泥漿與骨料分離現(xiàn)象。成型后的養(yǎng)護(hù)很重要，因?yàn)閾椒纼鰟┑幕炷猎噳K預(yù)養(yǎng)時(shí)間只有4～5 h，必須用不透水的薄膜蓋在表面，防止水分蒸發(fā)，水分的蒸發(fā)影響著混凝土內(nèi)部水化作用，會影響試件的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度。基準(zhǔn)混凝土試塊應(yīng)在溫度為17～23 ℃的環(huán)境中放置24 h，然后編號并在表面寫上“JZ+數(shù)字+成型日期”，然后拆模，拆模的時(shí)候需要輕拿輕放，而防凍劑試塊預(yù)養(yǎng)至規(guī)定時(shí)間后，帶試模和薄膜移入冰箱冷凍，負(fù)溫養(yǎng)護(hù)7 d 后拆模。抗壓性能試驗(yàn)前，要檢測試件表面，以確定受力表面上有無蜂窩、泡沫和松散層，在加壓時(shí)也要注意根據(jù)垂直變形方向進(jìn)行均勻的分級加壓，因?yàn)椴恢缽?qiáng)度范圍，所以加荷速度選最小速率，不然將影響測量的實(shí)際準(zhǔn)確性，28 d 及以上齡期試塊在做抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，可以參考前期強(qiáng)度預(yù)估下強(qiáng)度，選擇適合的加荷速率。

2.2 防凍劑收縮率比試驗(yàn)

1）收縮率試驗(yàn)材料的選用、配合比比例確定及攪拌方法，試塊的成型同抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)一樣。養(yǎng)護(hù)及測量時(shí)間：不摻防凍劑的基準(zhǔn)混凝土收縮試塊拆模后在標(biāo)養(yǎng)室養(yǎng)護(hù)3 d（從混凝土材料與水接觸時(shí)算起），然后從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室拿出移到恒溫恒濕室內(nèi)3～4 h 后，第一次測量其長度，記為初始長度，再養(yǎng)護(hù)28 d 后用同樣的方法測量其長度，記為28 d 長度。摻防凍劑的受檢混凝土收縮試塊預(yù)養(yǎng)及負(fù)溫養(yǎng)護(hù)方法同上面抗壓強(qiáng)度比試驗(yàn)，負(fù)溫養(yǎng)護(hù)7 d 后（從混凝土材料與水接觸時(shí)算起）脫模，放置在17～23 ℃環(huán)境溫度下解凍，解凍時(shí)間不少于表3 的規(guī)定。解凍后先標(biāo)養(yǎng)3 d，再從標(biāo)養(yǎng)室拿出移入恒溫恒濕室內(nèi)3～4 h 測量其初始長度，再經(jīng)養(yǎng)護(hù)28 d 后測量其28 d 長度。

2）每組以3 個(gè)試塊測量值的算術(shù)平均值作為該組混凝土的收縮率，收縮率比為摻防凍劑的受檢負(fù)溫混凝土的收縮率與基準(zhǔn)混凝土的收縮率的比值，精確至1%。

3）總結(jié)：混凝土收縮率試驗(yàn)，在拆模過程中試件兩端測頭有部分掉落，測試過程中試件兩端測頭有部分松動，測頭掉落的地方留下孔洞較大，側(cè)頭重新插入不牢固，測頭掉落和松動情況的試件，測量結(jié)果出現(xiàn)負(fù)值或異常值，應(yīng)舍去，影響結(jié)果評定，需重新試驗(yàn)，這樣就會使試驗(yàn)周期延長。所以試驗(yàn)時(shí)一定要特別注意，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定操作。

4）注意事項(xiàng)：試驗(yàn)過程中試件兩端側(cè)頭掉落和松動原因可能是在混凝土振實(shí)過程中金屬測頭移位，或者試模刷油過多，金屬測頭粘上油脂，成型后金屬測頭粘結(jié)不牢或松動，甚至脫落，所以試驗(yàn)中要特別注意。按照標(biāo)準(zhǔn)要求測定某一混凝土收縮率時(shí)，試件應(yīng)在3 d齡期（從混凝土材料與水接觸時(shí)算起）從標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室取出然后立即移入恒溫恒濕室使它們具有同樣的溫度標(biāo)準(zhǔn)測定其初始長度，測量時(shí)宜記下試件的初始干濕狀態(tài)，之后至少要按括號中規(guī)定的時(shí)間間隔測量其變形讀數(shù)（1、3、7、14、28、45、56 d）。測量前必須用標(biāo)準(zhǔn)桿校正儀表的零點(diǎn)，并在測定過程中再次復(fù)核零點(diǎn)1 次，在全部試件測量讀完數(shù)后，應(yīng)再次復(fù)核零點(diǎn)。如復(fù)核時(shí)發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)與初次測值的偏差超過±0.01 mm，則需要調(diào)零后重新測定；另外試件每次在收縮儀上的放置位置、方向均應(yīng)保持一致，為此，在儀器和試件上應(yīng)標(biāo)明相應(yīng)的記號，并且保證試件在放置及取出時(shí)應(yīng)輕拿輕放，一定不能碰撞表架及表?xiàng)U，如果不小心碰撞則在取下試件后，重新用標(biāo)準(zhǔn)桿對零點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。

3 防凍劑的應(yīng)用

摻防凍劑的混凝士在施工完畢之后，在氣溫低的天氣，要進(jìn)行覆蓋保溫措施，來減緩水化過程中產(chǎn)生的熱量散失速度，保證混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度，從而保證混凝土結(jié)構(gòu)正常水化。另外，通過對建筑物進(jìn)行保溫措施，保證預(yù)養(yǎng)時(shí)間要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，保證混凝土的強(qiáng)度能夠正常增長，在溫度下降到所能承受的低溫前達(dá)到臨界抗凍強(qiáng)度。常見的保溫方法有：搭設(shè)一次性固定暖棚的混凝土保溫養(yǎng)護(hù)措施，還可以采用保溫層板對建筑結(jié)構(gòu)模板進(jìn)行保溫，混凝土外露表面，特別在新老混凝土接合處、邊角及棱角突出部分處做好保溫。

GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：對于防凍劑的品種、摻量選擇應(yīng)該按混凝土澆筑后5 日內(nèi)的預(yù)計(jì)日最低氣溫選用。如果日最低氣溫為-5～-10 ℃應(yīng)選用規(guī)定溫度為-5 ℃的防凍劑，如果日最低氣溫為-10～-15 ℃應(yīng)選用規(guī)定溫度為-10 ℃的防凍劑，如果日最低氣溫在-15～-20 ℃之間，應(yīng)該選用規(guī)定溫度為-15 ℃的防凍劑。根據(jù)需要選擇合適的種類，施工中最常用的外加劑為減水劑或泵送劑，有含氣量要求時(shí)會摻入引氣劑，有膨脹要求時(shí)會摻入膨脹劑等，當(dāng)防凍劑與其他外加劑同時(shí)使用時(shí)，必須要結(jié)合工程條件、施工環(huán)境等因素，應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)后確定是否滿足設(shè)計(jì)和施工要求后，再使用。選擇防凍劑的使用溫度應(yīng)該與抗凍臨界強(qiáng)度值結(jié)合起來應(yīng)用，在溫度達(dá)到防凍劑的應(yīng)用溫度之前，應(yīng)該保證混凝土強(qiáng)度能夠達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度，從而可以提升使用效果，使混凝土結(jié)構(gòu)避免出現(xiàn)損壞。當(dāng)防凍劑是液體時(shí)，貯存和輸送液體防凍劑的設(shè)備應(yīng)采取保溫措施。還要求摻加防凍劑的混凝土拌合物的入模溫度不應(yīng)低于5 ℃。摻防凍劑混凝土的其他有關(guān)生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工及養(yǎng)護(hù)的要求，應(yīng)符合現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGT 104—2011《建筑工程冬期施工規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定。

在北方寒冷地區(qū)、工期比較緊的工程，為保證混凝土施工質(zhì)量和施工進(jìn)度，防凍劑已被廣泛應(yīng)用到混凝土冬期施工中。