淺析混凝土中防凍劑作用機理

摘　要:通過對混凝土凍害機理及分析,全面闡述了防凍劑組分的作用機理、分類和適用范圍等事項。

關鍵詞:凍害機理;防凍劑;組分;作用機理;適用范圍

中圖分類號:TU528 - 042

　　根據(jù)“建筑工程冬季施工規(guī)程”(jgj104 - 97) 的規(guī)定,室外日平均氣溫連續(xù)5 天穩(wěn)定低于5 ℃即進入冬季施工;當室外日平均氣溫連續(xù)5 天穩(wěn)定高于5 ℃時解除冬季施工。我國三北地區(qū)由于區(qū)域條件所致,一年大概有三分之一時間處于冬季施工期。

　　由于本工程工期緊、任務重, 冬期繼續(xù)施工已無法避免。這樣低的氣溫如不采取有效措施或措施不當,使混凝土遭受凍害,將會給工程質量造成事故。研究和認識混凝土凍害的機理和規(guī)律,正確使用防凍劑,對保證工程質量,實現(xiàn)全年均衡施工具有十分重要的意義。

1 　混凝土凍害機理及分析

　　混凝土拌和物澆灌后之所以能逐漸凝結硬化,直至獲得最終強度,是由于水泥水化作用的結果。而水泥水化作用的速度除與混凝土本身組成材料和配合比有關外,還與外界溫度密切相關。當溫度升高時水化作用加快,強度增長加快,而當溫度降低到0 ℃度時,存在于混凝土中的水有一部分開始結冰,逐漸由液相(水) 變?yōu)楣滔?冰) ,這時參與水泥水化作用的水減少了,水化作用減慢,強度增長相應變慢。溫度繼續(xù)降低,當存在于混凝土中的水完全變成冰,也就是完全由液相變成固相時,水泥水化作用基本停止,此時混凝土的強度不會再增長。由于水變成冰后體積約增大9 % ,同時產(chǎn)生約2. 5MPa 的膨脹應力,這個應力往往大于混凝土的內(nèi)部形成的初始強度值,使混凝土受到不同程度的破壞(即早期受凍破壞) 。此外,當水變成冰后,還會在骨料和鋼筋表面上產(chǎn)生顆粒較大的冰凌,減弱水泥漿與骨料和鋼筋的粘結力。當冰凌融化后,還會在混凝土內(nèi)部形成各種空隙,而降低混凝土的耐久性。

　　國內(nèi)外許多學者對冬季施工的混凝土進行了大量的試驗,結果表明:在受凍混凝土中水泥發(fā)生水化作用停止之前,使混凝土達到一個最小臨界強度(我國規(guī)定為不低于設計強度的30 %且不低于3.5MPa) ,可以使混凝土不遭受凍害,最終強度不受到損失。所以延長混凝土中水的液體形態(tài),使之有充裕的時間與水泥發(fā)生水化反應,達到混凝土的最小臨界強度及減少混凝土中自由水的含量是防止混凝土凍害的關鍵。在實際的工程中,針對具體情況,通常采用蓄熱法和摻加防凍劑兩種方法來保證水的液態(tài)。防凍劑的作用在于降低拌和物冰點,細化冰晶,使混凝土在負溫下保持一定數(shù)量的液相水,使水泥緩慢水化,改善了混凝土的微觀結構,從而使凝土達到一個最小臨界強度,待來年溫度升高時強度持續(xù)增長并達到設計強度。

2 　防凍劑組分的作用機理

　　防凍劑是外加劑的一種,由減水組分、引氣組分、防凍組分,有時還摻有早強組分等組成。

2. 1 減水組分

　　減水組分的主要功能是減水。減水劑對冬季混凝土的作用有三:一是,減少水就意味著提高強度,就是提高混凝土的抗凍能力;二是,在鹽分一定的情況下減少用水量,提高混凝土中自由水中鹽的濃度,而其孔隙的細化作用又更進一步降低液相冰點,有利于水化反應進行,提高早期強度;三是,降低水結冰對混凝土形成的凍脹力,每立方米混凝土降低約20～50L 的水, 混凝土密實度提高,較大降低了自由水對混凝土形成的凍害,且細化了毛細孔隙,對降低液相冰點仍有促進作用。

2. 2 引氣組分

　　在混凝土拌合物中,增加微小封密氣泡的方法,使氣泡像滾珠一樣,降低其粘性,減少混凝土與管壁之間的摩阻力,增加施工階段的潤滑性,同時又改善了混凝土硬化后內(nèi)部的孔結構,能減緩冰晶的凍脹力,從而減少對混凝土內(nèi)部結構的損傷,并能大幅度提高硬化混凝土的抗凍能力。

2. 3 防凍組分

　　防凍組分是指一種使混凝土拌和物在負溫環(huán)境下不受凍害的化學物質。有許多無機鹽和若干有機物都有防凍功能,其作用方式可以分成三類:一類是與水有很低的共熔溫度. 具有能降低水的冰點而使混凝土在負溫下仍在進行水化作用,如亞硝酸鈉、氯化鈉?？墒且坏┯昧坎蛔慊驓鉁靥?仍然會造成凍害。另一類是既能降低水的冰點,也能使含該類物質的冰的晶格構造嚴重變形,因而無法形成凍脹應力而破壞水化礦物構造使混凝土強度受損,如尿素、甲醇。用量不足時,在負溫下強度停止增長,但轉正溫后對最終強度無影響;第三類是,雖然水溶液有很低的共熔溫度,但不能使混凝土中水的冰點明顯降低. 它的作用在于直接與水泥發(fā)生水化反應而加速混凝土凝結硬化. 有利于混凝土強度發(fā)展,如氯化鈣、碳酸鉀。

2. 4 早強組分

　　微量的催化早強組份雖然不參與水泥的水化反應,但能起到催化作用,能加速水泥中的礦物水化形成鈣釩石的過程,從而使混凝土在較短時間內(nèi)形成強度骨架,盡快達到抗凍臨界強度,增強混凝土抵御凍害的能力,更重要的是,早期的水化反應速度的加快,可使混凝土內(nèi)大部分自由水變成不結冰的化合水,從而減少混凝土的凍害。

2. 5 其它組分

　　對于粉劑外加劑, 還可在混凝土拌和物中添加粘聚礦物質粉。由于礦物細粉和超細粉類混合材與防凍劑復合后,既能在養(yǎng)護初期使混凝土有一定的防凍能力,又能大量減少混凝土內(nèi)部孔隙數(shù)量和細化孔徑,又使結構內(nèi)水的冰點降低,充分發(fā)展超細粉的“形貌效應”、“活性效應”、“界面效應”、“填充效應”;既能提高施工階段的粘聚性,又能改善混凝土內(nèi)部結構降低冰點。

3 　混凝土工程中可采用防凍劑的種類

　　1) 強電解質無機鹽類:

　　a) 氯鹽類:以氯鹽為防凍組分的外加劑;

　　b) 氯鹽阻銹類:以氯鹽與阻銹組為防凍組分的外加劑;

　　c) 無氯鹽類:以亞硝酸鹽、硝酸鹽等無機鹽為防凍組分的外加劑。

　　2) 水溶性有機化合物類:以某些醇類等有機化合物為防凍組分的外加劑。

　　3) 有機化合物與無機鹽復合類。

　　4) 復合型防凍劑:以防凍組分復合早強、引氣、減水等組分的外加劑。

4 　防凍劑適用范圍

　　1) 含有氯鹽配制的防凍劑嚴禁用于下列結構中:

　　a. 預應力混凝土結構;

　　b. 相對濕度大于80 %環(huán)境中使用的結構、處于水位變化部位的結構、露天結構及經(jīng)常受水淋、受水流沖刷的結構;

　　c. 大體積混凝土;

　　d. 直接接觸酸、堿或其他侵蝕性介質的結構;

　　e. 經(jīng)常處于溫度為60 ℃以上的結構,需經(jīng)蒸養(yǎng)的鋼筋混凝土預制構件;

　　f . 有裝飾要求的混凝土,特別是要求色彩一致的或是表面有金屬裝飾的混凝土;

　　g. 薄壁混凝土結構,中級和重級工作制吊車的梁、屋架、落錘及鍛錘混凝土基礎等結構;

　　h. 使用冷拉鋼筋或冷拔低碳鋼絲的結構;

　　j. 骨料具有堿活性的混凝土結構。

　　2) 含有強電解質無機鹽類的防凍劑嚴禁用于下列結構中:

　　a. 與鍍鋅鋼材或鋁鐵相接觸部位的結構,以及有外露鋼筋預埋鐵件而無防護措施的結構;

　　b. 使用直流電源的結構以及距高壓直流電源100m 以內(nèi)的結構。

　　3) 含亞硝酸鹽 碳酸鹽的防凍劑嚴禁用于預應力混凝土結構。

　　4) 含有六價鉻鹽、亞硝酸鹽等有害成分的防凍劑,嚴禁用于飲水工程及與食品相接觸的工程,嚴禁食用。

　　5) 含有硝銨、尿素等產(chǎn)生刺激性氣味的防凍劑,嚴禁用于辦公、居住等建筑工程;

　　6) 強電解質無機鹽防凍劑用于骨料具有堿活性的混凝土結構時,防凍劑帶入的堿含量(以當量氧化鈉計) 不宜超過1kg/ m3 混凝土,混凝土總堿含量尚應符合有關標準的規(guī)定;

　　7) 有機化合物類防凍劑可用于素混凝土、鋼筋混凝土及預應力混凝土工程;

　　8) 有機化合物與無機鹽復合防凍劑及復合型防凍劑可用于素混凝土、鋼筋混凝土及預應力混凝上工程,并應符合以上1～7 條的規(guī)定;

　　9) 對水工、橋梁及有特殊抗凍融性要求的混凝土工程,應通過試驗確定防凍劑品種及摻量。

參考文獻:

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