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混凝土防凍劑的原理
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1抗凍臨界強(qiáng)度
1.1在冬季施工時(shí),當(dāng)混凝土強(qiáng)度達(dá)到某一界限值時(shí),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(huì)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(gè)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(duì)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(duì)樓板產(chǎn)生較大的振動(dòng)。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(jí)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(shí)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(shí),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(shí)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(gè)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(gè)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(cuò)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(shí)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(jì)難度越大,不確定因素也增加,從這個(gè)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(shí)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(shí)對(duì)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(shí)間長一些,盡量延長水泥正溫水化時(shí)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(shí)間越長,越有時(shí)間達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度。為達(dá)到這個(gè)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(jì)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30min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(gè)最佳攪拌時(shí)間和最佳振搗時(shí)間問題,過度會(huì)使其中的引氣量減小,不足又會(huì)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(huì)對(duì)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(shí)間,盡快達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度。
3.4熱工計(jì)算
熱工計(jì)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(jì)算。要點(diǎn)是:
1)根據(jù)原材料和環(huán)境溫度計(jì)算混凝土的入模溫度,T;
2)計(jì)算混凝土由此溫度降至防凍劑規(guī)定溫度所需的時(shí)間,h;
3)根據(jù)成熟度公式計(jì)算在上述養(yǎng)護(hù)時(shí)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(shí)留置同條件試塊,在環(huán)境溫度降至防凍劑使用溫度的前1d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(shí)根據(jù)實(shí)際溫度上下調(diào)整,這種做法是冒險(xiǎn)的。一般地,比較正規(guī)的防凍劑產(chǎn)品在配方設(shè)計(jì)時(shí)摻量與使用溫度都是一一對(duì)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(duì)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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