防冻剂在混凝土冬季施工中的应用分析

2016-01-28罗小怡

大科技 2016年10期

关键词：防冻剂冰晶水化

罗小怡

（西安市地下铁道有限责任公司陕西西安 710016）

防冻剂在混凝土冬季施工中的应用分析

罗小怡

（西安市地下铁道有限责任公司陕西西安 710016）

根据《建筑工程冬季施工规程》的规定，室外日平均气温连续5d稳定低于5℃即进入冬季施工。本文主要分析了冬季施工中混凝土早期冻害产生的原因，介绍了防冻剂的种类和作用机理，并简要的阐述了防冻剂在使用过程中的注意事项，为混凝土工程在冬季低温条件下的施工过程提供了参考。

防冻剂；混凝土；冬季施工；应用

混凝土是工程建设领域使用最为广泛的建筑材料，无论是铁路、公路还是水利、房建工程，它都处于极其重要的地位。我国幅员辽阔，气候类型多样，在北方地区冬季的施工过程中，混凝土容易受到早期冻害的影响，降低了工程的质量，而合理的使用防冻剂可以明显减少此类现象的发生，为工程的安全质量提供了保障。

1 冬季施工对混凝土强度和耐久性造成的影响

低温对混凝土的影响主要体现在混凝土浇筑的早期，过低的环境温度使新浇混凝土内部的水分冻结，阻碍了拌和物的水化作用，影响了混凝土强度的发展，同时改变了混凝土内部的结构，大大降低了混凝土的耐久度和寿命，此现象被称为混凝土的早期病害。

新浇筑的混凝土内部含有一定量的水分，其中一部分吸附在组成混凝土的材料颗粒表面以及毛细管中，能够使水泥颗粒进行水化作用，称为水化水，其余的部分则存在于组成混凝土的材料颗粒空隙之间，不与水泥发生反应的游离水。混凝土的强度在很大程度上取决于水泥水化作用进行的程度和混凝土内部游离水的蒸发，而水泥水化程度又与温度有着直接的关系。当气温降低时，混凝土内部水泥的水化作用减慢，混凝土强度的增长速度也相应降低，一旦气温达到冰点以下，混凝土中的水分就会结冰，水泥的水化作用基本停止，混凝土的强度就会停止增长。同时在强度尚未达到施工要求的混凝土内部发生膨胀，形成冰晶，产生很大的冻胀应力，造成混凝土孔隙率提高，孔隙体积增大，甚至在混凝土内部产生细微的裂缝，降低了混凝土的强度和耐久度。而冰晶形成的过程中通常还伴随有水分的转移，冰晶周围的水会向着冰晶移动，令冰晶的体积不断扩大，导致混凝土受损进一步加剧。

新浇筑的混凝土的骨料周围通常都包裹着一层水分，过低的温度令水分冻结，在骨料与混凝土之间产生一层冰膜，降低了骨料与水泥之间的粘合力，这种现象一旦产生便很难恢复，从而令混凝土的强度受到永久性的损伤。同时，由于混凝土内部各成分之间的膨胀系数各不相同，造成混凝土各部分之间发生位移，使混凝土的结构产生裂纹，降低了混凝土的强度。

2 防冻剂的成分及作用原理

为了防止混凝土早期病害的发生，在冬季施工中，经常会在混凝土内加入防冻剂，防冻剂能使混凝土在负温下硬化，并在规定的时间内达到预期的强度，其实质就是降低了混凝土内部水分的冰点，使混凝土内部水分在低温状态下依旧保持、或部分保持液态，保证了混凝土强度的发展，从而减轻低温给混凝土带来的损害。防冻剂中含有多种组分，主要组分为防冻组分，其它还有早强组分、减水组分、引气组分等，在各组分的共同作用下，混凝土不仅在负温条件下能够硬化，而且最终能够达到与常温养护的混凝土相同的质量水平。

2.1 防冻组分

防冻组分是复合型防冻剂的主要成分，其主要作用是令混凝土在低温状态下，内部依旧保有一定比例的液态水，让水泥的水化作用得以继续进行，促使混凝土强度健康发展，保证其在低温下免遭冻害。其作用原理可分为三类：①组分与水有着很低的共溶温度，与水混合后可明显降低水的冰点，保证混凝土内部的水泥在低温下仍能发生水化作用，维持混凝土强度的增长速度，代表成分主要有氯化钠、亚硝酸钠等。②防冻组分不仅能够减低水分的冰点，同时还可以改变水分结成冰晶后的晶格状态，令其无法产生冻胀应力，防止了冰晶对混凝土结构造成的损害，代表成分主要包括甲醇、尿素等。③防冻组分在作用机理上与前两者存在明显的不同，它无法明显降低水分的冰点，但却能够直接与水泥发生水化作用，明显提高了混凝土强度增加的速度，此类防冻组分的代表成分主要有碳酸钾、氯化钙等。

2.2 早强组分

防冻剂中的早强组分虽不直接参与混凝土内部的化学反应，但却在反应中起到了催化剂的作用，可以加快水泥的水化速度，缩短混凝土达到抗冻临界强度的时间，在短期内迅速提升混凝土的抗冻能力。并且通过水化反应，混凝土内部的大部分游离水发生反应成为不会冻结的结合水，进一步减轻了混凝土的冻害。

2.3 减水组分

减水组分能够减少单位体积混凝土拌和过程中水的用量，起到增强混凝土密实度、减少混凝土内部游离水的含量的作用，同时减水剂还能够对水泥起到分散作用，将其细化为更小、更分散的颗粒，起到了改善混凝土内部孔隙结构的作用，进一步分散了混凝土中的水分，提高了水分中防冻剂的浓度，降低了可能产生的冰晶粒度，减轻了水分冻结时对混凝土产生的破坏作用。

2.4 引气组分

混凝土属于多孔性材料，其内部或多或少的存在有一定的孔隙，如果能够合理的利用孔隙的作用，就可以明显减轻低温对混凝土产生的损害作用。如在混凝土拌合的过程中加入引气剂，便能够在混凝土内部增加大量微小的密封性气泡，气泡可以增加混凝土的润滑性，并改善混凝土的内部结构，缓解水分在冻结为冰晶过程中产生的冻胀应力，从而达到提高混凝土抗冻能力的目的。

3 防冻剂的种类

目前常见的防冻剂根据其所含防冻组分的成分，可大体分为三种：氯盐类防冻剂、氯盐阻锈类防冻剂以及无氯盐类防冻剂。

氯盐类防冻剂的主要成分为氯化钠和氯化钙，并加入了一定比例的早强组分、减水组分和引气组分，属于复合型防冻剂，可以对混凝土起到很好的早强、减水及降低混凝土内部水分冰点的作用，但其成分会加速混凝土中钢筋的锈蚀速度。而钢筋锈蚀后体积会增大，使混凝土产生裂缝，裂缝的产生又进一步促进钢筋的锈蚀，长此以往形成恶性循环，会严重的降低混凝土的强度和耐久度。因此氯盐类防冻剂只适用于无钢筋的混凝土工程。

氯盐阻锈类防冻剂在氯盐类防冻剂的基础上，添加了具有阻锈功能的成分，有效的弥补了氯盐类防冻剂促进钢筋锈蚀的缺点，增加了自身的适用范围，可广泛的应用于钢筋混凝土工程中。

无氯盐类防冻剂是以硝酸盐、亚硝酸盐、碳酸盐和尿素为主要成分的复合型防冻剂。此类防冻剂对钢筋不产生锈蚀作用，但其成分中的硝酸盐与亚硝酸盐会对混凝土造成应力腐蚀，因此不能用在预应力混凝土工程当中。而使用尿素生产的防冻剂，由于碱性过高，致使混凝土内部氨不断释放到环境当中，对环境产生了污染，现在已经很少使用。

4 防冻剂在工程中的应用

以西安地区的建设工程为例，根据相关气温资料统计，西安每年的12月份到次年的2月份为寒冬季节，其中1月份最冷，月平均最低气温在-4℃左右，极端最低气温为-16～-20℃，所以每年的12月份西安地区基本进入了冬季施工阶段。

在防冻剂的选择上，氯盐类防冻剂因为含有氯离子，会对钢筋混凝土中钢筋产生锈蚀作用，所以只能用于无钢筋的素混凝土工程中，钢筋混凝土工程一般掺加氯盐阻锈类防冻剂或无氯盐类防冻剂。防冻剂的掺量应根据不同的温度变化进行调整，西安地区一般最低气温都在-5℃以内，相对于北方其它地区来说，温度变化幅度不是很大，因此防冻剂的掺量3%就能满足防冻要求，当然具体的产品要以检验报告为依据。我们曾经做过这样的模拟试验，把两组掺加防冻剂和不掺防冻剂的混凝土试件放进-5℃的冷冻箱中养护7d，不掺防冻剂的混凝土试件强度增长几乎为零（说明已经受冻），而掺加防冻剂的混凝土试件强度达到了设计强度的30%，已经远远超出了混凝土受冻的临界强度。

在冬季混凝土施工过程中，宜优先选用流动性好、早期水化热高的普通硅酸盐水泥，严禁使用高铝水泥，骨料内不得含有冰雪等冰冻物，冻砂块必须打碎过筛后使用，严格控制水灰比，掺防冻剂的混凝土搅拌时间要比普通混凝土延长50%，混凝土的运输车必须辅助一定的保温措施，混凝土的入模温度不得低于5℃，混凝土浇筑成型后立即用塑料和草袋覆盖养护，加强新浇混凝土的保温、保湿工作，严禁洒水养护。

在使用防冻剂之前，需要确认防冻剂的产品质量报告以及产品合格证，并且对防冻剂的质量进行检测，保证所选防冻剂为质量合格产品。