混凝土防冻剂性能研究

关 颖

（中铁二十二局第一工程有限责任公司，哈尔滨 150006）

我国地域辽阔，冬季持续时间较长，尤其是东北、西北、华北地区，冬季一般持续3～6 个月。随着建筑行业的发展，混凝土冬季施工比较普遍，而漫长的冬期寒冷季节给工程建设带来了许多问题，最主要的就是防止混凝土冻伤，在低温下如果不采取有效的措施，混凝土一旦遭受冻伤就会产生破坏，合理及适当地使用防冻剂是减轻混凝土早期病害和提高混凝土防冻效果切实有效的措施，可保证混凝土的耐久性及强度达到施工要求，对工程质量有很好的作用。

1 防冻剂的防冻原理

混凝土拌合物在混凝土连续浇注后之所以会逐渐凝结和硬化，直至获得最终强度，是混凝土中水泥与水之间进行了水化作用的结果。而混凝土水化过程的快慢，除与混凝土材料本身的内部物质和掺量状况有关以外，也与外部气温的高低相关。混凝土防冻剂是一种能够使混凝土在负温条件下慢慢地硬化，并在规定的预养和养护温度下达到理想强度，在温度逐渐降低至0 ℃以下之后，存在于混凝土中的自由水有一部分开始凝结成冰，并慢慢地由液态（水）变为固态（冰），而此时参与混凝土水化的水分就减少了，因此水化过程变得迟缓，强度提高亦随之缓慢。温度再逐渐降低，这时混凝土的强度已不能再增长了，当温度下降至-15 ℃以下时，参与水化反应的水几乎全部冻结，致使混凝土的水化和硬化过程几乎全部停止，温度较低或0℃以下，尤其-15 ℃以下的温度对混凝土的施工和结构工程十分不利。由于水的固有特性，从液态转化为固态时，其体积会增大，会使混凝土内产生内应力，导致骨料与水泥粒间的相对位移和内部水分向负温表面迁移，使混凝土内部形成了因冰聚体所引起的结构破坏。

为了克服冬季水泥混凝土浇筑的困难，添加混凝土防冻剂无论是从工程经济性还是从施工的可操作性角度考量，都是一种非常好的方式。防冻剂的主要功能就是可以降低拌合料的冰点温度，并且能细化冰晶，让水泥混凝土在0℃以下温度保留些液态水，这些液态水可以使混凝土缓慢水化，从而改变了水泥混凝土的微观构造，防冻剂的关键作用就是可以促进及加速水泥混凝土凝固，并且能够在很短时间内到达抗冻的临界强度值，硬化速度也大大提高，并且可以防止施工构件破裂损坏。抗冻临界强度是指在冬季浇筑时，当砼强度超过了某一限制值之后，由于内部结构的基本初步形成，就具有了抗冻胀破裂的能力，混凝土即使再受冻也不致被冻坏，此时的强度称为砼的抗冻临界强度。

防冻剂的防冻机理与原理一般是各种外加剂效果复合一起共同产生的，但并不是只要添加了防冻剂混凝土就会满足冬季施工要求，一定要考虑到施工中的具体状况，需做相容性试验，所以在建筑工程施工中，要选用符合施工要求的防冻剂才可以改善砼的抗冻性能。

2 防冻剂试验

中铁二十二局第一工程有限责任公司（以下简称“我单位”）地处北方，冬季最低温度能达到-20 ℃左右，2022 年1 月我单位参与国家强制标准的比对试验，共试验了6 组防冻剂，-10 ℃、-15 ℃2 个温度各3组。做了抗压强度比试验、收缩率比试验、氯离子含量试验。下面主要介绍防冻剂抗压强度比试验和收缩率比试验，检测方法依据建材行业标准JC 475—2004《混凝土防冻剂》，掺防冻剂的混凝土性能满足建材行业标准JC 475—2004 中表2 的要求。

2.1 防冻剂抗压强度比试验

1）试验材料的选择、配合比比例确定及搅拌方法等，按照国家标准GB 8076—2008《混凝土外加剂》试验方法的规定进行，混凝土防冻剂试验时的坍落度应控制为70～90 mm。试验中基准配合比试验各材料用量见表1。各外加剂性状及掺量见表2。

表1 基准配合比试验各材料用量

表2 各外加剂性状及掺量

2）试件的成型及养护温度和方法。基准混凝土试块和掺防冻剂的受检混凝土试块须同时制作，由于防冻剂的特殊性能，试验的试块与其他外加剂试块的养护是不同的。混凝土抗压强度试块的制作方法参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》标准进行，混凝土坍落度控制为70～90 mm，坍落度尽量相同，试块成型方法选用振动台振实，一般振动时间为10～15 s，振至表面出浆停止。将掺防冻剂的受检混凝土抗压强度试块在室温17～23 ℃温度下按表3中要求的时间预养后用塑料膜包裹试件放入冰箱（或冷冻室）中，其冷冻温度应于3～4 h 内均匀地降至规定温度，在冰箱内养护满7 d 后（从混凝土材料与水接触时算起）脱模，将试块放置在室温17～23 ℃至冷冻的试件完全解冻，解冻时间不少于表3 要求的解冻时间。在解冻后其中一组试块进行负温7 d 抗压强度试验，其他试块放在标准养护室养护至其他龄期再试验。

表3 -10 ℃、-15 ℃温度混凝土试件的预养与解冻时间

3）抗压强度比的计算。用28 d 受检标养混凝土、不同龄期受检负温混凝土与28 d 基准混凝土的抗压强度之比表示

式中：R28指受检混凝土标养28 d 抗压强度与标养28 d 基准混凝土抗压强度之比，单位为百分数（%）；R-7指受检测的混凝土负温养护7 d 抗压强度与标养28 d基准混凝土抗压强度之比，单位为百分数（%）；R-7+28指受检混凝土在规定温度下养护7d 后再转到标准养护28 d 抗压强度与标养28 d 基准混凝土抗压强度之比，单位为百分数（%）；R-7+56指受检混凝土在规定温度下养护7 d 后再转到标准养护56 d 抗压强度与标养28 d 基准混凝土抗压强度之比，单位为百分数（%）；fCA指受检混凝土标养28 d 抗压强度，单位为兆帕（MPa）；fC指基准混凝土标养28 d 抗压强度，单位为兆帕（MPa）；fAT指不同龄期的受检混凝土抗压强度，单位为兆帕（MPa）。防冻剂需要计算式（1）—（4）4 个龄期的抗压强度比，来判定防冻剂是否满足要求。

4）试验结果见表4。

表4 防冻剂不同龄期抗压强度比（试验数据，仅供参考） （%）

试验过程中，防冻剂在规定温度（-10 ℃/-15 ℃）养护至7 d 龄期后，并按规定温度和时间解冻后，-10 ℃防冻剂拆模后，试块完好，-15 ℃防冻剂拆模时有掉渣和掉角现象。-10 ℃防冻剂负温养护7 d 龄期的抗压强度在14～19 MPa 之间；-15 ℃防冻剂负温养护7 d 龄期的强度很低，强度值在1～3 MPa 之间，压碎的试块松散，粗骨料没有受力，抗压强度比较低，其他龄期的抗压强度比都能满足标准要求。最终负温7 d 转标养56 d的抗压强度比基本能达到标准要求。

5）试验期间还对预养时间进行了验证，其他条件相同，预养时间不同，结果见表5。

表5 不同预养时间的抗压强度值（试验数据，仅供参考）

结果表明，标准中给定的预养时间是最适合的时间。预养时间3 h，负温7 d 强度基本上无增长，预养时间增加1～2 h，负温7 d 抗压强度略高于标准规定的预养时间的抗压强度值，预养时间短，主要影响的是拆模强度，对后期强度增长也会有影响。所以预养时间一定要达到标准要求的时间。

6）注意事项：①温度原因，试验所有材料应在试验室中放置24 h 以上，包括水泥、掺和料、砂石、外加剂和拌合用水，砂石均为干燥状态，试验时测量各材料温度。混凝土装模后的养护，在17～23 ℃环境温度预养后移入冰箱或冰室，应注意地面温度，地面温度较环境温度低，对外加剂的1 d 强度影响很大，可以在地面铺聚苯板等，减小地面温度跟室温的差异，强度增长效果更好。冷冻时，我单位用的是精准控温冰箱，跟专门做防冻剂研究的老师也探讨过，负温养护条件环境要求，要求高功率冰箱或冰室，有条件的可以测下试件中心温度，一般试件的中心温度12 h 左右能达到要求。试模的材质也影响降温时间，铁试模和塑料试模降温时间不一样，冷冻时塑料膜包裹层数也有影响，包裹一层效果较好，包裹多层影响降温时间。②其他因素，达到要求坍落度时基准混凝土用水量波动范围宽，外加剂含气量大小对混凝土强度有影响，含气量大于7 以上，不建议进行强度、收缩、耐久性试验，合格率低，粗骨料的质量对强度影响很大。解冻时间一般2～3 h 能达到要求，做负温7 d 抗压强度时，注意试件是否完全解冻，若按规定时间无法完全解冻的，7 d 强度可延缓试验，记录延缓时间。③试验过程中还应特别注意，混凝土搅拌前的准备工作应做好，此次试验用的是100 mm×100 mm×100 mm 的塑料试模，要将试模的内部清理干净，并在其内部涂上一层矿物油脂或其他不和混凝土发生化学反应的脱模剂，一定涂抹均匀，过多影响强度，过少不易脱模，因为防冻剂混凝土试块负温养护后脱模时强度低，拆模时要特别的注意，有掉渣和掉角现象可能与试模内部涂的矿物油脂有关。试验时采用振动台成型，将混凝土拌合物一次性装入试模，振捣10 s左右，至表面出浆为止，避免振捣时间过长，出现水泥浆与骨料分离现象。成型后的养护很重要，因为掺防冻剂的混凝土试块预养时间只有4～5 h，必须用不透水的薄膜盖在表面，防止水分蒸发，水分的蒸发影响着混凝土内部水化作用，会影响试件的早期强度和后期强度。基准混凝土试块应在温度为17～23 ℃的环境中放置24 h，然后编号并在表面写上“JZ+数字+成型日期”，然后拆模，拆模的时候需要轻拿轻放，而防冻剂试块预养至规定时间后，带试模和薄膜移入冰箱冷冻，负温养护7 d 后拆模。抗压性能试验前，要检测试件表面，以确定受力表面上有无蜂窝、泡沫和松散层，在加压时也要注意根据垂直变形方向进行均匀的分级加压，因为不知道强度范围，所以加荷速度选最小速率，不然将影响测量的实际准确性，28 d 及以上龄期试块在做抗压强度试验时，可以参考前期强度预估下强度，选择适合的加荷速率。

2.2 防冻剂收缩率比试验

1）收缩率试验材料的选用、配合比比例确定及搅拌方法，试块的成型同抗压强度比试验一样。养护及测量时间：不掺防冻剂的基准混凝土收缩试块拆模后在标养室养护3 d（从混凝土材料与水接触时算起），然后从标准养护室拿出移到恒温恒湿室内3～4 h 后，第一次测量其长度，记为初始长度，再养护28 d 后用同样的方法测量其长度，记为28 d 长度。掺防冻剂的受检混凝土收缩试块预养及负温养护方法同上面抗压强度比试验，负温养护7 d 后（从混凝土材料与水接触时算起）脱模，放置在17～23 ℃环境温度下解冻，解冻时间不少于表3 的规定。解冻后先标养3 d，再从标养室拿出移入恒温恒湿室内3～4 h 测量其初始长度，再经养护28 d 后测量其28 d 长度。

2）每组以3 个试块测量值的算术平均值作为该组混凝土的收缩率，收缩率比为掺防冻剂的受检负温混凝土的收缩率与基准混凝土的收缩率的比值，精确至1%。

3）总结：混凝土收缩率试验，在拆模过程中试件两端测头有部分掉落，测试过程中试件两端测头有部分松动，测头掉落的地方留下孔洞较大，侧头重新插入不牢固，测头掉落和松动情况的试件，测量结果出现负值或异常值，应舍去，影响结果评定，需重新试验，这样就会使试验周期延长。所以试验时一定要特别注意，严格按照标准规范规定操作。

4）注意事项：试验过程中试件两端侧头掉落和松动原因可能是在混凝土振实过程中金属测头移位，或者试模刷油过多，金属测头粘上油脂，成型后金属测头粘结不牢或松动，甚至脱落，所以试验中要特别注意。按照标准要求测定某一混凝土收缩率时，试件应在3 d龄期（从混凝土材料与水接触时算起）从标准养护室取出然后立即移入恒温恒湿室使它们具有同样的温度标准测定其初始长度，测量时宜记下试件的初始干湿状态，之后至少要按括号中规定的时间间隔测量其变形读数（1、3、7、14、28、45、56 d）。测量前必须用标准杆校正仪表的零点，并在测定过程中再次复核零点1 次，在全部试件测量读完数后，应再次复核零点。如复核时发现零点与初次测值的偏差超过±0.01 mm，则需要调零后重新测定；另外试件每次在收缩仪上的放置位置、方向均应保持一致，为此，在仪器和试件上应标明相应的记号，并且保证试件在放置及取出时应轻拿轻放，一定不能碰撞表架及表杆，如果不小心碰撞则在取下试件后，重新用标准杆对零点进行复核。

3 防冻剂的应用

掺防冻剂的混凝士在施工完毕之后，在气温低的天气，要进行覆盖保温措施，来减缓水化过程中产生的热量散失速度，保证混凝土结构的内部温度，从而保证混凝土结构正常水化。另外，通过对建筑物进行保温措施，保证预养时间要达到标准要求，保证混凝土的强度能够正常增长，在温度下降到所能承受的低温前达到临界抗冻强度。常见的保温方法有：搭设一次性固定暖棚的混凝土保温养护措施，还可以采用保温层板对建筑结构模板进行保温，混凝土外露表面，特别在新老混凝土接合处、边角及棱角突出部分处做好保温。

GB 50119—2013《混凝土外加剂应用技术规范》标准中规定：对于防冻剂的品种、掺量选择应该按混凝土浇筑后5 日内的预计日最低气温选用。如果日最低气温为-5～-10 ℃应选用规定温度为-5 ℃的防冻剂，如果日最低气温为-10～-15 ℃应选用规定温度为-10 ℃的防冻剂，如果日最低气温在-15～-20 ℃之间，应该选用规定温度为-15 ℃的防冻剂。根据需要选择合适的种类，施工中最常用的外加剂为减水剂或泵送剂，有含气量要求时会掺入引气剂，有膨胀要求时会掺入膨胀剂等，当防冻剂与其他外加剂同时使用时，必须要结合工程条件、施工环境等因素，应经试验后确定是否满足设计和施工要求后，再使用。选择防冻剂的使用温度应该与抗冻临界强度值结合起来应用，在温度达到防冻剂的应用温度之前，应该保证混凝土强度能够达到抗冻临界强度，从而可以提升使用效果，使混凝土结构避免出现损坏。当防冻剂是液体时，贮存和输送液体防冻剂的设备应采取保温措施。还要求掺加防冻剂的混凝土拌合物的入模温度不应低于5 ℃。掺防冻剂混凝土的其他有关生产、运输、施工及养护的要求，应符合现行行业标准JGT 104—2011《建筑工程冬期施工规程》的有关规定。

在北方寒冷地区、工期比较紧的工程，为保证混凝土施工质量和施工进度，防冻剂已被广泛应用到混凝土冬期施工中。