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防凍劑作用的分析

根據(jù)《建筑工程冬季施工規(guī)程》(JGJ104 -2011) 的規(guī)定,室外日平均氣溫連續(xù)5 天穩(wěn)定低于5 ℃即進(jìn)入冬季施工，當(dāng)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；我省由于區(qū)域條件所致，一年大概有三分之一時間處于冬季，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(dāng)，使混凝土遭受凍害，將會給工程質(zhì)量造成事故。研究和認(rèn)識混凝土凍害的機(jī)理和規(guī)律，正確了解、使用防凍劑，對保證工程質(zhì)量,實現(xiàn)全年均衡施工具有十分重要的意義。

一、混凝土凍害機(jī)理及分析

混凝土拌和物澆灌后之所以能逐漸凝結(jié)硬化，直至獲得最終強(qiáng)度，是由于水泥水化作用的結(jié)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(guān)外，還與外界溫度密切相關(guān)。當(dāng)溫度升高時水化作用加快，強(qiáng)度增長加快；而當(dāng)溫度降低到0℃及以下時，存在于混凝土中的水有一部分開始結(jié)冰，逐漸由液相(水) 變?yōu)楣滔?span style="font-family:"">(冰) ，這時參與水泥水化作用的水減少了，水化作用減慢，強(qiáng)度增長相應(yīng)變慢；溫度繼續(xù)降低，當(dāng)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(qiáng)度不會再增長；由于水變成冰后體積約增大9 % ，致水隙增大，同時產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，這個應(yīng)力往往大于混凝土的內(nèi)部形成的初始抗拉強(qiáng)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(dāng)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(jié)力；當(dāng)冰凌融化后,還會在混凝土內(nèi)部形成較受凍前各種增大的空隙，而降低混凝土的耐久性。

國內(nèi)外許多學(xué)者對冬季施工的混凝土進(jìn)行了大量的試驗，結(jié)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(dá)到一個最小臨界強(qiáng)度(我國規(guī)定為不低于設(shè)計強(qiáng)度的30 %且不低于3.5MPa) ，可以使混凝土不遭受凍害，最終強(qiáng)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(yīng)，達(dá)到混凝土的最小臨界強(qiáng)度及減少混凝土中自由水的含量是防止混凝土凍害的關(guān)鍵；在實際的工程中，根據(jù)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(diǎn)，細(xì)化冰晶形態(tài)，使混凝土在負(fù)溫下保持一定數(shù)量的液相水,使水泥緩慢水化,改善了混凝土的亞微觀結(jié)構(gòu)，從而使凝土達(dá)到一個抗凍的臨界強(qiáng)度，待來年溫度升高時強(qiáng)度持續(xù)增長并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度。

二、防凍劑組分的作用機(jī)理

防凍劑是混凝土外加劑的一種，由減水組分、引氣組分、防凍組分和早強(qiáng)組分等組成。

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拌合水就意味著提高強(qiáng)度,就是提高混凝土的抗凍能力；二是在Ca²⁺堿分一定的情況下減少用水量,提高混凝土中自由水中Ca²⁺的濃度，而其孔隙的細(xì)化作用又更進(jìn)一步降低液相冰點(diǎn)，有利于水化反應(yīng)進(jìn)行，提高早期強(qiáng)度；三是每立方米混凝土降低約20～50kg的水，降低水結(jié)冰對混凝土形成的凍脹應(yīng)力， 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(xì)化了毛細(xì)孔隙，對降低液相冰點(diǎn)仍有促進(jìn)作用。

2、引氣組分　　在混凝土拌合物中,增加微小封密氣泡的方法,使氣泡起到滾珠效應(yīng)，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(jié)構(gòu)，能減緩冰晶的凍脹力，從而減少對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，并能大幅度提高硬化混凝土的抗凍能力。

3、 防凍組分　　防凍組分是指一種使混凝土拌和物在負(fù)溫環(huán)境下不受凍害的化學(xué)物質(zhì)。有許多無機(jī)鹽和若干有機(jī)物都有防凍功能,其作用方式可以分成三類：一類是降低液相冰點(diǎn)，與水有很低的共熔溫度，具有能降低水的冰點(diǎn)而使混凝土在負(fù)溫下仍在進(jìn)行水化作用，如亞硝酸鈉、氯化鈉等?？墒且坏┯昧坎蛔慊驓鉁靥?span style="font-family:Arial;">,仍然會造成凍害。另一類是改變冰點(diǎn)結(jié)晶形態(tài)，降低凍脹應(yīng)力，既能降低水溶液的冰點(diǎn)，也能使含該類物質(zhì)的冰的晶格構(gòu)造嚴(yán)重變形，因而無法形成凍脹應(yīng)力而破壞水化礦物構(gòu)造使混凝土強(qiáng)度受損，如尿素、甲醇等。但用量不足時，在負(fù)溫下強(qiáng)度停止增長,但轉(zhuǎn)正溫后對最終強(qiáng)度無影響。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(diǎn)明顯降低，它的作用在于直接與水泥發(fā)生水化反應(yīng)而加速混凝土凝結(jié)硬化，有利于混凝土強(qiáng)度發(fā)展，如氯化鈣、碳酸鉀等?，F(xiàn)在一般防凍組分在復(fù)配時都是三種方式同時作用，起到三保險的作用。

4、 早強(qiáng)組分　　微量的催化早強(qiáng)組份雖然不參與水泥的水化反應(yīng)，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(qiáng)度骨架，盡快達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度，增強(qiáng)混凝土抵御凍害的能力；更重要的是，早期的水化反應(yīng)速度的加快，可使混凝土內(nèi)大部分自由水變成不結(jié)冰的化合水，從而減少混凝土的凍害。

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(zhì)粉。由于礦物細(xì)粉和超細(xì)粉類混合材與防凍劑復(fù)合后,既能在養(yǎng)護(hù)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。

                                                         省專委會秘書處

                                                   2014年11月18日