混凝土防凍劑的原理

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)。混凝土冬季施工的關(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(shuō)來(lái)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(wú)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(kāi)始結(jié)冰，冰體內(nèi)無(wú)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(guò)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(jiàn)，防凍成分的作用是在連續(xù)降溫過(guò)程中保持混凝土體內(nèi)始終有一定的液相水存在（過(guò)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(jiàn)：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(guò)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(shuō)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(shuō)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(lái)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(shuō)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(lái)增長(zhǎng)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(guó)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(méi)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(zhǎng)一些，盡量延長(zhǎng)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(zhǎng)，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(guò)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(guò)良好的攪拌、振搗來(lái)實(shí)現(xiàn)，攪拌延長(zhǎng)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(wèn)題，過(guò)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(zhǎng)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(lái)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(shuō)明書(shū)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(wèn)題。防凍劑的多數(shù)組份都有最優(yōu)摻量問(wèn)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(wèn)題，而是更多。不僅防凍劑，其他外加劑亦是如此。