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天渐冷,是时候讨论一下防冻混凝土与抗冻混凝土了!
2018-10-15 15:01:00

在建筑行业中,有些施工人员往往把冬期施工的混凝土与结构设计有抗冻等级要求的混凝土都称为“抗冻混凝土”。


笔者认为,冬期施工的混凝土,主要是采取技术措施预防混凝土浇筑后,在未达到受冻临界强度以前不发生冻胀破坏就达到了技术要求,应称为防冻混凝土。而结构设计有抗冻等级要求,混凝土自身应具有长期抵抗冻融循环能力的,才应称为抗冻混凝土


在相关标准规范中,查不到防冻混凝土的术语,仅能查到“掺防冻剂的混凝土”或“冬期施工的混凝土”等词语;抗冻混凝土在规范中的术语是:抗冻等级等于或大于F50级的混凝土。


实际上这两种混凝土技术要求完全不同,但标准规范没有给出“防冻混凝土”的定义,或有些施工人员对标准规范学习不够,因此容易引起一些施工人员对这两种混凝土产生误解或混淆。譬如:误认为“抗冻混凝土就是掺防冻剂的混凝土”、或“大热天为什么要浇筑抗冻混凝土?”等。这些误解可能造成对抗冻混凝土的生产、浇筑和养护等环节的重视不够而影响到工程质量。




一、防冻混凝土


防冻混凝土的技术要求是:在冬期施工过程中,采取可靠的技术措施,使混凝土浇筑后尽早凝结硬化,并在未达到受冻临界强度以前不得发生冻胀破坏。


当气温在0~4℃时,水的活性较低,水泥的水化反应极其缓慢,混凝土的强度发展不能达到要求。当温度低于0℃时,混凝土内部水分大部分冻结。水结成冰后产生9%的体积膨胀,混凝土结构将遭致永久性破坏;另外,水结成冰后,混凝土中没有足够的液态水参与水泥的水化反应,混凝土的强度增长极慢甚至停止。


因此,冬期施工浇筑的混凝土宜掺入早强剂或防冻剂,并应在混凝土凝结硬化初期,采取适当的保温或增温措施,充分利用混凝土自身热量或外部热量(如电热法、暖棚法等),确保混凝土浇筑后的起始养护温度:严寒地区不低于10℃;寒冷地区不低于5℃,使混凝土强度具备正常增长的条件,尽快的获得受冻临界强度。


(1)冬期施工采取的技术措施


冬期施工是混凝土工程质量事故的多发季节,这是由于准备工作时间短,技术要求复杂,某一环节跟不上或仓促施工造成的。因此,应根据当地多年气象资料统计,提前做好周密计划和冬施准备工作,避免发生工程质量事故。冬期施工采取的技术措施主要有:


①材料预热法:即先将水及砂、石预先加热,再用于搅拌混凝土;


②蓄热保温法:即采用保温材料覆盖浇筑后的混凝土,使混凝土浇筑后在一定时间内保持不降温或缓慢降温;


③暖棚法:即在施工现场搭建保温加热暖棚,使混凝土浇筑后在暖棚内正温环境条件下养护,有条件时最好搅拌、浇筑也在暖棚内进行;


④掺入早强剂或防冻剂。


此外,冬期施工的混凝土宜适当提高水泥用量,或采用早强水泥,以及采用高性能减水剂或高效减水剂,尽量减少用水量等技术措施。


采取以上技术措施的目的,是为了控制和提高混凝土的出机温度和入模后温度,确保混凝土浇筑后强度具备正常增长的条件,在未达到受冻临界强度以前不发生冻害。


(2)关于早强剂和防冻剂


当今世界混凝土破坏原因按重要性排列的顺序是:钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理化学作用。因此,掺用早强剂或防冻剂的混凝土应注意要限制氯盐含量,氯盐是诱发钢筋锈蚀的一个很重要因素,预应力混凝土和钢筋混凝土应严格按有关标准规范规定控制混凝土中的最大氯离子含量,避免发生工程质量事故,造成巨大浪费,国内外许多工程已为此付出了惨重代价。


①混凝土早强剂与组分


能加速混凝土早期强度发展的外加剂称为早强剂。在实际使用中,大多为复配早强剂,无机盐类对混凝土后期强度不利;氯盐早强剂会引起钢筋锈蚀;硫酸盐早强剂可能产生体积膨胀,使混凝土耐久性降低;钠盐早强剂将增加混凝土中碱含量,与活性二氧化硅骨料产生碱—骨料反应。早强剂过量加入,虽然混凝土早期效果好,但后期强度损失大,盐析加剧影响混凝土饰面;增加混凝土导电性能及增大混凝土收缩开裂的危险。混凝土早强剂的主要组分有:氯化钠、氯化钙、硫酸钠、硫酸钙、硫酸铝、重铬酸钾、三乙醇胺、三异丙醇胺、甲醇、乙醇、甲酸钙、草酸锂、乙酸钠等。


②混凝土防冻剂与组分


能使混凝土在负温下硬化,并在规定养护条件下达到预期性能的外加剂称为防冻剂。防冻剂绝大多数是复合外加剂,应控制早强组分和防冻组分无机盐类的掺入量,否则使用不当会引起混凝土后期强度倒缩、钢筋锈蚀及碱—骨料反应发生。


混凝土防冻剂的主要组分有:防冻组分(如亚硝酸钠、氯化钠、甲醇、尿素、氯化钙、碳酸钾等)、引气组分(如松香皂、松香热聚物、烷基磺酸钠等)、早强组分(如硫酸钠、氯化钙、硝酸钙、三乙醇胺等)、减水组分(如萘系、三聚氰胺、氨基磺酸等)。


(3)关于早强剂和防冻剂的选用


我国现行标准《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119)第7.3.1条规定:


①在日最低气温为0~-5℃,混凝土采用塑料薄膜和保温材料覆盖养护时,可采用早强剂或早强减水剂;


②在日最低气温为-5~-10℃、-10~-15℃、-15~-20℃,采用上款保温措施时,宜分别采用规定温度为-5℃、-10℃、-15℃的防冻剂。


(4)关于冬期施工与受冻临界强度


临界强度是冬期浇筑的混凝土在受冻以前必须达到的最低强度。


我国行业标准《建筑工程冬期施工规程》JGJ104规定:根据当地多年气象资料统计,当室外日平均气温连续5d稳定低于5℃即进入冬期施工;当室外日平均气温连续5d高于5℃时解除冬期施工。该《规程》规定冬期浇筑的混凝土受冻临界强度为:


①普通混凝土采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制时,应为设计的混凝土强度标准值的30%;采用矿渣硅酸盐水泥配制时,应为设计的混凝土强度标准值的40%;但混凝土强度等级为C10及以下时不得小于5.0MPa。


②掺用防冻剂的混凝土,当室外最低气温不低于-15℃时不得小于4.0MPa;当室外最低气温不低于-30℃时不得小于5.0MPa。


混凝土中掺入合格的防冻剂后,能降低水的冰点,并改变了冰晶结构,使混凝土在负温条件下不会发生冻胀破坏,且仍有足够的液态水使水泥的水化作用得以继续进行;转入正温后,混凝土强度能进一步增长,达到或超过设计强度要求。因此,《规程》规定掺用防冻剂的混凝土受冻临界强度明显比不掺的低。


抗冻混凝土


抗冻混凝土是指结构设计要求混凝土具有长期抵抗冻融循环的耐久性能,即满足结构设计规定的抗冻级别。


当抗冻混凝土在冬期环境下浇筑时,还必须采取冬期施工的技术措施。抗冻混凝土无论在什么季节施工,都必须掺引气剂来达到结构设计的抗冻级别要求,提高混凝土含气量(4%~6%)是提高混凝土抗冻性能最有效的技术措施。应用抗冻混凝土的工程主要有:水工、港口、桥梁及公路等。


(1)抗冻等级和抗冻标号


根据GB/T50082-2009标准,混凝土抗冻性能按试验方法不同,分抗冻等级和抗冻标号。抗冻等级用符号F表示,而抗冻标号是用符号D表示,两种方法均采用龄期28d的试件在吸水饱和后,检测其承受反复冻融循环下的性能变化。


抗冻等级是以试件相对动弹性模量下降至不低于60%或者质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定;抗冻标号是以抗压强度损失率不超过25%或者质量损失率不超过5%时的最大冻融循环次数来确定。


常用的混凝土抗冻等级有:F50、F100、F150、F200、F250、F300等,分别表示混凝土能够承受反复冻融循环次数为50、100、150、200、250和300次。


(2)影响混凝土抗冻性的因素


影响混凝土抗冻性的主要因素是平均气泡间距、水胶比、含气量、骨料和胶凝材料等。


①平均气泡间距


平均气泡间距是影响混凝土抗冻性最主要的因素,平均气泡间距越大,则冻融过程中毛细孔中的静水压力和渗透压力越大,混凝土的抗冻性越低;一般平均气泡间隔系数在500μm以下可获得高抗冻混凝土。


②水胶比


水胶比越大,混凝土中可冻水的含量越多,混凝土的结冰速度越快;气泡结构越差,平均气泡间距越大;混凝土强度越低,抵抗冻融的能力越差。水胶比在0.45~0.85范围内变化时,不掺引气剂的混凝土抗冻性变化不大,只有水胶比小于0.45以后,抗冻性才随水胶比的降低而明显提高;水胶比小于0.35的混凝土,即使不掺引气剂,也有较高的抗冻性。


③含气量


在一定范围内,含气量越多,混凝土的抗冻性越好。但含气量超过一定范围时,混凝土的抗冻性反而降低,原因是含气量增加在降低平均气泡间距的同时,降低了混凝土强度(混凝土含气量每增加1%抗压强度下降3%~5%)。一般当所用的天然骨料的最大粒径为10~40mm时,使新浇混凝土中的含气量达到4%~7%,可获得足够的抗冻性。


④混凝土强度


当静水压力和渗透压力超过混凝土的抗拉强度时,混凝土即产生冻融破坏。因此作为表征抵抗冻融破坏能力的混凝土强度对混凝土抗冻性也有影响。当含气量或平均气泡间距相同时,强度高的混凝土抗冻性高于强度低的混凝土。但相对而言,强度对混凝土抗冻性的影响程度远没有气泡结构大。


⑤骨料


当骨料吸水饱和,受冻后在骨料孔隙和骨料-水泥浆界面产生静力压力,超过骨料或界面强度时就产生冻害。因此,影响骨料抗冻性的主要因素是骨料吸水率和骨料尺寸。用吸水率大的骨料(如轻骨料)配制抗冻混凝土更依赖引气剂的掺入;骨料尺寸越大,受冻后越容易破坏,但细骨料对混凝土的抗冻性影响不大。此外,骨料的坚固性、风化程度、粘土含量、杂质含量等对混凝土抗冻性也有影响。


⑥水泥品种和用量


水泥中随混合材掺入量的增加,混凝土的抗冻性降低,因此抗冻混凝土用硅酸盐水泥配制要优于用其它品种的水泥。对于非引气混凝土,水泥品种和用量对混凝土抗冻性有一定的影响,而对于引气混凝土,这种影响不大。


⑦混合材


粉煤灰掺量在一定范围内,且强度和含气量相同的条件下,掺与不掺粉煤灰的混凝土抗冻性基本相同。但当粉煤灰掺量超过一定范围时,会降低混凝土的抗冻性。硅粉掺量不超过10%时,混凝土的抗冻性有所提高,超过15%时抗冻性则会明显降低。


⑧养护


混凝土浇筑后的早期养护对混凝土结构实体强度有明显的影响。笔者用C30泵送混凝土,成型150mm的立方体试件进行试验,从试验结果来看,浇水养护14d的试件抗压强度平均比不浇水养护的试件高4.4MPa,28d碳化厚度少1.5~2.0mm;不浇水试件对回弹推定强度的影响更大。充分说明养护方法对混凝土的抗冻性也有一定的影响。因此,混凝土浇筑后应及时采取有效的保湿养护措施,既增强又防裂,提高混凝土的耐久性。


关于引气剂


引气剂的使用延长了混凝土的使用寿命,增加了混凝土的耐久性。


(1)引气剂的定义


在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡且能保留在硬化混凝土中的外加剂称为引气剂。


(2)引气剂的贡献


混凝土中掺加引气剂后,改善了混凝土的和易性,减少拌合物的离析和泌水,由于气泡彼此隔离,切断毛细孔通道,使水分不易渗入,又可缓冲其水分结冰膨胀作用,因而可显著改善混凝土的防冻性、抗冻性、抗渗性和抗腐蚀性等。其改善程度不是百分之几十,而通常是几倍,甚至十几倍地提高,从而大大延长混凝土在受冻融循环情况下的使用寿命,它对混凝土综合耐久性的提高起着不可替代的作用。因此,引气剂是抗冻混凝土和防冻混凝土的重要组分。


(3)引气剂的选择与应用


不同品种的引气剂不仅影响含气量而且影响气泡的质量,一般十二烷基磺酸钠与十二烷基苯磺酸钠起泡能力强,但泡沫较大,稳定性差;烷基醇聚氧乙烯醚的起泡能力强差;而松香皂、松香热聚物、三帖皂苷能产生大量均匀、稳定的微气泡,因此它们成为首选的引气剂。


引气剂的掺量很少,一般为胶凝材料总量的十万分之几到万分之一或二,应以混凝土拌合物中含气量达到4%~6%为宜,过量掺入,混凝土工作性反而降低,更会对混凝土抗压强度、抗冻、抗渗、抗碳化性能产生不良影响。引气剂可与其他外加剂复合使用,当在混凝土搅拌过程中单独掺入时,应先配成溶液,再稀释到一定的浓度后掺入。


(4)影响混凝土拌合物含气量的因素


引气剂含气量的大小除了本身品质以外,水泥和骨料以及混凝土生产、施工中诸因素对其也有明显影响。


①组成材料


水泥细度大、含碱量高,含气量均减少;相同掺量时,硅酸盐水泥含气量依次大于普通水泥、矿渣水泥、火山灰质水泥;水泥每增加90kg/m3含气量约减少1%。


粉煤灰有较强的吸附作用,将明显降低混凝土含气量,因此当要求有较高的混凝土含气量时,应控制粉煤灰的掺量或适当增加引气剂的掺量。另外,矿物掺合料的细度越大,引气量越小。


粗骨料直径大,含气量则小;卵石比碎石骨料含气量大。


天然砂含气量大于人工砂;砂的粒径范围在0.3~0.6mm时混凝土含气量最大,而小于0.3mm或大于0.6mm时,混凝土含气量都明显下降;砂率大则含气量也大,但当砂率提高到一定程度时,含气量的变化就不明显。


②水胶比


水胶比影响混凝土拌合物的黏度,水胶比低拌合物的黏度大,黏度大的混凝土拌合物将减小含气量的生成、数量和质量,因而水胶比越小则意味着引气剂掺量的增加。


③搅拌


机械搅拌比人工搅拌含气量大;一般搅拌5min含气量最大;搅拌时间过长含气量小,搅拌时间不足含气量也小;不同的搅拌设备对含气量有一定的影响,最佳搅拌时间应通过实际生产搅拌设备与试验相结合确定。


④混凝土温度


混凝土温度高含气量损失快,每升高10℃含气量可减少20%~30%,因此在炎热夏季施工时应适当增加引气剂掺量。


⑤混凝土坍落度


混凝土坍落度对含气量有一定的影响,坍落度越大则含气量越高;换而言之,拌合用水增加则含气量也会增加。


⑥放置与运输


拌合物放置时间和运输时间越长,含气量损失越大,但不同的引气剂其含气量损失有不同。


⑦泵送工艺


通过泵送的混凝土,其泵送以后混凝土含气量下降,但不同的引气剂其含气量损失有不同。


⑧振捣方式


各种振捣方式皆会降低混凝土含气量,采用插入式振动棒振捣比平板、台式振动含气量损失更大;高频振捣、振捣时间延长都会明显降低含气量。


综上所述,影响混凝土拌合物含气量的因素较多,而含气量的确定既要考虑改善混凝土内部结构,提高抗冻性、抗渗性等,又要兼顾对混凝土强度产生的不利影响。因此,配制掺引气剂的混凝土应持慎重态度,应根据材料、工艺状况等,通过模拟试验确定引气剂品种和掺量


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