负温环境下防冻剂和保温材料对混凝土受冻临界强度的影响

文摘 2025-01-02 07:01 河南

0引言

混凝土是建筑行业用量最大的建筑材料，除材料的自身品质外，施工过程也会影响工程建设速度和质量。我国幅员辽阔，不同地区的气候环境差异大，对混凝土的施工应用要求也不同。对于北方地区，每年温度在0℃以下的时间持续5～6个月，建设施工单位为加快工程建设进度，在冬季进行混凝土施工在所难免。

为避免冬季施工的混凝土受到早期冻害，影响其后续性能发展，需使混凝土在受冻前达到一定的预养强度，即受冻临界强度，以保证混凝土受冻后的后期抗压强度损失控制在5%以内。因此，为保证混凝土冬季施工顺利实施，研究人员提出了原材料预热法（主要指用水蒸气或热风加热骨料）、混凝土蓄热法（主要指利用骨料预热和水泥水化放热，并采取适当保温措施延缓混凝土冷却）、综合蓄热法（在混凝土蓄热法的基础上，掺入早强剂或早强型复合外加剂）、暖棚法（在建筑物或构件周围搭设暖棚，并在棚内设置热源，使混凝土在正温下硬化）、负温养护法（在混凝土中掺入防冻剂，使混凝土温度在降到防冻剂规定的温度前达到受冻临界强度）等混凝土冬季施工保温方法。

目前，工程上最常用的方法为综合蓄热法和负温养护法相结合，该方法操作相对较简易，且抵御早期冻害的效果明显，但在骨料预热过程中，煤炭和其他产生热源的材料使用会加剧CO₂排放和能源消耗，不符合我国现行的野双碳冶政策。此外，对混凝土覆盖保温材料进行保温养护时，关于养护时间、保温材料覆盖厚度等更多的是±靠经验，缺乏定量分析，这在一定程度上影响了施工成本和施工进度。

本文针对混凝土冬季施工中最常采用的综合蓄热法和负温养护法的不足，首先研究不同环境温度下防冻剂对混凝土受冻临界强度的影响，然后模拟冬季施工浇筑现场的加热方式，分析保温材料热阻对混凝土强度发展的影响，并探讨保温材料的热阻和覆盖厚度与混凝土预养时间的关系，建立三者的关联模型，以期为混凝土冬季施工养护措施的选择与优化提供参考，从而最大程度地提高混凝土冬季施工质量。

1试验概况

1.1原材料

胶凝材料：天宇华鑫P·O42.5级水泥；乌鲁木齐红雁池二电厂生产的F类域级粉煤灰；宝新盛源建材有限公司生产的S75级矿粉。

骨料：新疆和砼源建材有限公司生产的河砂（细度模数3.1、含水率3.4%）和卵石（粒径5～20mm、压碎指标6.5%）。

外加剂：中建西部建设新材料科技有限公司生产的无机盐类防冻剂和聚羧酸减水剂（含固量12.8%、减水率23%）。

水：自来水。

1.2配合比

参照JGJ55要2011《普通混凝土配合比设计规程》，设计乌鲁木齐地区常用的C30和C40混凝土配合比，如表1所示。

1.3试验方案

参照JGJ/T104-2011《建筑工程冬期施工规程》，设计模拟冬季施工环境的试验温度，分别为-5、-10、-15℃。然后，在表1配合比的基础上，根据防冻剂产品使用说明和环境温度，掺入适量防冻剂（掺量为胶凝材料质量的百分比），如表2所示。

研究防冻剂对混凝土受冻临界强度的影响时，成型尺寸为100mm×100mm×100mm的C30、C40混凝土试件（未掺防冻剂的为对照组），并置于温度为（20±5）℃、相对湿度≥50%的环境下进行预养护，在混凝土终凝后，每隔4h测试试件的预养强度。然后，按照JC/T475-2004《混凝土防冻剂》将测试过预养强度后的试件放入低温室中，分别在-5、-10、-15℃环境下受冻7d，接着将试件移入标准养护室中继续养护28d后测试其抗压强度f₇₊₂₈。其中，低温室通过加热管与冷风扇进行温度调节，以保证温度持续稳定，低温室的温度范围为-20～20℃，精度为±0.5℃，湿度为（50±5）%。

受冻临界强度的确定方法如下：将对照组直接标准养护28d后的抗压强度记为f₂₈，当f₇₊₂₈达到f₂₈的95%时，其对应的预养强度即为受冻临界强度。

研究保温材料热阻对混凝土预养时间的影响时，在试验室中用沸煮箱模拟混凝土冬季施工浇筑现场的加热方式。成型尺寸为100mm×100mm×300mm的C30混凝土试件（掺防冻剂），并将温度传感器插入试件表层50mm深度处，接着将试件连同模具放入沸煮箱（升温速率20℃/h）中进行加热，以上过程在混凝土浇筑后的20min内完成。实时追踪试件表层温度的变化，当达到设计温度（10、20、30℃）后，用实际工程中常用的毛毡覆盖试件，并移入低温养护室温度分别为-5、-10、-15℃，湿度均为（40±5）%]中进行预养护，当试件的抗压强度达到受冻临界强度时停止预养护，记录混凝土从拌制到达到受冻临界强度的时间。

1.4测试方法

按照GB/T50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测试混凝土试件的抗压强度。

2结果与分析

2.1不同环境温度下防冻剂对受冻临界强度的影响

图1、图2分别为不同环境温度下防冻剂对C30、C40混凝土受冻临界强度的影响。

由图1、图2可知，随着预养强度的提高，各组C30、C40混凝土试件在不同环境温度下的f₇₊₂₈均呈增大趋势，掺防冻剂试件的f₇₊₂₈甚至超过f₂₈，这主要是因为防冻剂不仅具有防冻作用，还具有一定的早强作用，其不仅能在混凝土受冻时促进混凝土早期的水化反应，还能在混凝土解冻后的标准养护期间进一步提高水化进程，促进水化产物生成，从而提高抗压强度。由图1、图2还可知，随着环境温度的降低，C30、C40混凝土均需要更大的受冻临界强度来抵抗冻害。当环境温度分别-5、-10、-15℃时，掺防冻剂的C30混凝土受冻临界强度分别为3.4、5.1、5.3MPa，较同条件下未掺防冻剂的C30混凝土受冻临界强度分别降低了19%、20%、27%。掺防冻剂的C40混凝土在-5、-10、-15℃环境温度下的受冻临界强度分别为4.1、4.6、5.5MPa，较同条件下未掺防冻剂的C40混凝土受冻临界强度分别降低了13%、26%、19%。可见，掺入适量防冻剂有效降低了混凝土的受冻临界强度，这有利于降低混凝土的预养护成本。

根据混凝土成熟度理论，未掺防冻剂的混凝土在环境温度≤-10℃时停止水化，掺防冻剂的混凝土在环境温度≤-15℃时停止水化。可见，在-15℃以上的环境中，掺防冻剂的混凝土水化反应仍在进行，说明强度仍在发展。此外，根据防冻剂的冰晶形态理论可知，掺入防冻剂后，随着混凝土内部形成的小冰晶增多，导致内部溶液浓度逐渐增大，溶液的冰点随之降低，最终在混凝土内部形成水与冰共存的平衡状态，从而缓解结晶压的破坏作用。而未掺防冻剂的混凝土在受冻时，其端部生成的冰晶产生了结晶压，对其造成一定破坏，且受冻过程中水分的迁移容易导致混凝土产生局部干燥破坏，故未掺防冻剂的混凝土需要更高的受冻临界强度来抵抗冻害。

2.2保温材料热阻对混凝土预养时间的影响

以乌鲁木齐冬季施工常用的C30混凝土为研究对象，由JGJ/T104-2011可知，采用负温养护法施工的混凝土受冻临界强度不应小于5.0MPa。因此，结合上述研究结果，为保证混凝土冬季施工质量的可控性，本文最终确定混凝土受冻临界强度取最大值5.3MPa。

本试验所用的保温材料（毛毡）的导热系数为0.06W/（m·K），比热容为1.88kJ/（kg·K），单层厚度为3mm。保温材料热阻的计算公式见式（1）。

R=δ/λ（1）

式中：R为保温材料热阻，m²·K/W；δ为保温材料覆盖厚度，m；λ为保温材料导热系数，W/（m·K）。本试验通过改变保温材料的覆盖厚度来改变其热阻，进而研究保温材料热阻与混凝土预养时间（即混凝土达到受冻临界强度5.3MPa所用的时间）的关系，试验结果见图3。

由图3可知，相同环境温度下，混凝土表面温度越高，混凝土达到受冻临界强度所需的预养时间越短，表面温度每升高10℃，预养时间减少12%～20%。相同混凝土表面温度下，环境温度越高，混凝土达到受冻临界强度所需的预养时间越短，环境温度每升高5℃，预养时间减少10%～16%。

由图3还可知，不考虑预养时间时，在-5℃环境温度下，当混凝土表面温度分别为10、20、30℃时，保温材料的最小热阻分别为0.3、0.3、0.1m²·K/W。在-10℃环境温度下，当混凝土表面温度分别为10、20、30℃时，保温材料的最小热阻分别为0.5、0.3、0.3m²·K/W。在-15℃环境温度下，当混凝土表面温度分别为10、20、30℃时，保温材料的最小热阻分别为0.7、0.5、0.3m²·K/W。可见，随着混凝土表面温度增加，在不考虑预养时间的前提下，混凝土达到受冻临界强度所需的最小热阻越小，同时，随着环境温度的降低，混凝土所需保温材料的最小热阻基本呈增大趋势。

此外，各环境温度下，随着保温材料热阻的增加，混凝土的预养时间基本均呈降低趋势，当保温材料热阻分别大于等于1.7、2.3、2.5m²·K/W（分别对应-5、-10、-15℃环境温度）时，混凝土达到受冻临界强度所需的预养时间逐渐趋于稳定，且该过程基本不受混凝土表面温度的影响。原因分析：随着保温材料热阻的增加，混凝土表面降温速率减小，根据度时积理论，相同配合比的混凝土只要达到同样的度时积，就会对应出现相同的强度，由此可推测，当混凝土表面温度趋于恒定时，则混凝土达到一定强度所需的时间基本相同。

2.3保温材料热阻和覆盖厚度与混凝土预养时间的关系

基于Origin软件中的YldFert模型[见式（2）]，对图3试验数据进行拟合，建立保温材料热阻与C30混凝土达到受冻临界强度时的预养时间关系，拟合结果见图4。

y=a+br^R（2）

式中：y为C30混凝土达到受冻临界强度时的预养时间；a、b、r为拟合参数。

由图4可知，式（2）模型的拟合精度较高，拟合相关系数均逸0.99。拟合得到的a、b、r值见表3。

对式（2）两边取对数可得式（3）。

R=log_r[（y-a）/b]（3）

进一步结合式（1）、式（3），可得不同环境温度下，保温材料覆盖厚度啄的计算公式，见式（4）。

δ=λlogr[（y-a）/b]（4）

3结论

（1）负温环境下，掺入适量防冻剂有效降低了混凝土的受冻临界强度，这有利于降低混凝土的预养护成本。此外，环境温度越低，混凝土需要更大的受冻临界强度来抵抗冻害。

（2）负温环境下，随着预养强度的提高，混凝土的抗压强度f₇₊₂₈增大，其中，掺防冻剂混凝土的f₇₊₂₈甚至超过了对照组标准养护28d的抗压强度f₂₈，说明防冻剂不仅具有防冻作用，还具有一定的早强作用。

（3）相同环境温度下，混凝土表面温度越高，混凝土达到受冻临界强度所需的预养时间越短，表面温度每升高10℃，预养时间减少12%～20%。相同混凝土表面温度下，环境温度每升高5℃，预养时间减少10%～16%。

（4）负温环境下，保温材料热阻与混凝土预养时间符合YldFert模型y=a+br^R，且拟合精度较高。在此基础上，可换算得到不同环境温度下，保温材料覆盖厚度的计算公式：δ=λlog_r[（y-a）/b]。（来源：《混凝土于水泥制品》2023.12）

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