复合型液体防冻剂在混凝土冬期施工中的应用

文摘 2025-01-08 07:05 河南

根据《建筑工程冬期施工规程》(JGJ104)的规定，室外日平均气温连续5d稳定低于5℃即进入冬期施工，兰州市恰好处在冻融破坏比较严重的西北地区，冬季时间长、气温低，给混凝土工程质量及施工进度造成很大影响，因此，如何提高混凝土材料的抗冻性是非常严峻的问题。在混凝土拌合过程中添加相应功能的外加剂，是行之有效的方法，但不同功能的外加剂同时使用，性能是否会相互影响，是否会削弱或增强各自的效能，或者改变各自的性能，造成混凝土性能的变化，是亟待研究的课题。

在此背景条件下，通过研究，研发了高减水、高强度、高抗冻性等综合性能优异的混凝土外加剂——QJF-Ⅲ型混凝土复合型液体防冻剂。QJF-Ⅲ型混凝土复合型液体防冻剂是由早强组分、防冻组分、减水组分、引气组分等成份组成的一种复合型防冻剂，该防冻剂具有掺量低、早期强度高、不含氯盐、阻止钢筋锈蚀、使用方便可靠、防冻效果显著等特点，可广泛用于工业及民用建筑的各种混凝土工程的冬期施工。

1防冻剂研制依据

近年来，国内外防冻剂研究转向多种外加剂的复合，向低掺量、高性能和低碱方向发展。在查阅大量文献和多年来工作经验的基础上，依据课题研究目的，在种类繁多的外加剂中甄选了防冻组分、减水组分、引气组分、早强组分的外加剂，在确保各组分同时使用相互无副作用的前提下，经过多次试验，不断优化配方，研制了高性能的复合型液体防冻剂。

1.1防冻组份的选择

防冻组分的作用主要是使负温下施工的混凝土中，保持一定的液态水，以保证水化反应的继续进行，使混凝土在负温下强度任然继续增长，防止发生冻害。常用的有氯化钠、氯化钙、亚硝酸钠、硝酸钾、碳酸钾、尿素、氨水等，在常用的防冻组分中，选取了高效防冻效果的非氯盐防冻剂作为防冻组分A；最低共熔点是-19.6℃，可以在不低于-16℃的环境条件下使用，具有较好的防冻增强效果，符合标准对混凝土强度发展的要求。

1.2减水组份的选择

减水组分的作用包括减水、增强两个部分。减水作用是降低混凝土拌合物用水，减小水胶比，从混凝土的内部结构看，由于水胶比减小使得混凝土中游离水分减少，而冻胀的破坏作用正是由于这些水分结冰所产生的冻胀力引起的，减少用水量也就减小了产生冻害的内因。水胶比的降低又可使得混凝土强度提高，从而也可提高混凝土的抗冻能力，此产品选用了高效减水效果的减水剂作为减水组分B。

1.3引气组份的选择

引气组分的作用是提高混凝土的抗冻能力，使其在低温下保持较好的完整性，以获得较好的强度发展，改善混凝土和易性，减少拌合物的离析、泌水，提高混凝土的耐久性和抗冻性，此产品选用了高效引气效果的引气剂作为引气组分C，它极易溶于水，水溶液极易起泡，产生的泡沫多。

1.4早强组份的选择

早强组分的作用是尽快提高早期强度，促进混凝土早期的水化，降低冰点，使混凝土尽快达到或超过混凝土抗冻临界强度，常用的早强成分有硫酸钠、氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钠等，此产品综合比较选用了早强效果良好的早强剂作为早强组分D。

高性能复合型液体防冻剂将多种组分的作用有机的复合在一起，既考虑了降低混凝土拌合物的冰点，又考虑了促进水泥在低温时的水化反应；既考虑了初始结构的改善，又考虑了后期结构的发展；既考虑了硬化混凝土强度的发展，又考虑了新拌混凝土流动性能的稳定，既考虑了防冻，又考虑了抗冻，同时还考虑了各种成分之间可能产生的化学反应，以及添加剂与混凝土原材料之间的反应，经过多次实验，确定了最终的组方，性能优于普通防冻剂。

2主要解决的技术问题及技术关键

2.1主要解决的技术问题

A、提高早期强度，使混凝土尽快达到受冻临界强度，通过选用具有早强性能的外加剂解决该问题。常用的早强组分包括硫酸钠、氯化钠、氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钠、亚硝酸钙、三乙醇胺等，主要作用是降低冰点，根据气温情况来选择。

B、减少混凝土拌合用水，主要作用在于减水与增强两个方面。常用的减水组分包括木钙、木钠、萘系高效减水剂以及三聚氰胺、氨基磺酸盐等。主要根据混凝土强度及环境气温选择适当的减水剂品种及掺量。

C、防止新浇混凝土受冻，通过选用防冻组分实现该目的。防冻组分是指使混凝土拌合物在负温环境下免受冻害的化学物质；常用的防冻组分有氯化钠、氯化钙、亚硝酸钠、硝酸钙、碳酸钾、尿素、氨水等。

D、选用引气组分。主要作用在混凝土引入一定量的均匀分布、密闭、独立的微小气泡，一方面抑制或削弱新拌混凝土在浇筑过程中泌水的发生；另一方面，既为冻结的冰晶提供了一层的膨胀空间，又为过冷水的渗透压力提供了一个缓冲空间，从而提高混凝土的抗冻能力。常用的有松香热聚物、烷基苯磺酸盐等。

E、复合型液体防冻剂中有效成分的相容性；一方面复合液体防冻剂含有多种组分，必需保证各组分能保持各自的作用，防止进行化学反应失去原有的作用。再者，防止溶液之间在低温下析出结晶。

F、液体产品的结冰点。确保复合液体防冻剂在规定低温下不结冰。

G、复合型液体防冻剂的掺量，由于各组分的最佳掺量不一致，如何选取复合型液体防冻剂的掺量就要依据最佳外加剂性能和经济性判定。

H、各组分的组合方案。需确定各组分的最佳比例。

I、复合型液体防冻剂的防腐蚀性、避免所选取组分在降低液相冰点的同时，给钢筋混凝土结构带来锈蚀、降低耐久性的不良后果。

2.2主要解决的技术关键

2.2.1选择原材料

根据兰州市环境气温、组分物理性能与化学性能特点、施工特点正确选取各组分是研制复合型液体防冻剂的技术关键。一方面混凝土拌合过程中添加相应功能的外加剂，是行之有效的方法。但不同功能的外加剂同时使用，性能是否会相互影响，是否会削弱或增强各自的效能，或者改变各自的性能，造成混凝土性能的变化。

2.2.2材料配合比设计。

根据试验选取各组分的最佳比例及复合型液体防冻剂掺量是研制复合型液体防冻剂的另一个技术关键。传统的防冻剂一般掺量较高(4%～15%)，较大的掺量不仅带来成本问题，还会使混凝土强度有所降低。3QJF-Ⅲ型新型高性能复合型液体防冻剂配方试验研究根据亚硝酸钠、乙二醇、高效减水剂、十二烷基苯磺酸钠厂家推荐组分掺量采用控制变量法进行最优组分比研究试验，选取标养7d、28d强度以及负温养护7d后转入标养28d强度作为评价标准，选定配方后与祁连山水泥相容性试验结果进行验证初步验证，配合比采用质量比为：水泥:砂:石:外加剂:水=330:729:1189:13.2:150，坍落度为8±1cm，含气量4%左右(减水剂为28%时为饱和点，引气剂为0.4%时引气效果稳定，符合要求)。

3.1设计因素

3.2试验结果

3.3结果分析

从强度数据分析，第5组与第6组之间接近饱和状态，第5组曲线强度增长较理想，较第6组经济，所以选定第5组配方(减水剂:亚硝酸钠:乙二醇:引气剂:水=28:12:12:0.4:47.6)为QJF-Ⅲ型新型高性能复合型液体防冻剂的基础配方。

3.4相容性试验验证

祁连山水泥与QJF-Ⅲ型新型高性能复合型液体防冻剂相容性试验，初始扩展度190mm，半小时扩展度180mm，和易性良好，无泌水现象。

4QJF-Ⅲ型新型高性能复合型液体防冻剂性能试验研究

为了进一步验证产品的性能，进行了实验室模拟试验，通过模拟低温环境，测定混凝土拌合物及混凝土试块在-10℃时的各项性能。

4.1原材料

4.1.1水泥。祁连山水泥P·O42.5级普通硅酸盐水泥。

4.1.2细骨料。临洮中砂，细度模数2.8，级配区属：Ⅱ区中砂，含泥量小于1%。

4.1.3粗骨料。永靖5～20mm碎石，其中5～10mm占40%，10～20mm占60%，含泥量小于0.5%。

4.1.4外加剂。QJF-Ⅲ型新型高性能复合型液体防冻剂。

4.1.5水。饮用自来水。

4.2配合比

基准混凝土配合比按《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2011进行设计，受检混凝土比基准混凝土砂率低2%。

4.2.1水泥用量。基准混凝土和受检混凝土的单位水泥用量为330kg/m³。

4.2.2砂率。基准混凝土砂率40%，受检混凝土砂率38%。

4.2.3防冻剂掺量。水泥用量的4.0%。

4.2.4用水量。使基准混凝土和受检混凝土坍落度为(80±10)mm时的最小用水量。

4.3基准混凝土与受检混凝土配合比

基准混凝土配合比：水泥:砂:石:外加剂:水=330:767:1151:0:130，受检混凝土配合比：水泥:砂:石:外加剂:水=330:729:1189:13.2:150

4.4试验方法

各种混凝土原材料至少应提前24h移入试验室，材料与试验室环境温度均保持在(20±3)℃。

4.4.1混凝土拌合物

减水率、泌水率比、含气量和凝结时间差，按照《混凝土外加剂》GB8076-2008进行测定和计算。匀质性指标按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》GB/T8077-2012进行试验测定。

4.4.2硬化混凝土

抗压强度比、收缩率、相对耐久性试验，按照《混凝土外加剂》GB8076-2008进行测定和计算。并留置7d及28d标养试块，同时，留置7d负温养护后转入28d标准养护的试块，进行掺加外加剂混凝土的抗冻试验。

4.5混凝土搅拌

依据表3.3配比在试验室拌制，采用公称容量为60L的单卧轴式强制搅拌机。拌合量为20L。将水泥、砂、石一次投入搅拌机，干拌均匀，再加入掺有外加剂的拌合水一起搅拌2min。出料后，在铁板上人工翻拌均匀，再行试验。

4.6外加剂性能检测结果

5各强度等级混凝土强度试验

5.1试验室环境试验

依据表5.1.1配比在试验室拌制掺防冻剂C25～C45强度等级混凝土，在满足和易性及施工性能的基础上对外加剂掺量稍加调整，100mm*100mm*100mm拭模制作7d及28d标养试块，同时制作负温养护试件，在-10℃条件下养护7d后转入标准养护室养护28d，进行掺加外加剂混凝土的抗冻试验。

5.2性能检测

对具有代表性的C35混凝土进行和易性及工作性检测，测定坍落度、坍落度损失、含气量等指标，1h坍落度损失10mm，含气量3.1%。

5.3试验结果分析

5.3.1强度试验结果描述

通过数据分析，7d标养数据超过试配强度的75%，数据比较理想，强度富裕系数较大；28d标养强度分析，强度值都达到试配值的100%，所以理论上配比能应用工程实际。若考虑与综合蓄热法等养护方法结合，28d强度将有更大富余，综上所诉，防冻剂的效果，达到预期结果。

5.3.2施工性能效果描述

现场泵送效果正常，流动性满足要求，坍落度损失较小，将砼运输和现场压车的因素考虑在内，观察砼泵送时不需要加水，泵送所需坍落度和状态也满足

6研究结论

（1）QJF-Ⅲ型新型高性能复合型液体防冻剂是由减水组分、防冻组分、早强组分、引气组分复配而成，褐色非氯盐复合型液体防冻剂，对钢筋无锈蚀，兼有减水、早强、防冻、引气效果。

（2）防冻、早强效果好，规定温度-10℃，龄期7d达到设计强度的30%，负温养护7d转入标养到28d能达到设计强度的100%。

（3）减水效果明显，减水率达到20%～25%，每立方米混凝土可节约水泥10%～30%，引气效果适中，掺量为胶凝材料的4%，混凝土含气量为2%～4%，在不影响混凝土强度的情况下，有效改善混凝土的工作性能以及混凝土的抗冻性和抗渗性。

（4）产品匀质性好，使用方便。由于粉状外加剂在生产、储存过程中不可避免地会产生一些板结现象，为了使外加剂添加后在混凝土拌合物中分布均匀，必须采取人工捣碎的方法使其匀质化。而采用液体制剂后，可以完全确保产品的匀质性和稳定性，可直接添加。

（5）本产品适用性广，与各种水泥相容性能好，可用于不同强度等级的商品混凝土，QJF-Ⅲ型新型高性能复合型液体防冻剂具有良好的保塑性能，坍落度损失小。

（6）储存和计量简便。粉状外加剂许多是易燃易爆品，本品将粉状制剂变革为液体制剂，避免了易燃易爆成份与空气中氧气的直接接触，并利用溶剂比热大的特点，使易燃易爆成份大大低于其燃点，存储时对防火的要求较低。

7工程应用

兰州市食品药品检验所建设项目，该项目是集食品、药品、保健食品、化妆品和医疗器械检验检测为一体的综合性实验楼。项目选址在兰州高新区七里河园区彭家坪片区，用地面积24.9亩，总建筑面积18244.63m²，地上十层，地下两层，投资概算8155.22万元，计划工期434天。2015年12月9日浇筑地下室外墙C40P6混凝土240m3，配合比的重量比为：胶凝材料：细骨料：粗骨料：水：QJF-Ⅲ型混凝土复合防冻剂：膨胀剂为1：1.66：2.27：0.36：0.04：0.06。留试块标准养护检验混凝土强度，28天强度为49.9MPa、51.9MPa、49.1MPa，现场留同条件试块检验混凝土强度，28天强度为41.8MPa、42.2MPa、42.7MPa。完全符合规范要求。

8结论

本文通过对QJF-Ⅲ混凝土复合型液体防冻剂的研制研究，研发了集引气、减水、早强、防冻等多项性能于一体的复合型多功能液体防冻剂，低温下存放不沉淀、不结晶，匀质性和稳定性好，计量准确、方便，可一次性添加，一次性计量。并且通过对引气剂、早强剂、减水剂、防冻剂的复配，确定了各组分的掺量对外加剂性能及混凝土性能的影响。

砼话

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