关于混凝土防冻剂掺量和受冻临界强度问题的探讨

文摘 2025-01-20 07:01 河南

一、引言

在我国北方地区，当气温降至0℃以下的混凝土施工，目前最简便的技术措施就是掺防冻剂以保证混凝土在负温下的强度不受影响。而防冻剂的掺量如何来确定，现阶段防冻剂的掺量是依据使用时的环境温度和外加剂厂提供的产品说明书中确定的参考用量来控制。实际上存在一个对防冻剂掺量不合理的问题。由于这个掺量与混凝土设计强度、水泥品种无关，只考虑了水泥用量的关系。如设计强度等级高的混凝土，水泥单位用量大其水化热也高，能在短时间内达到受冻临界强度，应降低混凝土防冻剂的用量才对，但防冻剂说明书参考用量未能考虑混凝土强度与掺量的关系，掺量反而加大了，这样掺加造成的浪费是小，但会造成混凝土凝结时间的延长，产生钢筋锈蚀和碱骨料的反应，对负温转人正温养护的后期强度增长也不利。

对外加剂的掺量在工程中一般习惯作法是通过试验来确定，现行的混凝土外加剂应用技术规范(GBT119)中规定对防冻剂的掺量及品种应根据其温度通过试验确定，但许多施工企业未这样做，掺量存在随意性和不确定性。由于试验掺量所需时间长，不能及时指导现场施工，寻求一个简易的计算方法或公式较准确的确定掺量对使用者提供方便。使早期受冻混凝土在受冻以前必须达到临界强度。

二、混凝土防冻剂掺量的理论要求

如何恰当准确地确定防冻剂的掺量，对于广大施工现场的应用是十分迫切的现实同题，从理论上的探讨是不可忽视的。早期混凝土的抗冻机理是用冰点来解释的，即水的冰点降低与其电解质浓度成正比，混凝土的防冻剂主要是用工业盐等电解质降低混凝土冰点，该理论对－15℃以下的气温即不适用，如按冰点理论增加工业盐才能保证混凝土不受冻，但反过来Cl^-对钢筋的侵蚀是极其严重的。

还有采取以水灰比为基础的说法，认为混凝土的抗冻能力与液体和灰量有关，相对应的防冻剂掺量计算为：

a=C_t·(W/C)·Ⅰ·d_t(1)

式中：a——防冻剂掺量(％)；

C_t——温度t时防冻剂溶液质量分数(％)；

d_t——原始水溶液密度(g/cm³)；Ⅰ——生成的冰量(％)；

W/C——混凝土的水灰比。

从防冻剂掺量的公式看出，许多计算参数不容易确定，增加了计算的难度和不准确性。从中看出，防冻剂的掺量要多才确保理论上对混凝土的抗冻力，与实际有较大差距。在当前混凝土早期受冻临界强度的理论被多数工程界人士所接受，并被国家及行业规范规程所确定在全国施行。如建筑工程冬期施工规程(JGJ104)中，把早期受冻临界强度分为未掺外加剂的普通混凝土和掺#HJn剂的混凝土两种，见表1、表2。

这个临界强度是保证混凝土冬施质量的一个重要指标，国家规范中也注明，冬季负温度条件下浇筑的混凝土在受冻前，混凝土不得低于“硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥拌制的混凝土为设计混凝土强度标准的30％、矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土为设计混凝土强度标准的40％，在掺用防冻剂的混凝土当温度降到防冻剂的规定温度以下时，其强度不应低干3.5～5.0MPa”，即混凝土达到某一个强度值(临界强度)，就可以具有一定的抵抗强度.低温不会再对混凝土造成损害，气温正常后强度会升高到设计强度。

三、混凝土临界强度确定重视的问题

(1)新浇筑的混凝土在未达到临界强度时受冻，其后期强度及其他一系列物理力学性能受到损害，所以在施工时，为使混凝土能达到设计强度，采取了提高一级强度等级来作保证。这时要确定临界强度时.就不能按原设计强度来计，而应按提高后实际浇筑的混凝土等级来确定。如施工图规定的是C20级混凝土，施工配合比为C30级混凝土，应按C30级混凝土来控制临界强度的计算。

(2)未掺外加剂的普通混凝土和掺了外加剂的混凝土抗冻临界强度的确定是要区别的。未掺外加剂的普通混凝土的受冻温度为0℃，而掺有外加剂的混凝土的受冻温度是所掺外加剂的设计规定温度。例某外加剂的设计受冻温度为－10℃，掺加后混凝土温度降至－10℃前，应该强度达到4MPa，否则将受到冻害。

(3)混凝土的临界强度值是指其强度等级为C10～C40时的混凝上，水灰比在0.4～0.6范围内的普通混凝土，而对于C40以上的高性能混凝土，因其水灰比较小，水泥用量大，其水化反应、孔隙结构的形成及混凝土受冻破坏机理复杂，临界强度值由试验确定。

四、早期受冻临界理论浅析

临界强度被广泛接受并列入现行的国家规范规程中，其实用性不容置疑。但不能反映出混凝土硬化初期抗冻的本质，使人误认为混凝土达到该强度值就会抵抗水变成冰其体积膨胀所形成的破坏应力，其实并非如此。冬季无保温的钢管有水都冻裂，强度很低的混凝土更不用说，只能从混凝土的临界理论来解释。临界理论认为水泥水化到一定程度时，混凝土中所含的水一部分用于水化，余下的水为自由水，存在于混凝土结构内所有粗空隙中，这些自由水在负温时冻结阻止水泥水化，冻结时其体积膨胀使混凝土内部结构遭受永久性破坏。另一部分水存在混凝土毛细管(D≤500A)内和水泥水化产物中的毛细管水和凝胶水，由表面物理化学可知这种状态的纯水在一30℃时也不会结冰。掺入防冻剂更不结冰了。由于低温时毛细管中的水和凝胶水依然是液态存在，故水泥的水化可继续进行，只是强度增长缓慢，在负温下继续进行，这种现象被许多冬施工程和试验实践所证明。

混凝土毛细管中的水和凝胶水在负温下为什么不结冰，可以从微观结构上来解释。水结冰是水分子从无序的液态转变为有序的固态冰的过程。要阻止水至冰的相变有两种途径：一是掺入各种无机盐或加人有机物像酒精类物质干扰水分子排列降低结冰点；二是使水分子可以排列有序但不是冰的结构。水泥的各组成矿物均具有亲水性和较大的比表面积，而水分子是极性分子可以被较有序地吸附在毛细管内壁和各种水化产物内部，随着温度降低吸附量增大，即较有序范围增大。如混凝土中的水都以这种形式存在，就彤成了现在认可的早期抗冻临界强度的结构机理。

由此可知，防冻剂应由这些成分组成：即降低冰点的组分；具有减水功能的组分，减少细毛细孔；促进水泥早强的组分；具有高比表面积的活性材料等。混凝土早期抗冻临界强度结构的形成，不但取决于混凝土防冻剂的掺量和品种，还取决于水泥的性质、水灰比、施工环境温度、碱水剂性质、用量、混凝土的掺合料及养护条件，还要考虑构件体积、部位、形状和模板支设等诸多因素。

五、防冻剂掺量的计算方法浅析

从现行规范及实际应用来看，混凝土防冻剂的掺量离不开以下因素：即水泥品种、用量、水灰比、温度、碱水剂品质、用量、养护条件、比表面积、部位、形状及模板等；这些因素中与混凝土防冻剂掺量成正比的有水灰比、温度、结构件表面系数等；而与防冻剂掺量构成反比的有水泥用量、减水剂减少用水量等。

这诸多影响因素中有些容易用数字表述的如水灰比、施工时温度，而另一些如养护条件等不能用数字来表达，应用时难以准确掌握，用假设简化整理出估算防冻剂用量的公式：

a=D·K·T·(W/C)(2)

式中：a——防冻剂掺量(％)；

T——环境温度(℃)；

W/C——水灰比；

K——防冻剂掺量系数，由不同防冻剂性质不同而取值；

Β——采用硅酸盐或普通硅酸盐水泥时为1，矿渣水泥时大于1，由试验确定，虽然假设式(2)比较简单，但可否适用还需实践探索证实。有关人员研究了混凝土中防冻剂水溶液结冰量(Ⅰ)达到40％～50％时对混凝土强度不会产生不良影响，如结冰量按Ⅰ=50％由式(1)计算在混凝土确定的负温条件下防冻剂掺量为：

a=0.5C_t·(W/C)·d_t(3)

用式(3)计算防冻剂掺量系数时只与环境温度有关，与混凝土水灰比影响很小。这样给使用者提供了方便，主要给出不同养护温度时的防冻剂掺量系数，技术人员可以根据实际水灰比和使用水泥品种较准确的算出防冻剂掺量，把一些不确定因素排除在计算之外便于应用。

六、结束语

(1)混凝土早期受冻临界强度是保证工程质量的前提，只有临界强度有效控制，才能保证混凝土后期强度继续发展，保证冬施工程安全可靠。

(2)混凝土防冻剂的掺量不仅与施工时温度有关，还同水灰比、水泥品种等诸多因素有关。

(3)早期受冻临界强度理论已被广泛采用作为标准确定下来.其防冻剂掺量的计算公式在实践中总结完善，为现场施工人员提供方便。

(4)防冻剂生产厂家根据本厂防冻剂性质做出较多试验数据，为使用者提供在不同气温下的掺量系数，便于冬季施工选择的依据。

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