混凝土中防凍劑作用機(jī)理

1 　混凝土凍害機(jī)理及分析

　　混凝土拌和物澆灌后之所以能逐漸凝結(jié)硬化,直至獲得最終強(qiáng)度,是由于水泥水化作用的結(jié)果。而水泥水化作用的速度除與混凝土本身組成材料和配合比有關(guān)外,還與外界溫度密切相關(guān)。當(dāng)溫度升高時(shí)水化作用加快,強(qiáng)度增長(zhǎng)加快,而當(dāng)溫度降低到0 ℃度時(shí),存在于混凝土中的水有一部分開始結(jié)冰,逐漸由液相(水) 變?yōu)楣滔?冰) ,這時(shí)參與水泥水化作用的水減少了,水化作用減慢,強(qiáng)度增長(zhǎng)相應(yīng)變慢。溫度繼續(xù)降低,當(dāng)存在于混凝土中的水完全變成冰,也就是完全由液相變成固相時(shí),水泥水化作用基本停止,此時(shí)混凝土的強(qiáng)度不會(huì)再增長(zhǎng)。由于水變成冰后體積約增大9 % ,同時(shí)產(chǎn)生約2. 5MPa 的膨脹應(yīng)力,這個(gè)應(yīng)力往往大于混凝土的內(nèi)部形成的初始強(qiáng)度值,使混凝土受到不同程度的破壞(即早期受凍破壞) 。此外,當(dāng)水變成冰后,還會(huì)在骨料和鋼筋表面上產(chǎn)生顆粒較大的冰凌,減弱水泥漿與骨料和鋼筋的粘結(jié)力。當(dāng)冰凌融化后,還會(huì)在混凝土內(nèi)部形成各種空隙,而降低混凝土的耐久性。

　　國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)冬季施工的混凝土進(jìn)行了大量的試驗(yàn),結(jié)果表明:在受凍混凝土中水泥發(fā)生水化作用停止之前,使混凝土達(dá)到一個(gè)最小臨界強(qiáng)度(我國(guó)規(guī)定為不低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的30 %且不低于3.5MPa) ,可以使混凝土不遭受凍害,最終強(qiáng)度不受到損失。所以延長(zhǎng)混凝土中水的液體形態(tài),使之有充裕的時(shí)間與水泥發(fā)生水化反應(yīng),達(dá)到混凝土的最小臨界強(qiáng)度及減少混凝土中自由水的含量是防止混凝土凍害的關(guān)鍵。在實(shí)際的工程中,針對(duì)具體情況,通常采用蓄熱法和摻加防凍劑兩種方法來(lái)保證水的液態(tài)。防凍劑的作用在于降低拌和物冰點(diǎn),細(xì)化冰晶,使混凝土在負(fù)溫下保持一定數(shù)量的液相水,使水泥緩慢水化,改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu),從而使凝土達(dá)到一個(gè)最小臨界強(qiáng)度,待來(lái)年溫度升高時(shí)強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

2 　防凍劑組分的作用機(jī)理

　　防凍劑是外加劑的一種,由減水組分、引氣組分、防凍組分,有時(shí)還摻有早強(qiáng)組分等組成。

2. 1 減水組分

　　減水組分的主要功能是減水。減水劑對(duì)冬季混凝土的作用有三:一是,減少水就意味著提高強(qiáng)度,就是提高混凝土的抗凍能力;二是,在鹽分一定的情況下減少用水量,提高混凝土中自由水中鹽的濃度,而其孔隙的細(xì)化作用又更進(jìn)一步降低液相冰點(diǎn),有利于水化反應(yīng)進(jìn)行,提高早期強(qiáng)度;三是,降低水結(jié)冰對(duì)混凝土形成的凍脹力,每立方米混凝土降低約20～50L 的水, 混凝土密實(shí)度提高,較大降低了自由水對(duì)混凝土形成的凍害,且細(xì)化了毛細(xì)孔隙,對(duì)降低液相冰點(diǎn)仍有促進(jìn)作用。

2. 2 引氣組分

　　在混凝土拌合物中,增加微小封密氣泡的方法,使氣泡像滾珠一樣,降低其粘性,減少混凝土與管壁之間的摩阻力,增加施工階段的潤(rùn)滑性,同時(shí)又改善了混凝土硬化后內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu),能減緩冰晶的凍脹力,從而減少對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷,并能大幅度提高硬化混凝土的抗凍能力。

2. 3 防凍組分

　　防凍組分是指一種使混凝土拌和物在負(fù)溫環(huán)境下不受凍害的化學(xué)物質(zhì)。有許多無(wú)機(jī)鹽和若干有機(jī)物都有防凍功能,其作用方式可以分成三類:一類是與水有很低的共熔溫度. 具有能降低水的冰點(diǎn)而使混凝土在負(fù)溫下仍在進(jìn)行水化作用,如亞硝酸鈉、氯化鈉?？墒且坏┯昧坎蛔慊驓鉁靥?仍然會(huì)造成凍害。另一類是既能降低水的冰點(diǎn),也能使含該類物質(zhì)的冰的晶格構(gòu)造嚴(yán)重變形,因而無(wú)法形成凍脹應(yīng)力而破壞水化礦物構(gòu)造使混凝土強(qiáng)度受損,如尿素、甲醇。用量不足時(shí),在負(fù)溫下強(qiáng)度停止增長(zhǎng),但轉(zhuǎn)正溫后對(duì)最終強(qiáng)度無(wú)影響;第三類是,雖然水溶液有很低的共熔溫度,但不能使混凝土中水的冰點(diǎn)明顯降低. 它的作用在于直接與水泥發(fā)生水化反應(yīng)而加速混凝土凝結(jié)硬化. 有利于混凝土強(qiáng)度發(fā)展,如氯化鈣、碳酸鉀。

2. 4 早強(qiáng)組分

　　微量的催化早強(qiáng)組份雖然不參與水泥的水化反應(yīng),但能起到催化作用,能加速水泥中的礦物水化形成鈣釩石的過(guò)程,從而使混凝土在較短時(shí)間內(nèi)形成強(qiáng)度骨架,盡快達(dá)到抗凍臨界強(qiáng)度,增強(qiáng)混凝土抵御凍害的能力,更重要的是,早期的水化反應(yīng)速度的加快,可使混凝土內(nèi)大部分自由水變成不結(jié)冰的化合水,從而減少混凝土的凍害。

2. 5 其它組分

　　對(duì)于粉劑外加劑, 還可在混凝土拌和物中添加粘聚礦物質(zhì)粉。由于礦物細(xì)粉和超細(xì)粉類混合材與防凍劑復(fù)合后,既能在養(yǎng)護(hù)初期使混凝土有一定的防凍能力,又能大量減少混凝土內(nèi)部孔隙數(shù)量和細(xì)化孔徑,又使結(jié)構(gòu)內(nèi)水的冰點(diǎn)降低,充分發(fā)展超細(xì)粉的“形貌效應(yīng)”、“活性效應(yīng)”、“界面效應(yīng)”、“填充效應(yīng)”;既能提高施工階段的粘聚性,又能改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)降低冰點(diǎn)。

3 　混凝土工程中可采用防凍劑的種類

　　1) 強(qiáng)電解質(zhì)無(wú)機(jī)鹽類:

　　a) 氯鹽類:以氯鹽為防凍組分的外加劑;

　　b) 氯鹽阻銹類:以氯鹽與阻銹組為防凍組分的外加劑;

　　c) 無(wú)氯鹽類:以亞硝酸鹽、硝酸鹽等無(wú)機(jī)鹽為防凍組分的外加劑。

　　2) 水溶性有機(jī)化合物類:以某些醇類等有機(jī)化合物為防凍組分的外加劑。

　　3) 有機(jī)化合物與無(wú)機(jī)鹽復(fù)合類。

　　4) 復(fù)合型防凍劑:以防凍組分復(fù)合早強(qiáng)、引氣、減水等組分的外加劑。

4 　防凍劑適用范圍

　　1) 含有氯鹽配制的防凍劑嚴(yán)禁用于下列結(jié)構(gòu)中:

　　a. 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu);

　　b. 相對(duì)濕度大于80 %環(huán)境中使用的結(jié)構(gòu)、處于水位變化部位的結(jié)構(gòu)、露天結(jié)構(gòu)及經(jīng)常受水淋、受水流沖刷的結(jié)構(gòu);

　　c. 大體積混凝土;

　　d. 直接接觸酸、堿或其他侵蝕性介質(zhì)的結(jié)構(gòu);

　　e. 經(jīng)常處于溫度為60 ℃以上的結(jié)構(gòu),需經(jīng)蒸養(yǎng)的鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件;

　　f . 有裝飾要求的混凝土,特別是要求色彩一致的或是表面有金屬裝飾的混凝土;

　　g. 薄壁混凝土結(jié)構(gòu),中級(jí)和重級(jí)工作制吊車的梁、屋架、落錘及鍛錘混凝土基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu);

　　h. 使用冷拉鋼筋或冷拔低碳鋼絲的結(jié)構(gòu);

　　j. 骨料具有堿活性的混凝土結(jié)構(gòu)。

　　2) 含有強(qiáng)電解質(zhì)無(wú)機(jī)鹽類的防凍劑嚴(yán)禁用于下列結(jié)構(gòu)中:

　　a. 與鍍鋅鋼材或鋁鐵相接觸部位的結(jié)構(gòu),以及有外露鋼筋預(yù)埋鐵件而無(wú)防護(hù)措施的結(jié)構(gòu);

　　b. 使用直流電源的結(jié)構(gòu)以及距高壓直流電源100m 以內(nèi)的結(jié)構(gòu)。

　　3) 含亞硝酸鹽碳酸鹽的防凍劑嚴(yán)禁用于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

　　4) 含有六價(jià)鉻鹽、亞硝酸鹽等有害成分的防凍劑,嚴(yán)禁用于飲水工程及與食品相接觸的工程,嚴(yán)禁食用。

　　5) 含有硝銨、尿素等產(chǎn)生刺激性氣味的防凍劑,嚴(yán)禁用于辦公、居住等建筑工程;

　　6) 強(qiáng)電解質(zhì)無(wú)機(jī)鹽防凍劑用于骨料具有堿活性的混凝土結(jié)構(gòu)時(shí),防凍劑帶入的堿含量(以當(dāng)量氧化鈉計(jì)) 不宜超過(guò)1kg/ m3 混凝土,混凝土總堿含量尚應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;

　　7) 有機(jī)化合物類防凍劑可用于素混凝土、鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土工程;

　　8) 有機(jī)化合物與無(wú)機(jī)鹽復(fù)合防凍劑及復(fù)合型防凍劑可用于素混凝土、鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝上工程,并應(yīng)符合以上1～7 條的規(guī)定;

　　9) 對(duì)水工、橋梁及有特殊抗凍融性要求的混凝土工程,應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定防凍劑品種及摻量。