淺議提高水工混凝土抗凍性能的有效途徑

段自健

（新疆北方建設集團有限公司 奎屯市 833200）

北方寒冷地區，水工混凝土負溫時內部水分凍結，各孔隙周壁上產生相當大的內壓力，引起孔壁的脹大并產生拉應力；正溫時冰雖融化，但孔壁已產生塑性變形不能復原，反復凍融，孔隙加大，凍層加深，致使混凝土開裂并逐漸遭受破壞。凍融對混凝土的破壞極為突出和嚴重，凍害現象在北方地區的各類建筑中都有不同程度的發生。因此，抗凍混凝土要比一般混凝土的耐久性要求高，防止遭受凍融損壞的技術措施也要嚴格。為此，有關部門制定了一系列保證抗凍混凝土質量的技術監督措施，如《水工混凝土結構設計規范（SL/T 191-96）》（以下簡稱SL/T 191-96）和《水工混凝土施工規范（J 148-2002）》（下簡稱J 148-2002）等。如何有效提高混凝土的抗凍性是保證混凝土耐久性的前提之一。

1 混凝土抗凍性的技術要求

（1）設計技術要求。

規范SL/T 191-96中規定：混凝土抗凍標號分別為 F50、F100、F150、F200、F300 和 F400 六級。 抗凍標號按28天齡期的試件確定。經試驗論證后，也可以利用60天或90天齡期的試件測定。混凝土抗凍標號應根據建筑物所在地區的氣候條件、凍融循環次數、表面局部小氣候、水飽和程度、結構構件的重要性和檢修條件等確定，混凝土抗凍標號的最小允許值詳見SL/T 191-96第一部分4.4條的規定。

（2）對施工的要求。

規范J 148-2002規定：混凝土的水灰比，應根據對混凝土性能的設計要求，通過試驗確定，并規定有抗凍要求的混凝土必須摻用引氣劑。水灰比允許值見表1。

表1 水灰比最大允許值

（3）混凝土抗凍性的檢驗。

《水工混凝土試驗規程》（SD 105-82）把慢凍法和快凍法并列為兩種標準方法，根據統一試驗所得結果來評定混凝土抗凍性，方法見表2。

表2 混凝土抗凍性評定方法

按規定混凝土試塊制作成15 cm×15 cm×5 cm的立方體，進行養護后用慢凍方法進行試驗。慢凍法一次凍融循環時間為 8 h，凍融條件：在（-17～-20）℃凍4h （降溫過程不計），（15～20）℃融4h為一個循環。慢凍法要同時滿足強度損失不超過25%，重量損失率不超過5%時最大循環次數的條件。快凍試件為10 cm×10 cm×40 cm 棱柱體，快凍法（2～4）h 為一個循環，要滿足相對動彈性模量值不小于60%和重量損失率不超過5%時的最大循環次數的條件。

2 提高混凝土抗凍性能的有效途徑

在北方地區為保證混凝土建筑物有足夠的耐久性，不但要求配合比設汁正確、原材料質量可靠，而且還要按施工規程要求施工。

（1）必須摻引氣劑。

試驗證明，不摻引氣劑的混凝土，即使水泥用量增加到540 kg/m3，水灰比降至0.35，也遠遠滿足不了更高次數的抗凍需要。凍融50次強度降低28.2%。因此在普通級配的混凝土中摻入少量引氣劑（一般用與水泥重量的比例為 1∶10 000～1.2∶10 000 的松香酸鈉榕液），是提高抗凍性的最有效方法。J 148-2002中規定水工混凝土含氣量宜采用下列數值，見表3。其他國家在規范上對含氣量也有嚴格要求，見表4。

表3 國內水工混凝土含氣量

表4 國外混凝土含氣量

國外推薦的含氣量較我國實際使用含氣量偏低1%～1.5%。抗凍混凝土要有足夠的含氣量，但過多會影響坍落度，合適的含氣量是最重要的。要求氣泡盡量小，分布均勻。

引氣劑是一種憎水性表面活性劑。溶于水中。在拌和過程中由于混入一些空氣，引氣劑分子被吸附到空氣泡表面而產生大量穩定、均勻、微小的氣泡，直徑在（0.025～0.300）mm。這些大量互不連通的氣泡隔斷了毛細管滲水通道，使外部水分不易滲入。在負溫下混凝土表面水分凍結使體積增加9%膨脹量時，微泡又能起一定的緩沖作用。在含氣量小變的情況下，氣泡直徑愈小，數量愈多，分布越均勻，抗凍性越高，會免除或減少水泥石因凍脹出現的裂縫和裂縫的繼續擴大，因而提高了混凝土的抗凍抗滲性能。

（2）嚴格控制水灰比。

在其他條件相同的情況下，水灰比越大抗凍性能越差。因為多余的游離水會在混凝土硬化過程中逐漸蒸發，形成大量開口孔隙，而毛細孔無法被完全填塞.造成混凝土吸水性、滲透性增大，起不到防凍的作用。相反，水灰比較小，硬化后混凝土內部密實，強度也相應高，內部可凍水少，孔隙結構改善，大大提高抗凍性。SDJ 207-82規定混凝土水灰比通過試驗確定，不得超過表1的規定。

（3）選擇合適的水泥品種及用量。

實驗及工程實踐證明，水工抗凍混凝土應優先選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。水泥含量中C3A<8%，防止生成硫酸鋁鹽。純熟料硅酸鹽水泥通常比摻礦物混合料的硅酸鹽水泥，特別是火山灰質和礦渣水泥的抗凍性能好。規范規定水泥標號不得低于425#，在嚴寒地區水工抗凍混凝土的水泥用量不應少于300 kg/m3，不超過500 kg/m3。用量過多或過少除給混凝土質量帶來不利影響外，還會在經濟上造成損失。

（4）選擇抗凍性良好的骨料。

用堅硬、密實的集料配制的混凝土耐久性好；粒徑太大或扁平比例大、軟弱順粒和有縫隙的骨料，不宜用于水工混凝土。集料的熱脹系數應同周圍砂漿膨脹系數相接近，含雜質量一般應小于0.5%。吸水率較小的骨料均會提高抗凍性，經試驗，天然礫石及河砂石較多的混凝土可以滿足抗凍要求。

（5）選擇最佳砂率。

砂漿的抗凍性比混凝土好，適當提高砂率改善和易性，能使伴和物獲得最大流動性，保持良好的粘聚性和保水性。確定最佳砂率可按選定的水灰比，保持水泥用量不變，在其條件相同的情況下，坍落度最大的試配拌和物所用砂量為最佳砂率。砂的粒徑以中砂為宜，含雜質量小于1%，用量略大于普通混凝土，一般以35%～37%為宜。

（6）選擇合適的施工季節。

隨著混凝土齡期的增加，水泥不斷水化，內部可凍結水量減少，同時水中溶解鹽的濃度增加，因而冰點也隨齡期的增加而降低，抗凍性能逐漸提高。為防止水工建筑物在早期遭受凍害，選擇合適的施工季節，使建筑物在使用前得到良好的養護，有足夠的后期強度增長時間是必要的。

3 抗凍混凝土施工的質量保證

良好的配合比、質量優良的原材料，是獲得高質量混凝土的可靠保證。配料的計量，引氣劑含量的控制，水灰比、坍落度的隨時抽查，都是施工過程中質量控制的重要環節，也是保證混凝土抗凍性的重要措施。往往試驗室的試驗結果合格，但實際產品質量卻較差，原因之一就在于實際施工中質量監督把關不嚴。施工過程中的拌和、運輸及振搗成型、養護一系列操作都要嚴格執行施工規范的要求。在施工過程中要根據氣溫嚴格控制含氣量，隨時檢查調整，保證拌和物有足夠的含氣量，這是提高抗凍性的最重要措施。成品的外觀不應有蜂窩、麻面等缺陷，保證混凝土具有良好的密實性和均勻性。要加強混凝土的后期養護，盡量減少水分蒸發，以免造成早期脫水，從而產生裂縫。還要防止混凝土早期受凍，保證達到設計強度。