混凝土防凍劑的配制及應用

段東方 溫慶如 劉尊玉

河南科之杰新材料有限公司（453700）

混凝土防凍劑的配制及應用

段東方 溫慶如 劉尊玉

河南科之杰新材料有限公司（453700）

混凝土的凍害嚴重影響到混凝土結構的耐久性能。這里分析了冬季施工混凝土產生早期凍害的原因，介紹了防凍劑中各防凍組分預防混凝土凍害的作用機理以及防凍劑在使用過程中應該注意的問題。

混凝土凍害；防凍劑；防凍組分；防凍機理

0 前言

在1991年召開的國際混凝土耐久性會議上，Metha教授指出凍害所造成的混凝土結構破壞僅次于鋼筋銹蝕所造成的混凝土結構破壞，高居造成混凝土破壞原因的第二位，凍害已經嚴重影響到混凝土結構的耐久性[1]。

混凝土的凍害分兩種，一是已經充分硬化的混凝土經受正負溫度交替變化產生凍害，二是混凝土早期受凍發生凍害。其中，混凝土的早期凍害主要是由于新拌混凝土未達到臨界抗壓強度之前混凝土中尚未參與水化反應的游離水結冰體積膨脹，而此時水泥尚未充分水化，起緩沖調節作用的膠凝孔尚未完全形成，從而造成混凝土凍脹破壞。此外，混凝土的凝結硬化過程也因為拌和水的結冰而中斷，使得水泥的微觀結構形成過程受阻，從而造成混凝土內部結構嚴重受損，產生不可恢復的強度損失。

目前，在改善新拌混凝土抗凍害性能方面，除了注重新澆筑混凝土的保溫養護等措施外，主要依靠添加混凝土防凍劑來增強新拌混凝土的抗凍性。現在市面上常見的混凝土防凍劑主要由防凍組分、早強組分、引氣組分、減水組分等四部分構成，各組分的具體作用機理如下:

1 防凍劑各組分及其防凍機理

1.1 防凍組分

防凍組分的主要作用是顯著降低混凝土中液相的冰點，令混凝土在負溫狀態下，內部未水化的拌和水依舊保持為液體狀態，讓水泥的水化反應得以繼續進行，維持混凝土的強度增長速度。同時，防凍組分與拌和水混合共溶后顯著降低了混凝土中游離水的冰點，避免了混凝土中冰晶的形成，使其無法產生凍脹應力，防止了冰晶對混凝土結構造成的凍脹損害。目前常用的混凝土防凍組分主要有醇類和部分無機鹽類。通過王曦東[2]、王淑敏[3]等人的研究，在低溫狀況下，水泥的水化速度雖較常溫有較大幅度降低，但是防凍組分的加入使得混凝土在連續降溫過程中始終有一定的液相水參與水泥的水化。

1.2 早強組分

混凝土防凍劑中的早強組分可以加快水泥的水化速度，加速混凝土的凝結硬化，降低了混凝土內部游離水的數量,減輕了游離水發生凍害的幾率。同時，早強組分的加入能夠使混凝土盡快達到抗凍臨界強度。混凝土的抗凍臨界強度是指當混凝土達到某一強度值（臨界強度），就可以具有一定的抵抗強度，低溫不會再對混凝土造成傷害。通過李文斌等人的研究得出[4]，摻加具有早強組分的防凍劑可以保證混凝土在低溫狀態下盡快達到臨界受凍強度，增強了混凝土的抗凍性能。

1.3 引氣組分

混凝土中引氣劑形成的互不連通的微細氣孔起到“緩沖器”的作用，吸收冰晶膨脹應力起到減壓作用。在混凝土受凍結冰過程中，這些孔隙可以阻止或抑制水泥漿中微小冰體的形成。影響混凝土抗凍性的關鍵因素在于引氣劑引入氣泡在水泥石中均勻分布的程度，即氣泡的間距大小和數量，而不是總的引氣量。

1.4 減水組分

水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結構。水灰比較小時，混凝土硬化后密實度高，存在于混凝土內部的可凍游離水減少，抗凍性能提高。隨水灰比的增加，不僅飽和水的開孔總體積增加，而且平均孔徑也增加，在凍融過程中產生的凍脹壓力和滲透壓力就大，混凝土的抗凍性就會降低。防凍劑中的減水組分，可以減少拌和用水量，從而減少游離水總量，從根本上減少可凍冰的含量，消除凍脹內因。通過減水組分的分散作用，釋放包裹水，消除劣質水泡，使粗大冰晶轉化為細小冰晶，優化水泥水化環境，減輕凍脹壓力[5]。

2 防凍劑的復配注意事項

目前,混凝土生產企業多直接使用復配了防凍、早強、引氣、減水等組分的復合防凍劑，不僅可以減輕混凝土生產企業的勞動力投入，同時也有利于防凍劑自身和混凝土生產的質量控制。防凍劑的復配雖然是將幾種組分混合，但是還是應該從以下幾個方面加以關注:

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1）防凍劑復配過程中應該注意所引入的水分量。若防凍劑中用水量高，有效組分低，則容易引起防凍劑自身結冰，所以應優先選用高濃度產品。

2）注意控制防凍、早強組分中部分無機鹽的用量。因為很多無機鹽既是防凍劑又是促凝劑，用量過多不僅影響復合防凍劑的減水率和混凝土的保坍性，而且對混凝土結構的耐久性也有較大影響。

3）注意確定合適的無機鹽類防凍、早強組分，避免在低溫狀態下結晶沉淀，堵塞管路，影響混凝土生產。

4）使用有機物作為防凍組分時,摻量不宜過大，否則會影響到混凝土的后期強度。

5）控制好防凍劑中的氯離子含量和堿含量，防止對混凝土的耐久性造成影響。

3 防凍劑對混凝土性能的影響

3.1 新拌混凝土工作性

多數防凍劑尤其是早強型防凍劑，會加速水泥熟料礦物的水化反應速度而使得液相變黏稠，因此防凍劑的加入可以改善負溫條件下混凝土的泌水現象。早強型防凍劑會縮短混凝土的凝結時間，有利于混凝土在負溫條件下的凝結硬化，但是在長距離運送的商品混凝土中應該謹慎使用[7]。

3.2 強度

根據楊英姿等8人的研究，負溫環境下，受凍對砂漿、水泥石內部結構所造成的損傷小，但是對混凝土會造成混凝土的前期強度和后期強度，這主要是因為新拌混凝土成型時，由于振搗混凝土中的部分水集中在粗骨料的底部形成水囊，如圖1。當新拌混凝土受凍時，由于水的相變產生膨脹，造成粗骨料與水泥砂漿的“脫黏”，即使轉入常溫后也不能很好地愈合，強度呈現較大的損失[9]。當摻入防凍劑后,由于減水(減小水灰比，即減小了水膜層的厚度)、引氣(緩解凍脹應力)、早強(促進早期結構形成)、防凍(降低液相冰點)等綜合作用，使負溫下混凝土內部結構的破壞大大降低，故在負溫及負溫轉常溫條件下，摻防凍劑的混凝土強度均顯著高于基準混凝土。由此可見，防凍劑的重要作用在于改善了負溫混凝土的界面過渡區。

圖1 新拌混凝土水分分布示意圖

4 防凍劑的使用注意事項

混凝土所使用的防凍劑應該根據具體的溫度波動情況及時地調整防凍劑的摻量，保證防凍劑的防凍和早強效果。防凍劑的摻量應該控制在一定的范圍內，因為防凍劑中部分防凍和早強組分直接參與到水泥的水化過程，若是防凍劑用量過多會影響到混凝土結構的耐久性能。因此，若是溫度過低超出防凍劑的應用范圍后，還是應該注意新澆筑混凝土的保溫養護措施，避免對混凝土造成凍害。

5 總結

防凍劑中各組分會從不同角度改變混凝土的抗凍害性能，防凍劑的合理使用可以有效地減輕混凝土早期病害現象的發生，明顯提高冬季施工的施工速度和混凝土的早期強度，起到縮短工期、提高工程質量的效果。

[1]馬國慶.混凝土的凍害及其機理[J].常州工學院學報,2005, 18(z1):109～113.

[2]王曦東,董建忠,王利峰,趙建玲等.防凍劑對混凝土性能影響的研究現狀[J].公路交通科技（應用技術版）,2013(12): 198～201.

[3]王淑敏.淺談混凝土防凍劑的原理及使用[J].西部探礦工程,2010(10):193～194.

[4]李文斌.關于混凝土防凍劑摻量和受凍臨界強度問題的探討[J].中國水運（下半月）,2012(2):259～260.

[5]米艷杰.淺談冬季施工混凝土中防凍劑的應用[J].中小企業管理與科技（上旬刊）,2011(4):273.

[6]胡慶斌.混凝土泵送劑及防凍劑的復配技術[J].商品質量:建筑與發展,2011(8):213.

[7]李青.淺說冬期施工防凍劑對混凝土性能的影響[J].甘肅科技縱橫,2012(1):90～91.

[8]楊英姿,巴恒靜.負溫防凍劑混凝土的界面顯微結構與性能[J].硅酸鹽學報2007(8):1125～1130.

[9]ZHIGNIEW Rusin.Amechanismofexpansion of concrete aggregate due to frost action[J].CemConcr Res,1991,21: 614～624.