混凝土防冻剂的原理

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1抗冻临界强度

　　1.1在冬季施工时，当混凝土强度达到某一界限值时，由于结构已初步形成，具备了抵抗冻胀破坏的能力，混凝土再受冻亦不会被冻坏，这一强度称做混凝土的抗冻临界强度。抗冻临界强度的提出是混凝土冬季施工理论的一个重大突破，也是制订混凝土冬施措施的重要依据。混凝土冬季施工的关键就是要使混凝土尽快达到抗冻临界强度。

　　1.2大量试验和实践表明，混凝土抗冻临界强度与水泥品种、水灰比、降温速率等多种因素有关，且素混凝土和掺防冻剂混凝土的抗冻临界强度亦不相同，其值可按规范确定。一般说来，掺防冻剂后混凝土的抗冻临界强度略低一些（相对空白），这是因为混凝土掺防冻剂后其含水量减小、冰晶变的较为分散软弱且减弱了冻胀效果的缘故。

　　2防冻剂的防冻原理

　　防冻剂是根据混凝土冻害机理，结合抗冻临界强度、最优成冰率、冰晶形态转化等理论，并总结长期冬季施工实践研制的，一般由四种成分组成，其作用分述如下：

　　2.1早强成分

　　强度后才能进行下一道工序的施工。在混凝土终凝初期应避免施工荷载对楼板产生较大的振动。主要作用是加速混凝土的凝结硬化，使之尽快达到抗冻临界强度；在达到临界强度以后，能加快混凝土硬化速度，克服负温、低温造成的强度增长缓慢现象。

　　2.2引气成分

　　在混凝土体内引入微米级的细小气泡（有益气泡），其作用：

　　1）切割、封闭混凝土内的连通孔道（有害孔道），减轻冻胀时的裂纹扩展；

　　2）引入的大量气泡起到膨胀“缓冲器”的作用，吸收冰晶膨胀应力，减轻冻害。在混凝土内引入气体3.5%，可消化6.6%的体积膨胀，在成龄阶段，可起到提高抗冻融能力、改善耐久性的作用。

　　2.3减水成分

　　其作用：1）减少拌合水，从而减少游离水总量，从根本上减少可冻冰的含量（但亦应保持一定含冰率），消除冻胀内因；2）通过减水成分的分散作用，释放包裹水，消除劣质水泡，使粗大冰晶转化为细小冰晶，优化水泥水化环境，减轻胀冻压力。

　　2.4防冻成分

　　多为一些有降低冰点作用的无机盐，作用可概括如下：掺防冻组份（以NaNO2，掺2%为例）的水溶液冰点约为-1.5℃，当温度降到-1.5℃时，孔隙内临近受冻侧的游离水开始结冰，冰体内无机盐部分析出，剩余游离水中盐的浓度变大（冰点进一步降低）；当温度继续下降（如降到-5℃），又有临近受冻侧游离水部分结冰，剩余游离水浓度继续增大……，持续这一过程，直到亚硝

　　酸钠最低共溶点出现，孔内全部游离水结成冰。由此可见，防冻成分的作用是在连续降温过程中保持混凝土体内始终有一定的液相水存在（过冷水），使水泥水化能持续进行（尽管此时水化速度已较常温大为减慢）。

　　由此可见：防冻剂的防冻机理是综合性的，是多种效果的综合体现。世界上并不存在某种一掺就灵的防冻剂，“防冻”只是最终的效果，它是通过早强、引气、减水、防冻等因素共同作用而实现的。而且防冻剂的使用效果与工程的施工情况也有关系，所以说混凝土的冬季施工是一个典型的系统工程，必须通盘考虑。

　　3防冻剂的正确使用

　　3.1正确理解“使用温度”

　　任何一种符合标准的防冻剂产品，都有一个明确的“使用温度”（如-15℃、-20℃），说使用温度就是“允许混凝土施工的温度”并不错误，但应着重与混凝土抗冻临界强度联系起来理解，即在环境温度降到外加剂“使用温度”前，混凝土必须达到抗冻临界强度，这样混凝土才是安全的，否则混凝土有可能被冻坏。混凝土的使用温度越低，说明该防冻剂的防冻效果越好，混凝土越有更多的时间（含负温区）来增长强度，从而达到抗冻临界强度的可能性大大增加。

　　目前国内生产的混凝土防冻剂的使用温度多在-10℃～-15℃之间（可适用于日最低-15℃～-20℃的情况），温度再低，防冻剂配方设计难度越大，不确定因素也增加，从这个角度讲，多数情况下没有必要非得要求防冻剂的使用温度一定低于施工时的最低环境温度，关键是必须在温度降到防冻剂使用温度前就使混凝土达到抗冻临界强度。

　　3.2采取覆盖保温措施

　　综合蓄热法的基本做法是覆盖加掺防冻剂，必要时对水和砂石料进行加热。覆盖的作用是使水泥水化热量和原材料加热热量留在混凝土内部的时间长一些，尽量延长水泥正温水化时间，这一点非常重要。保温做得越好，混凝土降到外加剂“使用温度”的时间越长，越有时间达到抗冻临界强度。为达到这个效果，覆盖材料的种类和厚度应结合外加剂的使用温度、抗冻临界强度、环境温度等因素通过热工计算确定。

　　3.3搞好施工组织

　　防冻剂的使用效果必须通过良好的搅拌、振捣来实现，搅拌延长30min是为了使外加剂更充分的混合，外加剂搅拌不匀甚至会引发事故。再者防冻剂有一个最佳搅拌时间和最佳振捣时间问题，过度会使其中的引气量减小，不足又会使其中的气泡分布不均甚至产生粗大劣质气泡，这些都会对防冻不利。此外，最大限度缩短运送距离，搅拌站搭设保温棚，输送管外裹保温套，架子车覆盖保温被，工序衔接紧凑等措施都是为了提高混凝土的入模温度，延长正温养护时间，尽快达到抗冻临界强度。

　　3.4热工计算

　　热工计算主要参照湖南大学吴震东提出的“吴震东公式”进行，它有多方面的用途，在华北地区主要用来做验证性计算。要点是：

　　1）根据原材料和环境温度计算混凝土的入模温度，T；

　　2）计算混凝土由此温度降至防冻剂规定温度所需的时间，h；

　　3）根据成熟度公式计算在上述养护时间内混凝土能达到的强度，MPa；

　　4）比较该强度是否大于抗冻临界强度，确定冬施方案是否可行；

　　5）施工时留置同条件试块，在环境温度降至防冻剂使用温度的前1d检验其实际强度，看是否达到抗冻临界强度。

　　3.5掌握防冻剂掺量

　　有人将说明书上的掺量视为基准掺量，施工时根据实际温度上下调整，这种做法是冒险的。一般地，比较正规的防冻剂产品在配方设计时掺量与使用温度都是一一对应的，不存在调整问题。防冻剂的多数组份都有最优掺量问题，适用范围十分狭窄，掺量与功效并非线性关系。比如将3%掺为4%，各组份将都增加33%，很可能造成因含气量增加导致强度下降（约5%～10%）；因Na2SO4、NaNO3增加致使碱含量增高而对耐久性不利。若由3%变成2%，则功效肯定不是减少33%的问题，而是更多。不仅防冻剂，其他外加剂亦是如此。