如何确定混凝土防冻剂的掺量.pdf

年第期总第期混凝土 代 全国建筑科学核 ,公 期刊 吧浏 如何确定混凝土防冻剂的排 阮炯正 吉林建筑工程学院建筑工程系 , 吉林长春 摘要 本文指出了当前确定混凝土防冻剂掺量 的不合理 之处 , 经研究提出了以混凝土水灰比 、 水泥品种 、环 境温度 为主要参数的确定混凝土 防冻剂掺量的简易公式 , 已将其用于指导生产实践并取得良好的经济效益 。 关键词 混凝土防冻剂掺量混凝土冬期施工防冻剂掺量系数 中图分类号文献标识码文章编号 一一一 引言 目前混凝土防冻剂的掺量多是依据使用时的环境 温度和混凝土外加剂生产厂家提供 的参考用量来确 定 , 虽然使用方便 , 但对确定混凝土防冻剂掺量是不够 合理的 , 因为它并未考虑到混凝土的设计强度 、 水泥 品 种等因素对混凝土 防冻剂掺量的影响 。 例如 , 设计强 度等级较高的混凝土 , 因其水泥用量大 , 必然产生较高 的水化热 , 能在较短时期内达到抗冻临界强度 , 理应降 低混凝土防冻剂 的用量才对 , 因混凝土 防冻剂使用说 明书并未考虑混凝土强度对 防冻剂掺量 的影响 , 反而 多加了防冰剂 , 这样做不仅会造成浪费 , 有时还会造成 混凝土 的凝结时间过长 , 易使混凝土中的钢筋锈蚀和 产生碱骨料反应 , 而且对混凝土由负温度养护转入正 温度养护的后期强度增长也十分不利 。 混凝土外加剂 应用技术规范 一 第条及第条 中规定 , 混凝土 防冻剂 的掺量及品种应根据其施工温 度通过试验确定 。 但确定混凝土防冻剂掺量所需的时 间太长 , 不能及时指导现场施工 , 有时还会增加试验工 作量甚至会造成试验失败而影响施工 。 所以寻求一个 简易可行的计算公式来确定混凝土防冻剂掺量是十分 有意义的 。 关于确 定混凝土防冻剂掺量的理论依据 如何简便地确定混凝土 防冻剂掺量这对于指导 冬期混凝土施工是一个急待解决的问题 。 为此首先需 从理论上加以探讨 , 最早的混凝土的抗冻机理可以用 冰点理论解释 , 即水溶液的冰点降低与其电解质浓度 成正比 , 如早期的混凝土防冻剂主要是食盐等电解质 物质 , 但该理论不能适应于 一 以下的负温情况 , 若 按冰点理论计算则需加入太多的食盐才能保证混凝土 具有足够的抗冻能力 。 其次是以水灰比为基础的液灰 收稿日期 一一 比说 , 认为混凝土的抗冻能力与溶液和用灰量比有直 接关系 。 对应的确定防冻剂掺量的计算公式为 。 一 其中 防冻性掺量 , 水泥重量 温度时防冻剂溶液浓度 , 重量 原始水溶液的密度 , 岁 ” 生成的冰量 , 重量 。 混凝土的水灰比 由于这个公式中的许多参数不容易确定所以使用 十分不便 , 也需要较高的防冻剂掺量才能从理论上确 保混凝土具有足够的防冻和抗冻能力 , 这一点与实际 不符 。 当前能被多数人所接受的是 临界强度理论 , 如 在混凝土结构工程施工及 验 收规范 一 中 注明 , 冬季负温度条件下浇筑的混凝土在受冻前 , 混凝 土不得低于下列规定 ,“ 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 , 矿渣硅 酸盐水泥拌制 的混凝土为 设计混凝土 强度标准 的 , 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 , 其强度不应小于 一 ”, 即混 凝土达到 了某一个强度值时即临界强度 , 就具有一 定的抗冻能力了 , 从此以后低温不会再对混凝土造成 永久性损害 , 在气候转暖后 , 强度会继续升高 , 甚 至有 时可能达到比经高温养护的混凝土极限强度还高的强 度 。 临界强度理论固然很实用 , 却不能反映混凝土硬 化初期抗冻的本质 , 易使人误认为混凝土达到该强度 值就会抵抗水变成冰的相变体积膨胀所形成的破坏应 力 , 实质上根本不是这么一回事 。 在冬季有水的铁管 都能冻裂 , 更何况抗拉强度很低的混凝土了 , 混凝土之 所以具备一定的抗冻能力应由抗冻临界结构理论来说 明 。 该理论认为在水泥水化到一定程度时 , 混凝土中 所含的水一部分用于水泥水化 , 余下 的一部分水称 自 由水 , 存在于混凝土粗的孔 隙中 , 自由水在低温时可结 冰阻止 了水泥水化 , 产 生的相变体积膨胀使混凝土结 构遭到永久性破坏 。 另一部分水存在于混凝土细的毛 细管蕊人内和水泥水化产物中称为细毛细管水 和凝胶水 , 由表面物理化学可知 即使是这种状 态的纯 水在环境温度低于 一 时也不会结冰 , 更何况是 加 入了防冻剂的溶液了 。 由于低温时毛细管中的水和凝 胶水依然是以液态形 式存在 , 故水泥水化过程可以继 续进行 , 只是强度增长缓慢而已 , 在负温条件下混凝土 强度仍然能不断增长 , 这一 点已被大量的试验和工程 实践所证实 。 为什么混凝土细毛细管中的水和凝胶水即使在低 温时也不结冰呢可以从微观结构 上加以说 明 , 水结 冰的本质是水分子从无序的液态转变为有序的固态 冰的过程 , 防止水一冰的相变有两种途径 , 掺入杂 质 , 如加入各种无机盐像食盐或加入有机物像酒精等 物质干扰水分子排列降低冰点 。 使水分子准有序 地排列但远不是冰的结构 。 水泥的各种水化产物均具 有亲水性和巨大的比表面积 , 而 水分子是极性分子可 以被准有序地吸附在细毛细管 内壁和各种水化产物内 部 , 随着温度降低 吸附的最 增大 , 即准有 序 的范 围加 大 。 如果混凝土中的水大部分都以这种形 式存在 , 就 形成了所谓的抗冻临界结构 。 为使混凝土具有早期抗 冻能力 , 就应尽快形成抗冻临界结构 。 从上述分析可 知 , 防冻剂应 由这样一些 组分所组成 , 降低冰点的 组分 , 具 有减水功能 的组分 , 对细化毛 细管 孔径有 利 , 促进水泥水化 的早强组分 , 具有高比表面积 的可激发水泥水化的活性混合材 , 如硅灰 、 硅藻土 、水 泥晶种等有利于形成耐冻的微孔结构 , 这一点可为研制 新型混凝土早强 防冻剂提供一个新的技术路线 。 所以 说抗冻临界结构 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 、混凝土 的水灰比 、环境 温度 、养护条件、 减水剂的性质和用量 、混 凝土混合材 , 混凝土构件的体积 、形状、使用的模板等许多因素。 减水剂的减水率等 。 考虑到有些因素容易用数字描述如水灰比 、 环境 温度 , 而另一些因素如养护条件等不容易用数字描述 而且施工单位技术人员难以掌握 , 经一定的假设进一 步简化整理提出了计算混凝土防冻剂掺量的公式为 其中 。 防冻剂掺量 , 水泥重量 环境的负温度值 , 一 水灰比 防冻剂掺量系数 , 该值随 防冻剂性质不 同 而不同 , 应由试验确定 。 日与水泥的品种有关 , 采用硅 酸盐水泥或普 通硅酸酸盐水泥时为 , 采用矿渣硅 酸盐水泥 时为一 个大于的数 , 具体值由试验确定 。 虽然公式十分简单 , 但是否可行呢有人研究 证明 了混凝土中的 防冻剂 水溶液结冰 量 工达到 一 对混凝土长期强度不会产生不 良影 响 , 若 按由公 式计算在混凝土中指定的负温条 件下防冻剂掺量公式为 。 用公式计算将防冻剂亚硝 酸钠和碳酸钾的掺 量与混凝土养护温度和水灰比的关系列入表 。 从表中不难看出不同防冻剂的防冻剂掺量系数 只与环境温度有关 , 与混凝土的水灰比基本无关 , 这样 给我们提供了一个方便 , 只要给出不同养护温度 时的 防冻剂掺量系数 , 试验技术人员或施工技术人 员可以 根据实际的水灰比和采用的水泥品种大致估算防冻剂 的掺量 。 确定混凝土防冻剂掺量的计算公式 由于混凝土防冻剂掺量是水泥的品种 、 水泥的用 量 、水灰 比 、 环境温度 、 养护条件 、 减 水剂 的性质和用 量 、混 凝土构件的体积 、 比表面积 、形状、 使用的模板等 诸多因素的函数 。 用数学形式可表示为 混凝土的 防冻 剂掺量数学符号水泥的品 种 、水灰 比 、 环境温度 、 养护条件 、 减水剂 的性质和用 量 、混 凝土构件的表面系数等 其中与混凝土防冻剂掺量成正比的因素有水灰 比 、环境的负温度值、混 凝土构件的表面系数等 。 与混凝土防冻剂掺量成反比的因素有水泥用量 、 确定混凝土防冻剂掺量的试验和实践 结合长春某工程的具体情况 , 在试验的基础上 , 验 证上述混凝土防冻剂掺量计算公式是否可行 。 试验所用的原材料情况如下 河砂细度模数 , 含泥量 碎石最大粒径 二 , 含泥量 水泥吉林松江散装普通硅酸盐水泥 , 其细度 为 , 天抗压强度为 。 混凝土防冻剂系列 , 掺量见表 。 高效减水剂 一 型 , 减水剂 液体 的减水率为 对混凝土配合比的要求是泵送及泵送 , 环境平均温度为 一 , 其基准配合比如表所示 。 试验过程为 按照常温普通混凝土进行初步配合比计算 。 依据公式估算防冻剂用量 。 首先确定防冻 剂掺量系数 , 考虑普通防冻剂试验多是按 。混凝土 表防冻剂推与养护温度 水水灰比比防冰剂剂防冻剂掺量占水泥重量防冻剂掺量系数数 品品品种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种种 混混混混凝土环境温度 混凝土环境温度 一一一一一一一一一一一 姚姚 伍伍 、 姚姚 为为 注本表部分摘自混凝土外加剂的原理与应用 , 表系列混凝土防冻剂的掺表不同掺防冻剂的混凝土的强度值 使用温度型号掺量按水泥掺量强度等级 一, 嘶一嘶一嘶一 一 一 一 一 表泵送混凝土的墓准配合比 扩 强度等级水泥水减水剂 月 砂碎石 注养护条件为 一 巧 , 其中防冻剂掺量的及 的 一 相 近是因为场 。试件晚放入冰箱 小时所至 。 强度等级设计水灰比是 , 一 时该防冻剂掺量 系数 一 , 所以几 。混 凝土防 冻剂用量 二 , 混凝土 防冻剂用 量 二 。 按选定的混凝土配合比进行试拌 , 测定混凝土 坍落度 、表观密度及温度, 制成试件分别在不同养护条 件下养护后测试它们的强度 , 其结果如表所示 。 从表可知 。混 凝土掺一型防冻 剂 , 可保证混凝土在天气转暖后恢复其强度增长 。 但 考虑工程中有许多不利因素 , 如工程的许多部位很难 围护而直接暴露在寒风 之中 , 如楼梯 , 柱头等处 , 为更 稳妥起见 , 决定在仅覆盖一层 塑料薄膜的情况下掺入 一防冻剂 、 比厂家说明书少加的防冻 剂 , 控制混凝土浇筑温度 , 实测平均值 。 在 整个冬期施工中共完成多立方米混凝土的浇筑 任务 , 最低温度为 一 , 节省了防冻剂吨 , 节约资 金万多元 , 而且同条件养护的混凝土试件全部合格 , 天气转暖后拆模检查 , 冬季施工 的混凝土没有发现任 何部位有受冻的迹象 , 达到了预期目的 。 结论与建议 混凝土防冻剂的掺量不仅应与施工时的温度 有关 , 还取决于混凝土的水灰比 、 水泥 品种等许多因 素 。 本文提出的计算混凝土防冻剂掺量公式是方 便可行的 , 以后应进一步试验以确定矿渣水泥对 防冻 剂掺量的影响 , 即确定系数日的数值 。 建议混凝土防冻剂生产厂家 , 应根据本厂 防冻 剂的性质 , 在防冻剂使用手册中提供不同温度下的混 凝土防冻剂掺量系数 , 便于指导冬季施工 。 参考文献 【阮炯正如何提高混凝土早期抗冻能力的途径 混凝 土 , 施工工程师常用规范 匀 中国建筑工业出版社 , 汇 陈建奎 , 混凝土外加剂的原理与应用中国计划出版 社 , 【阮炯正 , 冬季高层泵送混凝土施工英文东南大学学 报 , 下转第页 结论 大掺量粉煤灰混凝土的砂浆小时快测强度 与天实际混凝土强度的相关性良好 , 采用 回归分析 法推定混凝土强度 , 其方法可行 利用正交试验方法分析研 究大掺量粉煤灰混 凝土的性能确定了混凝土配合比的最优方案 大掺量粉煤灰混凝土的坍落度损失较小 , 通过 合理调整混凝土组成材料的比例 , 可使混凝土具有高 流动性和粘聚性 , 并具有很高的硬化强度 大掺量粉煤灰混凝土能大量消纳粉煤灰 , 同时 可大量节约水泥 , 降低混凝土成本 , 具有广阔的发展前 景 , 将数理统计原理应用于大掺量粉煤灰混凝土的试 验研究对工程实践有重要的指导意义 。 【 李崇智等 , 高性能减水剂的研究与应 用 , 会议鉴定资 料 , 【陆漩 应用统计 , 清华大学出版社 , 仁陈魁试验设计与分析 , 清华大学出版社 , 【 蔡正咏等正交设计在混凝土中的应用 , 中国建筑工业 出 版社 , 蔡正咏等 数理统