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防凍混凝土=抗凍混凝土?結(jié)構(gòu)人要搞清楚
在建筑行業(yè)中，有些施工人員往往把冬期施工的混凝土與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有抗凍等級要求的混凝土都稱為“抗凍混凝土”。那么防凍混凝土和抗凍混凝土是一回事嗎?
在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中，查不到“防凍混凝土”的術(shù)語，僅能查到“摻防凍劑的混凝土”或“冬期施工的混凝土”等詞語;抗凍混凝土在規(guī)范中的術(shù)語是：抗凍等級等于或大于F50級的混凝土。實(shí)際上這兩種混凝土技術(shù)要求完全不同，但標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范沒有給出“防凍混凝土”的定義，或有些施工人員對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范學(xué)習(xí)不夠，因此容易引起一些施工人員對這兩種混凝土產(chǎn)生誤解或混淆。譬如：誤認(rèn)為“抗凍混凝土就是摻防凍劑的混凝土”、或“大熱天為什么要澆筑抗凍混凝土?”等。這些誤解可能造成對抗凍混凝土的生產(chǎn)、澆筑和養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)的重視不夠而影響到工程質(zhì)量。
一 防凍混凝土
防凍混凝土的技術(shù)要求是：在冬期施工過程中，采取可靠的技術(shù)措施，使混凝土澆筑后盡早凝結(jié)硬化，并在未達(dá)到受凍臨界強(qiáng)度以前不得發(fā)生凍脹破壞。
當(dāng)氣溫在0～4℃時，水的活性較低，水泥的水化反應(yīng)極其緩慢，混凝土的強(qiáng)度發(fā)展不能達(dá)到要求。當(dāng)溫度低于0℃時，混凝土內(nèi)部水分大部分凍結(jié)。水結(jié)成冰后產(chǎn)生9%的體積膨脹，混凝土結(jié)構(gòu)將遭致永久性破壞;另外，水結(jié)成冰后，混凝土中沒有足夠的液態(tài)水參與水泥的水化反應(yīng)，混凝土的強(qiáng)度增長極慢甚至停止。因此，冬期施工澆筑的混凝土宜摻入早強(qiáng)劑或防凍劑，并應(yīng)在混凝土凝結(jié)硬化初期，采取適當(dāng)?shù)谋鼗蛟鰷卮胧?，充分利用混凝土自身熱量或外部熱?如電熱法、暖棚法等)，確?；炷翝仓蟮钠鹗拣B(yǎng)護(hù)溫度：嚴(yán)寒地區(qū)不低于10℃;寒冷地區(qū)不低于5℃，使混凝土強(qiáng)度具備正常增長的條件，盡快的獲得受凍臨界強(qiáng)度。
1 冬期施工采取的技術(shù)措施
冬期施工是混凝土工程質(zhì)量事故的多發(fā)季節(jié)，這是由于準(zhǔn)備工作時間短，技術(shù)要求復(fù)雜，某一環(huán)節(jié)跟不上或倉促施工造成的。因此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄隁庀筚Y料統(tǒng)計(jì)，提前做好周密計(jì)劃和冬施準(zhǔn)備工作，避免發(fā)生工程質(zhì)量事故。冬期施工采取的技術(shù)措施主要有：
①材料預(yù)熱法：即先將水及砂、石預(yù)先加熱，再用于攪拌混凝土;
②蓄熱保溫法：即采用保溫材料覆蓋澆筑后的混凝土，使混凝土澆筑后在一定時間內(nèi)保持不降溫或緩慢降溫;
③暖棚法：即在施工現(xiàn)場搭建保溫加熱暖棚，使混凝土澆筑后在暖棚內(nèi)正溫環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)，有條件時最好攪拌、澆筑也在暖棚內(nèi)進(jìn)行;
④摻入早強(qiáng)劑或防凍劑。
此外，冬期施工的混凝土宜適當(dāng)提高水泥用量，或采用早強(qiáng)水泥，以及采用高性能減水劑或高效減水劑，盡量減少用水量等技術(shù)措施。
采取以上技術(shù)措施的目的，是為了控制和提高混凝土的出機(jī)溫度和入模后溫度，確保混凝土澆筑后強(qiáng)度具備正常增長的條件，在未達(dá)到受凍臨界強(qiáng)度以前不發(fā)生凍害。
2 關(guān)于早強(qiáng)劑和防凍劑
當(dāng)今世界混凝土破壞原因按重要性排列的順序是：鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用。因此，摻用早強(qiáng)劑或防凍劑的混凝土應(yīng)注意要限制氯鹽含量，氯鹽是誘發(fā)鋼筋銹蝕的一個很重要因素，預(yù)應(yīng)力混凝土和鋼筋混凝土應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定控制混凝土中的最大氯離子含量，避免發(fā)生工程質(zhì)量事故，造成巨大浪費(fèi)，國內(nèi)外許多工程已為此付出了慘重代價。
①混凝土早強(qiáng)劑與組分
能加速混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展的外加劑稱為早強(qiáng)劑。在實(shí)際使用中，大多為復(fù)配早強(qiáng)劑，無機(jī)鹽類對混凝土后期強(qiáng)度不利;氯鹽早強(qiáng)劑會引起鋼筋銹蝕;硫酸鹽早強(qiáng)劑可能產(chǎn)生體積膨脹，使混凝土耐久性降低;鈉鹽早強(qiáng)劑將增加混凝土中堿含量，與活性二氧化硅骨料產(chǎn)生堿—骨料反應(yīng)。早強(qiáng)劑過量加入，雖然混凝土早期效果好，但后期強(qiáng)度損失大，鹽析加劇影響混凝土飾面;增加混凝土導(dǎo)電性能及增大混凝土收縮開裂的危險(xiǎn)?；炷猎鐝?qiáng)劑的主要組分有：氯化鈉、氯化鈣、硫酸鈉、硫酸鈣、硫酸鋁、重鉻酸鉀、三乙醇胺、三異丙醇胺、甲醇、乙醇、甲酸鈣、草酸鋰、乙酸鈉等。
②混凝土防凍劑與組分
能使混凝土在負(fù)溫下硬化，并在規(guī)定養(yǎng)護(hù)條件下達(dá)到預(yù)期性能的外加劑稱為防凍劑。防凍劑絕大多數(shù)是復(fù)合外加劑，應(yīng)控制早強(qiáng)組分和防凍組分無機(jī)鹽類的摻入量，否則使用不當(dāng)會引起混凝土后期強(qiáng)度倒縮、鋼筋銹蝕及堿—骨料反應(yīng)發(fā)生。
混凝土防凍劑的主要組分有：防凍組分(如亞硝酸鈉、氯化鈉、甲醇、尿素、氯化鈣、碳酸鉀等)、引氣組分(如松香皂、松香熱聚物、烷基磺酸鈉等)、早強(qiáng)組分(如硫酸鈉、氯化鈣、硝酸鈣、三乙醇胺等)、減水組分(如萘系、三聚氰胺、氨基磺酸等)。
3 關(guān)于早強(qiáng)劑和防凍劑的選用
我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50119)第7.3.1條規(guī)定：
①在日最低氣溫為0～-5℃，混凝土采用塑料薄膜和保溫材料覆蓋養(yǎng)護(hù)時，可采用早強(qiáng)劑或早強(qiáng)減水劑;
②在日最低氣溫為-5～-10℃、-10～-15℃、-15～-20℃，采用上款保溫措施時，宜分別采用規(guī)定溫度為-5℃、-10℃、-15℃的防凍劑。
4 關(guān)于冬期施工與受凍臨界強(qiáng)度
臨界強(qiáng)度是冬期澆筑的混凝土在受凍以前必須達(dá)到的最低強(qiáng)度。
我國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程冬期施工規(guī)程》JGJ104規(guī)定：根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄隁庀筚Y料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)室外日平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定低于5℃即進(jìn)入冬期施工;當(dāng)室外日平均氣溫連續(xù)5d高于5℃時解除冬期施工。該《規(guī)程》規(guī)定冬期澆筑的混凝土受凍臨界強(qiáng)度為：
①普通混凝土采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥配制時，應(yīng)為設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的30%;采用礦渣硅酸鹽水泥配制時，應(yīng)為設(shè)計(jì)的混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的40%;但混凝土強(qiáng)度等級為C10及以下時不得小于5.0MPa。
②摻用防凍劑的混凝土，當(dāng)室外最低氣溫不低于-15℃時不得小于4.0MPa;當(dāng)室外最低氣溫不低于-30℃時不得小于5.0MPa。
混凝土中摻入合格的防凍劑后，能降低水的冰點(diǎn)，并改變了冰晶結(jié)構(gòu)，使混凝土在負(fù)溫條件下不會發(fā)生凍脹破壞，且仍有足夠的液態(tài)水使水泥的水化作用得以繼續(xù)進(jìn)行;轉(zhuǎn)入正溫后，混凝土強(qiáng)度能進(jìn)一步增長，達(dá)到或超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。因此，《規(guī)程》規(guī)定摻用防凍劑的混凝土受凍臨界強(qiáng)度明顯比不摻的低。
二 抗凍混凝土
抗凍混凝土是指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求混凝土具有長期抵抗凍融循環(huán)的耐久性能，即滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)定的抗凍級別。
當(dāng)抗凍混凝土在冬期環(huán)境下澆筑時，還必須采取冬期施工的技術(shù)措施?？箖龌炷翢o論在什么季節(jié)施工，都必須摻引氣劑來達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的抗凍級別要求，提高混凝土含氣量(4%～6%)是提高混凝土抗凍性能最有效的技術(shù)措施。應(yīng)用抗凍混凝土的工程主要有：水工、港口、橋梁及公路等。
1 抗凍等級和抗凍標(biāo)號
根據(jù)GB/T50082-2009標(biāo)準(zhǔn)，混凝土抗凍性能按試驗(yàn)方法不同，分抗凍等級和抗凍標(biāo)號?？箖龅燃売梅朏表示，而抗凍標(biāo)號是用符號D表示，兩種方法均采用齡期28d的試件在吸水飽和后，檢測其承受反復(fù)凍融循環(huán)下的性能變化?？箖龅燃壥且栽嚰鄬訌椥阅Ａ肯陆抵敛坏陀?0%或者質(zhì)量損失率不超過5%時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定;抗凍標(biāo)號是以抗壓強(qiáng)度損失率不超過25%或者質(zhì)量損失率不超過5%時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定。常用的混凝土抗凍等級有：F50、F100、F150、F200、F250、F300等，分別表示混凝土能夠承受反復(fù)凍融循環(huán)次數(shù)為50、100、150、200、250和300次。
2 影響混凝土抗凍性的因素
影響混凝土抗凍性的主要因素是平均氣泡間距、水膠比、含氣量、骨料和膠凝材料等。
①平均氣泡間距
平均氣泡間距是影響混凝土抗凍性最主要的因素，平均氣泡間距越大，則凍融過程中毛細(xì)孔中的靜水壓力和滲透壓力越大，混凝土的抗凍性越低;一般平均氣泡間隔系數(shù)在500μm以下可獲得高抗凍混凝土。
②水膠比
水膠比越大，混凝土中可凍水的含量越多，混凝土的結(jié)冰速度越快;氣泡結(jié)構(gòu)越差，平均氣泡間距越大;混凝土強(qiáng)度越低，抵抗凍融的能力越差。水膠比在0.45～0.85范圍內(nèi)變化時，不摻引氣劑的混凝土抗凍性變化不大，只有水膠比小于0.45以后，抗凍性才隨水膠比的降低而明顯提高;水膠比小于0.35的混凝土，即使不摻引氣劑，也有較高的抗凍性。
③含氣量
在一定范圍內(nèi)，含氣量越多，混凝土的抗凍性越好。但含氣量超過一定范圍時，混凝土的抗凍性反而降低，原因是含氣量增加在降低平均氣泡間距的同時，降低了混凝土強(qiáng)度(混凝土含氣量每增加1%抗壓強(qiáng)度下降3%～5%)。一般當(dāng)所用的天然骨料的最大粒徑為10～40mm時，使新澆混凝土中的含氣量達(dá)到4%～7%，可獲得足夠的抗凍性。
④混凝土強(qiáng)度
當(dāng)靜水壓力和滲透壓力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土即產(chǎn)生凍融破壞。因此作為表征抵抗凍融破壞能力的混凝土強(qiáng)度對混凝土抗凍性也有影響。當(dāng)含氣量或平均氣泡間距相同時，強(qiáng)度高的混凝土抗凍性高于強(qiáng)度低的混凝土。但相對而言，強(qiáng)度對混凝土抗凍性的影響程度遠(yuǎn)沒有氣泡結(jié)構(gòu)大。
⑤骨料
當(dāng)骨料吸水飽和，受凍后在骨料孔隙和骨料-水泥漿界面產(chǎn)生靜力壓力，超過骨料或界面強(qiáng)度時就產(chǎn)生凍害。因此，影響骨料抗凍性的主要因素是骨料吸水率和骨料尺寸。用吸水率大的骨料(如輕骨料)配制抗凍混凝土更依賴引氣劑的摻入;骨料尺寸越大，受凍后越容易破壞，但細(xì)骨料對混凝土的抗凍性影響不大。此外，骨料的堅(jiān)固性、風(fēng)化程度、粘土含量、雜質(zhì)含量等對混凝土抗凍性也有影響。
⑥水泥品種和用量
水泥中隨混合材摻入量的增加，混凝土的抗凍性降低，因此抗凍混凝土用硅酸鹽水泥配制要優(yōu)于用其它品種的水泥。對于非引氣混凝土，水泥品種和用量對混凝土抗凍性有一定的影響，而對于引氣混凝土，這種影響不大。
⑦混合材
粉煤灰摻量在一定范圍內(nèi)，且強(qiáng)度和含氣量相同的條件下，摻與不摻粉煤灰的混凝土抗凍性基本相同。但當(dāng)粉煤灰摻量超過一定范圍時，會降低混凝土的抗凍性。硅粉摻量不超過10%時，混凝土的抗凍性有所提高，超過15%時抗凍性則會明顯降低。
⑧養(yǎng)護(hù)
混凝土澆筑后的早期養(yǎng)護(hù)對混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體強(qiáng)度有明顯的影響。筆者用C30泵送混凝土，成型150mm的立方體試件進(jìn)行試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果來看，澆水養(yǎng)護(hù)14d的試件抗壓強(qiáng)度平均比不澆水養(yǎng)護(hù)的試件高4.4MPa，28d碳化厚度少1.5～2.0mm;不澆水試件對回彈推定強(qiáng)度的影響更大。充分說明養(yǎng)護(hù)方法對混凝土的抗凍性也有一定的影響。因此，混凝土澆筑后應(yīng)及時采取有效的保濕養(yǎng)護(hù)措施，既增強(qiáng)又防裂，提高混凝土的耐久性。
三 關(guān)于引氣劑
引氣劑的使用延長了混凝土的使用壽命，增加了混凝土的耐久性。
1 引氣劑的定義
在混凝土攪拌過程中能引入大量均勻分布、穩(wěn)定而封閉的微小氣泡且能保留在硬化混凝土中的外加劑稱為引氣劑。
2 引氣劑的貢獻(xiàn)
混凝土中摻加引氣劑后，改善了混凝土的和易性，減少拌合物的離析和泌水，由于氣泡彼此隔離，切斷毛細(xì)孔通道，使水分不易滲入，又可緩沖其水分結(jié)冰膨脹作用，因而可顯著改善混凝土的防凍性、抗凍性、抗?jié)B性和抗腐蝕性等。其改善程度不是百分之幾十，而通常是幾倍，甚至十幾倍地提高，從而大大延長混凝土在受凍融循環(huán)情況下的使用壽命，它對混凝土綜合耐久性的提高起著不可替代的作用。因此，引氣劑是抗凍混凝土和防凍混凝土的重要組分。
3 引氣劑的選擇與應(yīng)用
不同品種的引氣劑不僅影響含氣量而且影響氣泡的質(zhì)量，一般十二烷基磺酸鈉與十二烷基苯磺酸鈉起泡能力強(qiáng)，但泡沫較大，穩(wěn)定性差;烷基醇聚氧乙烯醚的起泡能力強(qiáng)差;而松香皂、松香熱聚物、三帖皂苷能產(chǎn)生大量均勻、穩(wěn)定的微氣泡，因此它們成為首選的引氣劑。
引氣劑的摻量很少，一般為膠凝材料總量的十萬分之幾到萬分之一或二，應(yīng)以混凝土拌合物中含氣量達(dá)到4%～6%為宜，過量摻入，混凝土工作性反而降低，更會對混凝土抗壓強(qiáng)度、抗凍、抗?jié)B、抗碳化性能產(chǎn)生不良影響。引氣劑可與其他外加劑復(fù)合使用，當(dāng)在混凝土攪拌過程中單獨(dú)摻入時，應(yīng)先配成溶液，再稀釋到一定的濃度后摻入。
4 影響混凝土拌合物含氣量的因素
引氣劑含氣量的大小除了本身品質(zhì)以外，水泥和骨料以及混凝土生產(chǎn)、施工中諸因素對其也有明顯影響。
①組成材料
水泥細(xì)度大、含堿量高，含氣量均減少;相同摻量時，硅酸鹽水泥含氣量依次大于普通水泥、礦渣水泥、火山灰質(zhì)水泥;水泥每增加90kg/m3含氣量約減少1%。
粉煤灰有較強(qiáng)的吸附作用，將明顯降低混凝土含氣量，因此當(dāng)要求有較高的混凝土含氣量時，應(yīng)控制粉煤灰的摻量或適當(dāng)增加引氣劑的摻量。另外，礦物摻合料的細(xì)度越大，引氣量越小。
粗骨料直徑大，含氣量則小;卵石比碎石骨料含氣量大。
天然砂含氣量大于人工砂;砂的粒徑范圍在0.3～0.6mm時混凝土含氣量最大，而小于0.3mm或大于0.6mm時，混凝土含氣量都明顯下降;砂率大則含氣量也大，但當(dāng)砂率提高到一定程度時，含氣量的變化就不明顯。
②水膠比
水膠比影響混凝土拌合物的黏度，水膠比低拌合物的黏度大，黏度大的混凝土拌合物將減小含氣量的生成、數(shù)量和質(zhì)量，因而水膠比越小則意味著引氣劑摻量的增加。
③攪拌
機(jī)械攪拌比人工攪拌含氣量大;一般攪拌5min含氣量最大;攪拌時間過長含氣量小，攪拌時間不足含氣量也小;不同的攪拌設(shè)備對含氣量有一定的影響，最佳攪拌時間應(yīng)通過實(shí)際生產(chǎn)攪拌設(shè)備與試驗(yàn)相結(jié)合確定。
④混凝土溫度
混凝土溫度高含氣量損失快，每升高10℃含氣量可減少20%～30%，因此在炎熱夏季施工時應(yīng)適當(dāng)增加引氣劑摻量。
⑤混凝土坍落度
混凝土坍落度對含氣量有一定的影響，坍落度越大則含氣量越高;換而言之，拌合用水增加則含氣量也會增加。
⑥放置與運(yùn)輸
拌合物放置時間和運(yùn)輸時間越長，含氣量損失越大，但不同的引氣劑其含氣量損失有不同。
⑦泵送工藝
通過泵送的混凝土，其泵送以后混凝土含氣量下降，但不同的引氣劑其含氣量損失有不同。
⑧振搗方式
各種振搗方式皆會降低混凝土含氣量，采用插入式振動棒振搗比平板、臺式振動含氣量損失更大;高頻振搗、振搗時間延長都會明顯降低含氣量。
綜上所述，影響混凝土拌合物含氣量的因素較多，而含氣量的確定既要考慮改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高抗凍性、抗?jié)B性等，又要兼顧對混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生的不利影響。因此，配制摻引氣劑的混凝土應(yīng)持慎重態(tài)度，應(yīng)根據(jù)材料、工藝狀況等，通過模擬試驗(yàn)確定引氣劑品種和摻量。
