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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，并在未達到受凍臨界強度以前不得發(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，混凝土的強度發(fā)展不能達到要求。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)谋鼗蛟鰷卮胧浞掷没炷磷陨頍崃炕蛲獠繜崃?如電熱法、暖棚法等)，確?；炷翝仓蟮钠鹗拣B(yǎng)護溫度：嚴(yán)寒地區(qū)不低于10℃;寒冷地區(qū)不低于5℃，使混凝土強度具備正常增長的條件，盡快的獲得受凍臨界強度。
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，提前做好周密計劃和冬施準(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，有條件時最好攪拌、澆筑也在暖棚內(nèi)進行;
④摻入早強劑或防凍劑。
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溫度和入模后溫度，確?；炷翝仓髲姸染邆湔Ｔ鲩L的條件，在未達到受凍臨界強度以前不發(fā)生凍害。
2 關(guān)于早強劑和防凍劑
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，國內(nèi)外許多工程已為此付出了慘重代價。
①混凝土早強劑與組分
能加速混凝土早期強度發(fā)展的外加劑稱為早強劑。在實際使用中，大多為復(fù)配早強劑，無機鹽類對混凝土后期強度不利;氯鹽早強劑會引起鋼筋銹蝕;硫酸鹽早強劑可能產(chǎn)生體積膨脹，使混凝土耐久性降低;鈉鹽早強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)。早強劑過量加入，雖然混凝土早期效果好，但后期強度損失大，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。混凝土早強劑的主要組分有：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)護條件下達到預(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)控制早強組分和防凍組分無機鹽類的摻入量，否則使用不當(dāng)會引起混凝土后期強度倒縮、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)護時，可采用早強劑或早強減水劑;
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度
臨界強度是冬期澆筑的混凝土在受凍以前必須達到的最低強度。
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，當(dāng)室外日平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定低于5℃即進入冬期施工;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)計的混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)值的30%;采用礦渣硅酸鹽水泥配制時，應(yīng)為設(shè)計的混凝土強度標(biāo)準(zhǔn)值的40%;但混凝土強度等級為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，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)進行;轉(zhuǎn)入正溫后，混凝土強度能進一步增長，達到或超過設(shè)計強度要求。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到結(jié)構(gòu)設(shè)計的抗凍級別要求，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，降低了混凝土強度(混凝土含氣量每增加1%抗壓強度下降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到4%～7%，可獲得足夠的抗凍性。
④混凝土強度
當(dāng)靜水壓力和滲透壓力超過混凝土的抗拉強度時，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，強度高的混凝土抗凍性高于強度低的混凝土。但相對而言，強度對混凝土抗凍性的影響程度遠沒有氣泡結(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，但細骨料對混凝土的抗凍性影響不大。此外，骨料的堅固性、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
混凝土澆筑后的早期養(yǎng)護對混凝土結(jié)構(gòu)實體強度有明顯的影響。筆者用C30泵送混凝土，成型150mm的立方體試件進行試驗，從試驗結(jié)果來看，澆水養(yǎng)護14d的試件抗壓強度平均比不澆水養(yǎng)護的試件高4.4MPa，28d碳化厚度少1.5～2.0mm;不澆水試件對回彈推定強度的影響更大。充分說明養(yǎng)護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)護措施，既增強又防裂，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
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，但泡沫較大，穩(wěn)定性差;烷基醇聚氧乙烯醚的起泡能力強差;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)通過實際生產(chǎn)攪拌設(shè)備與試驗相結(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放置與運輸
拌合物放置時間和運輸時間越長，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，通過模擬試驗確定引氣劑品種和摻量。
