防冻剂对混凝土抗冻性的影响

引言

近年来，随着我国高速公路的不断发展，工期不断缩短，混凝土结构在冬期施工以非常普遍。混凝土在未达到应有的强度，混凝土内部还有一定的水，而这些水中含有自由水，在环境温度达到水的冰点后，促进水相转变成冰，导致混凝土中的水分重新分布和冰夹层的形成，致使混凝土骨料与水泥石界面粘聚力下降，引起体积膨胀，导致混凝土的早期受冻。而防冻剂作为混凝土避免早期受冻的重要组分，已被广泛应用到混凝土冬期施工中。

1.防冻剂的作用机理与原理

1.1防冻剂的作用机理

（1）根据乌拉尔定律。从研究中可以发现，混凝土拌合物材料的液相冰点的降低程度与防冻剂的摩尔浓度存在直接的关系，通过采取降低冰点的方式来确保材料处在负温度下混凝土结构内的水泥直接转化成为液态水，这是进行冬季环境施工应用防冻剂的作用机理。

（2）冰晶畸变理论。纯水在0℃时会结冰，因为氢键作用使得内部水分子聚合为分子集合体，冻胀能力会显得比较强。在加入防冻剂之后的水溶液，如果温度低于0℃就会有冰析出，而防冻剂的存在会给氢键造成较大的干扰影响，所析出的冰晶体细小且呈现出絮状，此时就可以形成液相水同时存在，从宏观角度上看边角轻松，冻胀应力也会明显的降低。

（3）液灰比平衡理。在混凝土材料中加入防冻剂之后，温度持续下降到液相冰点的时候，就会有冰结晶体的析出。在负温度之下，由于析冰现象的发生而导致溶液浓度的增加，在新的温度之下会达到平衡的状态中，这就是冰液共存状态，混凝土结构内容依然存在液态水的形式，要想使得混凝土才能够持续液化，防冻剂的含量并不会发生变化，按规定温度之下的液相溶液也会保持不变，水泥水化反应之后所消耗的会会由冰化为水供应，也就是达到液灰比平衡。

（4）成熟度理论。水泥材料水化的过程中，内部会出现比较复杂的化学、物理变化，极易因为温度的作用而产生影响。规定配合比参数的混凝土材料，结构强度与养护温度、时间等存在着函数的关系，如果养护时温度比较低，水化反应速度下降，结构强度严重下降。

1.2防冻剂的防冻原理

防冻剂的作用机理直接受到其内部组成成分的影响，目前应用比较普遍的是如下几种：①减水成分。能够适当的降低拌合过程的水分加入量，可以大大减少移动冰的总量，可以避免冻胀的发生。同时，减水成分分散之后能够析出大量水，消除劣质水泡，可以直接把大颗粒转化为小颗粒的晶体结构，可以有效的降低冻胀压力；②引气成分。将微米级的小气泡直接融入到混凝土材料中，一方面能够有效的清除、切割有害孔道，避免冻胀过程的裂缝扩散严重；另一方面，通过引入大量气泡而发生膨胀反应，气泡能够吸收膨胀应力，也能够降低冻害的发生。混凝土在引入气体时，能提升其耐久性、抗冻胀和能力；③早强成分。在施工环节，混凝土强度达到规定强度后才能进行后续施工。混凝土终凝过程，需要避免外部荷载过大而导致结构损坏。而防冻剂的关键作用就是能够加速混凝土凝结，可以在最短时间内就能够达到抗冻临界强度，硬化速度大幅提升，能够避免其结构损坏；④防冻成分。根据需要加入一定量无机盐，作用原理如下所示：防冻组份（以2%NaNO2为例）的溶液冰点可以下降到-1.5℃，在温度达到该温度之后，孔隙内部因为存在冻侧游离水就会进行结冰反应，冰体内NaNO2部分析出，而剩余未结冰的水中含有NaNO2的浓度会有所增大；温度在下降之后，其他的游离水还会持续的结冰，剩余游离水浓度也会增大，在整个反应过程中，直到达到NaNO2的最低共溶点，游离水全部都能够形成冰。

防冻剂的防冻机理和原理是多种效果之下共同形成的，而防冻剂并不是加入之后就能够产生更好的效果，必须要考虑到具体的施工情况，因此，选择符合工程需要的防冻剂才能提升混凝土的抗冻性。

2.如何正确使用防冻剂

2.1使用温度

任何防冻剂都有其所使用的范围，需要根据需要选择合适的种类。但是该温度并不是一个准确的数据，必须要综合工程条件、施工环境等因素确定。防冻剂应用温度与抗冻临界强度要联合起来应用，在达到防冻剂的应用温度之前，应该保证混凝土强度能够大于抗冻临界温度，从而可以提升使用效果，避免结构损坏的情况出现。混凝土可以使用的温度越低，就表示其防冻剂的效果更好，混凝土可以在较长时间内达到强度要求，可以大大提升临界抗冻强度性能。

当前我国的所用的混凝土防冻剂一般使用温度为-10℃～-15℃之间，如果要想再次降低使用温度，防冻剂的配方设计难度会更高，并且还会存在更多的不确定影响因素。因此，并不是一定需要防冻剂的应用温度就要低于施工环境的最低温度，最终重要的是在温度高于防冻剂的使用温度时就能够达到临界强度性能。

2.2采取覆盖保温措施

混凝土浇筑完成后，必须辅以一定的覆盖保温措施，减缓水化过程中产生的热量的散失，保证混凝土的内部温度，实现混凝土的正常水化。同时，对混凝土的保温隔热，也在一定程度上延缓了混凝土接触负温的时间，保证混凝土的强度正常发展，以在接触负温时达到必要的临界抗冻强度。常用的保温方式有：利用苯板或挤塑板等保温板对结构模板进行保温改造，混凝土浇筑顶面覆盖棉被和土工布等。

2.3搞好施工组织

只有充分的做好搅拌、振捣等环节的工作，才能体现出防冻剂的使用效果。搅拌时间延长30min能够使得材料的搅拌更加的均匀，充分的混合防冻剂以提升材料性能，消除事故问题。再者，防冻剂的应用具备最佳搅拌时间与振捣时间，如果过度搅拌或者振捣会导致引起量的降低，而如果搅拌或者振捣不足，会导致内部存在大量的气泡或者材料不均匀造成材料性能的下降，影响防冻效果，此外，搅拌站还要根据需要设置保温装置，严格限定运输距离，确保各个环节都能够顺利的进行，各个工序衔接更加顺畅，可以有效的提升混凝土的入模施工温度，可以有效的延长正养护的时间，使得混凝土材料尽快达到抗冻临界温度参数。

3.结语

混凝土防冻剂是一种非常重要的组成成分，对于结构性能产生直接的影响，所以需要深入研究其应用条件。近年来，西方国家开始加大力度进行混凝土防冻剂的研发与应用，对于硫氰酸盐的研究比较深入，美国材料试验协会（ASTM）发布了一些标准。在防冻剂的评价与选择方面需要综合多种因素，不能只考虑到降低冰点。因此，混凝土防冻剂被大量应用，其理论和实践体系更加的完善。

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