混凝土防冻剂的配置和应用

在1991年召开的国际混凝土耐久性会议上，Metha教授指出冻害所造成的混凝土结构破坏仅次于钢筋锈蚀所造成的混凝土结构破坏，高居造成混凝土破坏原因的第二位，冻害已经严重影响到混凝土结构的耐久性。

混凝土的冻害分两种，一是已经充分硬化的混凝土经受正负温度交替变化产生冻害，二是混凝土早期受冻发生冻害。其中，混凝土的早期冻害主要是由于新拌混凝土未达到临界抗压强度之前混凝土中尚未参与水化反应的游离水结冰体积膨胀，而此时水泥尚未充分水化，起缓冲调节作用的胶凝孔尚未完全形成，从而造成混凝土冻胀破坏。此外，混凝土的凝结硬化过程也因为拌和水的结冰而中断，使得水泥的微观结构形成过程受阻，从而造成混凝土内部结构严重受损，产生不可恢复的强度损失。

目前， 在改善新拌混凝土抗冻害性能方面，除了注重新浇筑混凝土的保温养护等措施外，主要依靠添加混凝土防冻剂来增强新拌混凝土的抗冻性。现在市面上常见的混凝土防冻剂主要由防冻组分、早强组分、引气组分、减水组分等四部分构成，各组分的具体作用机理如下:

1、防冻剂各组分及其防冻机理

1.1 防冻组分

防冻组分的主要作用是显著降低混凝土中液相的冰点，令混凝土在负温状态下，内部未水化的拌和水依旧保持为液体状态，让水泥的水化反应得以继续进行，维持混凝土的强度增长速度。同时，防冻组分与拌和水混合共溶后显著降低了混凝土中游离水的冰点，避免了混凝土中冰晶的形成，使其无法产生冻胀应力，防止了冰晶对混凝土结构造成的冻胀损害。目前常用的混凝土防冻组分主要有醇类和部分无机盐类。通过王曦东、王淑敏等人的研究，在低温状况下，水泥的水化速度虽较常温有较大幅度降低，但是防冻组分的加入使得混凝土在连续降温过程中始终有一定的液相水参与水泥的水化。

1.2 早强组分

混凝土防冻剂中的早强组分可以加快水泥的水化速度，加速混凝土的凝结硬化，降低了混凝土内部游离水的数量,减轻了游离水发生冻害的几率。同时，早强组分的加入能够使混凝土尽快达到抗冻临界强度。混凝土的抗冻临界强度是指当混凝土达到某一强度值（临界强度），就可以具有一定的抵抗强度，低温不会再对混凝土造成伤害。通过李文斌等人的研究得出，掺加具有早强组分的防冻剂可以保证混凝土在低温状态下尽快达到临界受冻强度，增强了混凝土的抗冻性能。

1.3 引气组分

混凝土中引气剂形成的互不连通的微细气孔起到“缓冲器”的作用，吸收冰晶膨胀应力起到减压作用。在混凝土受冻结冰过程中，这些孔隙可以阻止或抑制水泥浆中微小冰体的形成。影响混凝土抗冻性的关键因素在于引气剂引入气泡在水泥石中均匀分布的程度，即气泡的间距大小和数量，而不是总的引气量。

1.4 减水组分

水灰比直接影响混凝土的孔隙率及孔结构。水灰比较小时，混凝土硬化后密实度高，存在于混凝土内部的可冻游离水减少，抗冻性能提高。随水灰比的增加，不仅饱和水的开孔总体积增加，而且平均孔径也增加，在冻融过程中产生的冻胀压力和渗透压力就大，混凝土的抗冻性就会降低。防冻剂中的减水组分，可以减少拌和用水量，从而减少游离水总量，从根本上减少可冻冰的含量，消除冻胀内因。通过减水组分的分散作用，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，减轻冻胀压力。

2、防冻剂的复配注意事项

目前,混凝土生产企业多直接使用复配了防冻、早强、引气、减水等组分的复合防冻剂，不仅可以减轻混凝土生产企业的劳动力投入，同时也有利于防冻剂自身和混凝土生产的质量控制。防冻剂的复配虽然是将几种组分混合，但是还是应该从以下几个方面加以关注:

1）防冻剂复配过程中应该注意所引入的水分量。若防冻剂中用水量高，有效组分低，则容易引起防冻剂自身结冰，所以应优先选用高浓度产品。

2）注意控制防冻、早强组分中部分无机盐的用量。因为很多无机盐既是防冻剂又是促凝剂，用量过多不仅影响复合防冻剂的减水率和混凝土的保坍性，而且对混凝土结构的耐久性也有较大影响。

3）注意确定合适的无机盐类防冻、早强组分，避免在低温状态下结晶沉淀，堵塞管路，影响混凝土生产。

4）使用有机物作为防冻组分时,掺量不宜过大，否则会影响到混凝土的后期强度。

5）控制好防冻剂中的氯离子含量和碱含量，防止对混凝土的耐久性造成影响。

总之，防冻剂的复配不是简单地将几种不同组分混合在一起，应当通过实验验证各种成分复合后的效果是叠加还是相互抵消，同时应该根据混凝土原材料、配合比、技术要求等情况，充分考虑各组分对混凝土性能的影响。

3、防冻剂对混凝土性能的影响

3.1 新拌混凝土工作性

多数防冻剂尤其是早强型防冻剂，会加速水泥熟料矿物的水化反应速度而使得液相变黏稠，因此防冻剂的加入可以改善负温条件下混凝土的泌水现象。早强型防冻剂会缩短混凝土的凝结时间，有利于混凝土在负温条件下的凝结硬化，但是在长距离运送的商品混凝土中应该谨慎使用。

3.2 强度

根据杨英姿等8 人的研究，负温环境下，受冻对砂浆、水泥石内部结构所造成的损伤小，但是对混凝土会造成混凝土的前期强度和后期强度，这主要是因为新拌混凝土成型时，由于振捣混凝土中的部分水集中在粗骨料的底部形成水囊。当新拌混凝土受冻时，由于水的相变产生膨胀，造成粗骨料与水泥砂浆的“脱黏”，即使转入常温后也不能很好地愈合，强度呈现较大的损失。当掺入防冻剂后,由于减水(减小水灰比，即减小了水膜层的厚度)、引气(缓解冻胀应力)、早强(促进早期结构形成)、防冻(降低液相冰点)等综合作用，使负温下混凝土内部结构的破坏大大降低，故在负温及负温转常温条件下，掺防冻剂的混凝土强度均显著高于基准混凝土。由此可见，防冻剂的重要作用在于改善了负温混凝土的界面过渡区。

4、防冻剂的使用注意事项

混凝土所使用的防冻剂应该根据具体的温度波动情况及时地调整防冻剂的掺量，保证防冻剂的防冻和早强效果。防冻剂的掺量应该控制在一定的范围内，因为防冻剂中部分防冻和早强组分直接参与到水泥的水化过程，若是防冻剂用量过多会影响到混凝土结构的耐久性能。因此，若是温度过低超出防冻剂的应用范围后，还是应该注意新浇筑混凝土的保温养护措施，避免对混凝土造成冻害。

5、总结

防冻剂中各组分会从不同角度改变混凝土的抗冻害性能，防冻剂的合理使用可以有效地减轻混凝土早期病害现象的发生，明显提高冬季施工的施工速度和混凝土的早期强度，起到缩短工期、提高工程质量的效果。

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