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混凝土防冻剂的原理及应用

来源:石家庄市海森化工有限公司  日期:2016-09-29 09:00:00  属于:产品技术
文章摘要:综述混凝土冬期施工理论,分析防冻剂的组成成分、作用机理以及应用实例。提出防冻剂掺量以用水量为基准,并可以根据温度调整防冻剂的掺量和对应高效减水剂的掺量。
1 混凝土冬期施工理论综述
混凝土防冻剂的原理及应用
1.1 混凝土的早期冻害机理
新浇筑的混凝土在未达到一定的硬化程度之前,混凝土中的自由水冻结,伴有9%的体积增加,产生很高的内应力,使混凝土中的孔隙尤其是毛细孔大量增加,致使混凝土强度及耐久性降低。混凝土结构中较低的温度区域具有较低的分压,水分向低温区迁移,导致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接力下降。由于负温、低温下水泥水化缓慢,以及水分外转移引起混凝土表面干燥开裂。
1.2 防冻剂的作用机理
(1)根据乌拉尔定律,混凝土拌合物中液相冰点的降低程度,与防冻剂的摩尔浓度有关,降低冰点,保证在一定负温下混凝土中水泥水化所需的液态水,这是冬期混凝土施工使用防冻剂的基础。
(2)冰晶畸变理论:纯水在0℃时结冰,由于氢键的作用,水分子聚合成巨大的分子集合体,冻胀力很强。掺入了防冻剂的水溶液,在温度低于冰点时开始有冰析出,由于防冻剂分子对水分子间氢键的干扰作用,析出的冰晶细小且呈絮状结构,并与液相水共存,在宏观上表现为非常松软,冻胀应力大大下降。例如Na2SO4、NaNO2、Ca(NO3)2等降低冻胀力的能力都很强。
(3)液灰比平衡理论:掺防冻剂的混凝土拌合物,在温度下降到混凝土中液相的冰点时开始析冰。在一定负温下,液相由于析冰而浓度增大,冰点降低,在新的负温下达到新的动态平衡,即冰液共存状态,在混凝土中仍有液态水存在,保证水泥能够继续水化;防冻剂在混凝土中的量不变,在一定温度下液相的浓度也不变,水泥水化所消耗的水由冰的融化来补充,即液灰比平衡。
(4)成熟度理论:水泥的水化过程是复杂的化学变化和物理化学变化过程,受温度的影响非常显著。一定配合比的混凝土,其强度是养护温度和养护时间的函数。养护温度低时,水泥水化速度慢,混凝土强度低。例如在20℃时成熟度系数为1,在-10℃时成熟度系数只有0.12。
1.3 冬期施工理论的应用
由于冰晶畸变理论和液灰比平衡理论的提出,对防冻剂的认识已由“防止混凝土中的液相结冰”上升到“混凝土冬施掺防冻剂的目的,不仅在于降低混凝土中液相的冰点,更主要的是在负温下为水泥的水化反应提供液态水,并且允许混凝土在初始养护阶段,有一定数量的冰存在”。在新拌混凝土中初始成冰率在40%~60%范围内,可以保证混凝土的质量,混凝土结构不受损害,这就使防冻剂的用量大为降低。
防冻剂的掺量取决于以设计冰点决定的混凝土液相的浓度,其掺量应以用水量为基准,而不应以水泥用量为基准。文献[4]推荐防冻剂掺量以防冻剂掺量系数和水灰比来确定,根据水灰比的变化而调整,仍是以水泥用量为基准。如果由水灰比和水泥用量换算为以用水量为基准的掺量,则不论水灰比大小,其数值是相等的,说明以用水量为基准,是确定防冻剂掺量的实质。设计冰点的确定,以1~3d内当地天气预报的最低气温为参考,尤以混凝土浇筑当日最低气温为关键。
防冻剂掺量公式:A=C(1-i)W。式中,A为防冻剂掺量;C为设计冰点防冻剂的浓度;i为计划初始含冰率;W为每方混凝土用水量。由上式可以确定一种或几种防冻组分的掺量,各单组分复合使用,对冰点的降低具有加和性。常用的能较强降低冰点的物质有NaNO2、NaNO3、K2CO3、CO(NH2)2、Ca(NO3)2等。
成熟度理论提出,在混凝土冬期施工中,应加入催化早强剂。在混凝土防冻剂中除防冻组分外,往往复合有早强组分和减水组分。
1.4 防冻剂中减水组分的作用
混凝土中的水泥水化实效水灰比只有0.25左右,该数值的大小与水泥矿物组成及含量有关,因为水泥中不同矿物完全水化所需水量不同。对于混凝土,由于水泥不能完全水化,则实际需水量会更低,多余的拌合用水主要用来满足混凝土的工作性,这些水分在硬化混凝土中形成毛细孔隙,使混凝土强度及耐久性降低。防冻剂中的减水组分尤其是高效减水剂,大幅度地减少了拌合用水量,一方面可减少防冻剂掺量,降低其副作用,另一方面,由于高效减水剂对水泥颗粒的分散作用,使得水泥水化形成的凝胶体分布均匀,结构致密,同时也改善了冰晶存在的状态,进一步减弱了冻胀应力。
2 应用实例
2.1 防冻剂的选择
洛阳涧河桥主桥分三跨,每跨72m,采用C40钢管混凝土彩虹拱与C50预应力混凝土系梁组合承重结构,C50预应力混凝土系梁及中横梁为冬期施工,其间最低气温-10℃。选用FDN-D15型防冻剂,该防冻剂是由无机材料和有机材料复合而成的新型混凝土防冻剂,具有防冻、早强、减水的功效。其主剂是NaNO2,降低冰点的效果较好,NaNO2同时又是一种阻锈剂,当溶液中有亚硝酸根离子并当亚硝酸钠与氯化钙的比例不小于1比1时氯离子的侵蚀作用即可防止。早强组分是硫酸钠或二水石膏,减水组分是FDN,适用于钢筋混凝土。
C50泵送混凝土所用原材料及配合比如下:水泥,洛阳水泥厂生产的黄河牌P.O型525R水泥,实测强度为59.9MPa;细集料,河砂,细度模数为2.70,含泥量小于2%;粗集料,石灰质碎石,强度符合要求,5~31.5mm,连续级配;掺和料,首阳山电厂风选Ⅰ级粉煤灰,45μm方孔筛筛余2.4%,烧失量1.2%,需水量比89%,SO3含量0.73%,含水量远小于1%;外加剂,选用高效减水剂FDN,防冻剂FDN-D15。
C50泵送混凝土配合比参数及性能如下:水泥为425kg;掺和料为90kg;细集料为680kg;粗集料为1020kg;FDN为5.15kg;水为180kg;砂率为40%;水胶比为0.35;坍落度为180mm;fcu3d为40.1MPa;fcu7d为51.9MPa;fcu28d为60.4MPa。
该配合比混凝土坍落度180~200mm,扩展度480mm,粘聚性和保水性良好,无离析和泌水现象,可泵性良好。由于掺入了优质粉煤灰,水泥用量较少,降低放热峰和延迟放热峰出现的时间,进一步改善了混凝土的耐久性能。
2.2 防冻剂FDN-D15掺量的确定
由于FDN-D15为复合防冻剂,在设计冰点时的初始浓度未知,不能按公式计算得出其掺量。通过室内试验找出不同负温下成冰率在60%时各对应浓度,确定防冻剂的掺量。具体方法是:在几个小的塑料软杯中,各加入100ml热水,配制几个连续不同浓度的防冻剂溶液,置于低温箱中,先把温度设定为-5℃,待温度稳定一段时间后,用玻璃棒将析出的冰搅碎,将冰液混合液在低温箱内快速抽滤(事先将锥形漏斗和滤网一起放入低温箱中),称量出冰的质量,找出温度为-5℃时成冰率约为60%的防冻剂浓度为7g/100g水。同样找出-10℃时成冰率约为60%的防冻剂浓度为11g/100g水。根据在小范围内防冻剂掺量与负温温度近似成线性关系,用内插法计算出不同负温下,每方混凝土在不同负温下对应的防冻剂掺量见表1。
2.3 高效减水剂FDN掺量的调整
防冻剂FDN-D15中,含有一定量的FDN,对于单掺FDN-D15的普通混凝土,减水率可达10%左右,对于C50泵送混凝土,其减水率还远远不够,需要对原高效减水剂FDN的掺量进行调整。保证混凝土拌和物工作性不变,以跳桌试验[6]达到相同砂浆扩展度为准,找出各负温下对应的FDN掺量。
2.4 凝土的浇筑与养护
混凝土搅合采用二阶式简易搅拌站,除外加剂外均为自动计量,使用2台单卧轴强制式搅拌机,搅拌机容量2×500L,1台三一重工HBC-50型混凝土泵。一般在晴天浇筑,每个系梁约180m3混凝土,8~10h即可完工。经两道抹面后,混凝土表面贴塑料膜密封。
混凝土冬期施工养护的关键是蓄热、保温和防止失水[7]。系梁或中横梁混凝土上表面用塑料膜密封后,覆盖帆布帐篷起到防风和蓄热保温作用。混凝土强度高,水泥用量较大,体积较大,表面系数较小,不再需要特别保温措施,根据天气情况,一周内拆摸,继续覆盖,白天正温时喷水养护,夜间、负温时不许喷水。
3 结语
洛阳涧河桥C50泵送混凝土冬期施工,防冻剂的掺量,以初始成冰率60%计算,仍然是安全的。首先,掺防冻剂后,冰的冻胀应力大大减小;其次,混凝土浇筑是在正温下进行的,入模温度为正温,C50泵送混凝土胶凝材料用量较多且水泥初期水化速率较快,消耗部分水,防冻剂浓度增大,冰点降低;再次,水泥矿物及水泥初期水化物溶解于液相中,与防冻剂降低冰点的作用具有加和性。掺防冻剂混凝土的试件,不论是标养还是同条件养护,全部评定合格,混凝土系梁或中横梁也未发现有受冻迹象,说明外加剂的掺加与调整方法是正确的,达到了保证质量的目的。

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