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如何确定混凝土防冻剂的掺量

来源:石家庄市海森化工有限公司_【官网】  日期:2016-11-03 09:00:00  属于:产品技术
标签:防冻剂
文章摘要:本文指出了当前确定混凝土防冻剂掺量的不合理之处,经研究提出了以混凝土水灰比、水泥品种、环境温度为主要参数的确定混凝土防冻剂掺量的简易公式,已将其用于指导生产实践并取得良好的经济效益。
1引言

目前混凝土防冻剂的掺量多是依据使用时的环境温度和混凝土外加剂生产厂家提供的参考用量来确定,虽然使用方便,但对确定混凝土防冻剂掺量是不够合理的,因为它并未考虑到混凝土的设计强度、水泥品种等因素对混凝土防冻剂掺量的影响。例如,设计强度等级较高的混凝土,因其水泥用量大,必然产生较高的水化热,能在较短时期内达到抗冻临界强度,理应降低混凝土防冻剂的用量才对,因混凝土防冻剂使用说明书并未考虑混凝土强度对防冻剂掺量的影响,反而多加了防冰剂,这样做不仅会造成浪费,有时还会造成混凝土的凝结时间过长,易使混凝土中的钢筋锈蚀和产生碱骨料反应,而且对混凝土由负温度养护转入正温度养护的后期强度增长也十分不利。

混凝土外加剂应用技术规范(GBJ119一88)第7.1.7条及第7.1.8条中规定,混凝土防冻剂的掺量及品种应根据其施工温度通过试验确定。但确定混凝土防冻剂掺量所需的时间太长,不能及时指导现场施工,有时还会增加试验工作量甚至会造成试验失败而影响施工。所以寻求一个简易可行的计算公式来确定混凝土防冻剂掺量是十分有意义的。

2关于确定混凝土防冻剂掺量的理论依据

如何简便地确定混凝土防冻剂掺量?这对于指导冬期混凝土施工是一个急待解决的问题。为此首先需从理论上加以探讨,最早的混凝土的抗冻机理可以用冰点理论解释,即水溶液的冰点降低与其电解质浓度成正比,如早期的混凝土防冻剂主要是食盐等电解质物质,但该理论不能适应于一15℃以下的负温情况,若按冰点理论计算则需加入太多的食盐才能保证混凝土具有足够的抗冻能力。其次是以水灰比为基础的液灰比说,认为混凝土的抗冻能力与溶液和用灰量比有直接关系。对应的确定防冻剂掺量的计算公式为:
由于这个公式中的许多参数不容易确定所以使用十分不便,也需要较高的防冻剂掺量才能从理论上确保混凝土具有足够的防冻和抗冻能力,这一点与实际不符。当前能被多数人所接受的是临界强度理论,如在混凝土结构工程施工及验收规范(GB50204一92)中注明,冬季负温度条件下浇筑的混凝土在受冻前,混凝土不得低于下列规定,“硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥拌制的混凝土为设计混凝土强度标准的30%,矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土为设计混凝土强度标准的40%,在掺用防冻剂的混凝土当温度降到防冻剂的规定温度以下时,其强度不应小于3.5一5.OMaP”,即混凝土达到了某一个强度值时(即临界强度),就具有一定的抗冻能力了,从此以后低温不会再对混凝土造成永久性损害,在气候转暖后,强度会继续升高,甚至有时可能达到比经高温养护的混凝土极限强度还高的强度。
临界强度理论固然很实用,却不能反映混凝土硬化初期抗冻的本质,易使人误认为混凝土达到该强度值就会抵抗水变成冰的相变体积膨胀所形成的破坏应力,实质上根本不是这么一回事。在冬季有水的铁管都能冻裂,更何况抗拉强度很低的混凝土了,混凝土之所以具备一定的抗冻能力应由抗冻临界结构理论来说明。该理论认为在水泥水化到一定程度时,混凝土中所含的水一部分用于水泥水化,余下的一部分水称自由水,存在于混凝土粗的孔隙中,自由水在低温时可结冰阻止了水泥水化,产生的相变体积膨胀使混凝土结构遭到永久性破坏。另一部分水存在于混凝土细的毛细管(D蕊500人)内和水泥水化产物中称为细毛细管水和凝胶水,由表面物理化学可知即使是这种状态的纯水在环境温度低于一30℃时也不会结冰,更何况是加入了防冻剂的溶液了。由于低温时毛细管中的水和凝胶水依然是以液态形式存在,故水泥水化过程可以继续进行,只是强度增长缓慢而已,在负温条件下混凝土强度仍然能不断增长,这一点已被大量的试验和工程实践所证实。
为什么混凝土细毛细管中的水和凝胶水即使在低温时也不结冰呢?可以从微观结构上加以说明,水结冰的本质是水分子从无序的液态转变为有序的固态-冰的过程,防止水一冰的相变有两种途径,(1)掺入杂质,如加入各种无机盐像食盐或加入有机物像酒精等物质干扰水分子排列降低冰点。(2)使水分子准有序地排列但远不是冰的结构。水泥的各种水化产物均具有亲水性和巨大的比表面积,而水分子是极性分子可以被准有序地吸附在细毛细管内壁和各种水化产物内部,随着温度降低吸附的最增大,即准有序的范围加大。如果混凝土中的水大部分都以这种形式存在,就形成了所谓的抗冻临界结构。为使混凝土具有早期抗冻能力,就应尽快形成抗冻临界结构。从上述分析可知,防冻剂应由这样一些组分所组成,(1)降低冰点的组分,(2)具有减水功能的组分,细化毛细管孔径有利,(3)促进水泥水化的早强组分,(4)具有高比表面积的可激发水泥水化的活性混合材,如:硅灰、硅藻土、水泥晶种等有利于形成耐冻的微孔结构,这一点可为研制新型混凝土早强防冻剂提供一个新的技术路线。所以说抗冻临界结构的形成不但取决于混凝土防冻剂的掺量和品种,还取决于水泥的性质、混凝土的水灰比、环境温度、养护条件、减水剂的性质和用量、混凝土混合材,混凝土构件的体积、形状、使用的模板等许多因素。

3确定混凝土防冻剂掺量的计算公式

由于混凝土防冻剂掺量是水泥的品种、水泥的用量、水灰比、环境温度、养护条件、减水剂的性质和用量、混凝土构件的体积、比表面积、形状、使用的模板等诸多因素的函数。用数学形式可表示为:

混凝土的防冻剂掺量=f(数学符号)(水泥的品种、水灰比、环境温度、养护条件、减水剂的性质和用量、混凝土构件的表面系数等)

其中与混凝土防冻剂掺量成正比的因素有:水灰比、环境的负温度值、混凝土构件的表面系数等。
与混凝土防冻剂掺量成反比的因素有:水泥用量、减水剂的减水率等。
考虑到有些因素容易用数字描述如水灰比、环境温度,而另一些因素如养护条件等不容易用数字描述而且施工单位技术人员难以掌握,经一定的假设进一步简化整理提出了计算混凝土防冻剂掺量的公式为:
虽然公式(2)十分简单,但是否可行呢?有人研究证明了混凝土中的防冻剂水溶液结冰量(工)达到40%一50%对混凝土长期强度不会产生不良影响,若按I=50%由公式(1)计算在混凝土中指定的负温条件下防冻剂掺量公式为:
用公式(3)计算将防冻剂亚硝酸钠和碳酸钾的掺量与混凝土养护温度和水灰比的关系列入表1。

从表1中不难看出不同防冻剂的防冻剂掺量系数只与环境温度有关,与混凝土的水灰比基本无关,这样给我们提供了一个方便,只要给出不同养护温度时的防冻剂掺量系数,试验技术人员或施工技术人员可以根据实际的水灰比和采用的水泥品种大致估算防冻剂的掺量。

4  确定混凝土防冻剂掺量的试验和实践

结合长春某工程的具体情况,在试验的基础上,验证上述混凝土防冻剂掺量计算公式是否可行。
试验所用的原材料情况如下:
河砂;细度模数Mx=2.75,含泥量2.2%
碎石:最大粒径dmax二31.smm,含泥量0.n%
水泥:吉林松江散装525普通硅酸盐水泥,其细度为5.6%,28天抗压强度为56.2MPa。
混凝土防冻剂:ZK系列,掺量见表2。

高效减水剂:HZ一1型,减水剂(液体)的减水率为17%o
对混凝土配合比的要求是泵送C30及泵送4C0,环境平均温度为一10℃,其基准配合比如表3所示。

试验过程为:
①按照常温普通混凝土进行初步配合比计算。
②依据公式(2)估算防冻剂用量。首先确定防冻剂掺量系数K,考虑普通防冻剂试验多是按q。混凝土强度等级设计水灰比是0.56,一10℃时该防冻剂掺量系数K=6.5一(o.56xlo)=1.16,所以几。混凝土防冻剂用量二1.16x10x0.5=5.8,qo混凝土防冻剂用量二1.16x10x0.39=4.5。
③按选定的混凝土配合比进行试拌,测定混凝土坍落度、表观密度及温度,制成试件分别在不同养护条件下养护后测试它们的强度,其结果如表4所示。
从表4可知:q。混凝土掺4.5%zK一1型防冻剂,可保证混凝土在天气转暖后恢复其强度增长。但考虑工程中有许多不利因素,如工程的许多部位很难围护而直接暴露在寒风之中,如楼梯,柱头等处,为更稳妥起见,决定在仅覆盖一层塑料薄膜的情况下掺入KZ一1防冻剂5%、比厂家说明书少加1.5%的防冻剂,控制混凝土浇筑温度)5℃,实测平均值8℃。在整个冬期施工中共完成4000多立方米混凝土的浇筑任务,最低温度为一17℃,节省了防冻剂33吨,节约资金5万多元,而且同条件养护的混凝土试件全部合格,天气转暖后拆模检查,冬季施工的混凝土没有发现任何部位有受冻的迹象,达到了预期目的。

5结论与建议

(1)混凝土防冻剂的掺量不仅应与施工时的温度有关,还取决于混凝土的水灰比、水泥品种等许多因素。
(2)本文提出的计算混凝土防冻剂掺量公式是方便可行的,以后应进一步试验以确定矿渣水泥对防冻剂掺量的影响,即确定系数日的数值。
(3)建议混凝土防冻剂生产厂家,应根据本厂防冻剂的性质,在防冻剂使用手册中提供不同温度下的混凝土防冻剂掺量系数,便于指导冬季施工。


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