防凍劑對高寒地區(qū)干硬性混凝土力學性能的影響

鄧旭艷，茍萬康，丁 慶

(1.中國電力建設集團有限公司西南指揮部，四川 成都 610000；2.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610000；3.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

針對某工程地處高原高寒地區(qū)，全年中有5個月氣溫低于0 ℃、有8個月氣溫低于5 ℃，冬季最低氣溫處于-15～-20 ℃、最高氣溫處于10～15 ℃，晝夜溫差大。混凝土施工期受凍融破壞是該工程亟需解決的關鍵問題，摻防凍劑是冬季施工保證混凝土質(zhì)量的主要手段。

普通混凝土受凍后，內(nèi)部結構受到破壞，強度損失較大，但摻入防凍劑后，強度損失則變得很小。這一現(xiàn)象與防凍劑具有降低冰點、促進硬化、降低抗凍臨界強度(混凝土抵抗凍害的最小強度)的功能有關[1-3]。換言之，由于防凍劑可降低混凝土中孔溶液的冰點，混凝土在負溫下也可以進行緩慢的水化，盡快形成混凝土孔結構，并具有一定的早期抗凍強度。如巴恒靜等[4-5]研究表明，在-15 ℃下，摻入3%～5%(占膠材用量，下同)的防凍劑可降低混凝土25%～28%的抗凍臨界強度；對哈爾濱地區(qū)-3～-26 ℃自然變負溫條件下，對摻與不摻防凍劑的混凝土性能進行了研究，結果表明，摻3%防凍劑混凝土各齡期強度比不摻防凍劑時提高20%以上。江守恒等[6]研究了摻與未摻防凍劑混凝土預養(yǎng)不同時間凍融后相對動彈模變化，結果表明，摻加防凍劑比未摻防凍劑的混凝土提前48 h達到抗凍臨界強度。

面對高原高寒地區(qū)低平均氣溫、高頻凍融、干燥的復雜自然環(huán)境和工期緊張的施工條件，針對用水量少、水膠比低(0.38～0.42)、維勃稠度4～10 s的干硬性混凝土，在摻加了防凍劑之后其最終性能能否滿足設計要求，值得進一步研究。

1 試 驗

1.1 原材料

水泥：PO42.5低堿水泥。水泥比表面積為325 m2/kg，28 d抗壓強度為50.2 MPa，28 d抗折強度8.5 MPa。

細骨料：機制砂，細度模數(shù)為3.0，屬中砂。

粗骨料為花崗質(zhì)初糜棱巖碎石，分為3種粒徑：小石(5.0～10.0 mm)、中石(10.0～20.0 mm)和大石(16.0～31.5 mm)。小、中、大石按1:2:7比例混合，獲得的合成級配符合MH 5006—2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規(guī)范》[7]的粗骨料上下限要求。

外加劑：高效減水劑、引氣劑、防凍劑。防凍劑混凝土R-7抗壓強度比為39%，R-7+28抗壓強度比為109%，符合JC 475—2004《混凝土防凍劑》[8]的合格品要求。

1.2 試驗內(nèi)容

(1)直接受凍的負溫條件下，對比摻和不摻防凍劑砂漿早期強度，以考察防凍劑的早期強度防凍害效果。砂漿試驗需說明的是，砂漿模擬混凝土配合比按照同樣的膠材與砂比例進行配制。

(2)室內(nèi)試驗研究了防凍劑對混凝土力學性能的影響：對比測試了摻防凍劑混凝土在低溫和負溫條件下的早期強度，以考察防凍劑混凝土是否需要早期預養(yǎng)。對比測試防凍劑混凝土預養(yǎng)1 d、2 d的R-7+28d混凝土強度，以考察預養(yǎng)時間對防凍劑混凝土的影響。

(3)室內(nèi)模擬現(xiàn)場養(yǎng)護溫度，試驗測試了防凍劑混凝土力學性能。

(4)基于上述室內(nèi)研究成果，開展防凍劑混凝土性能的現(xiàn)場應用驗證。

2 試驗結果與討論

2.1 砂漿試驗

砂漿先在20 ℃養(yǎng)護6 h，再按照表1的養(yǎng)護條件進行養(yǎng)護。砂漿配合比及強度結果見表1。

表1 防凍劑對負溫下砂漿早期強度的影響

與標準養(yǎng)護(20 ℃)相比，負溫在-5 ℃下，不摻防凍劑，砂漿抗壓強度降低了95%，沒有抗折強度；負溫在-5℃下，摻防凍劑后，砂漿抗壓強度降低了56%，抗折強度降低了68%。由此說明，直接受凍條件下，摻防凍劑是有效的，利于提高早期強度以防凍害；負溫對摻防凍劑砂漿抗折強度的影響比抗壓強度大。

2.2 混凝土試驗

分別在負溫-5 ℃和低溫5 ℃的條件下養(yǎng)護混凝土，摻防凍劑的混凝土早期強度試驗結果見表2。

表2 防凍劑對混凝土早期強度的影響(對比負溫與低溫)

低溫在5 ℃下，防凍劑摻量3%，其混凝土7 d抗壓強度達到標準養(yǎng)護的90%、7 d抗折強度達到標準養(yǎng)護的83%；負溫在-5 ℃下，即使防凍劑摻量增加至6%，其混凝土7 d抗壓、抗折強度僅達到標準養(yǎng)護的一半。試驗結果表明，與低溫相比，在直接受凍的負溫條件下，盡管增加防凍劑摻量，早期強度的降低幅度仍較大。由此說明，摻防凍劑混凝土需要一定的早期預養(yǎng)，這樣才能更好地發(fā)揮防凍劑效果。

預養(yǎng)1 d、2 d防凍劑混凝土強度試驗結果見表3，混凝土配合比同表2。試驗結果表明，與1 d相比，負溫在-2 ℃下預養(yǎng)2 d，混凝土抗折強度R-7提高了6%，R-7+28提高了19%；負溫在-15 ℃下，混凝土抗折強度R-7提高了19%，R-7+28提高了11%。可見，受凍之前預養(yǎng)時間越長，防凍劑混凝土強度越高。

從表3還可看出，要達到標準養(yǎng)護強度的90%，摻防凍劑混凝土需常溫預養(yǎng)2 d。

表3 預養(yǎng)時間對混凝土抗折強度的影響

2.3 防凍劑的現(xiàn)場應用

2.3.1 現(xiàn)場混凝土配合比

防凍劑混凝土現(xiàn)場施工配合比見表4。從拌合樓取樣16組混凝土，其混凝土抗折強度平均值為6.0 MPa，滿足設計強度5.0 MPa要求。

2.3.2 模擬現(xiàn)場養(yǎng)護的防凍劑混凝土抗折強度

根據(jù)現(xiàn)場溫度監(jiān)測結果，澆筑3 d內(nèi)混凝土溫度為 10～24 ℃，棉被保溫期間5～10 ℃。為了模擬現(xiàn)場混凝土溫度，室內(nèi)20 ℃預養(yǎng)3 d，再置于現(xiàn)場同條件保溫養(yǎng)護。摻防凍劑混凝土抗折強度試驗結果見表5。結果表明，與不摻防凍劑相比，摻防凍劑混凝土7 d、28 d抗折強度明顯提高；摻防凍劑的混凝土28 d強度超過設計要求5.0 MPa，而不摻防凍劑的不滿足設計強度要求。由此說明摻防凍劑是有效的；防凍劑摻量即使提高至6%，混凝土抗折強度卻沒有提高，可見防凍劑摻量3%即可。

表4 防凍劑混凝土現(xiàn)場施工配合比

表5 模擬現(xiàn)場養(yǎng)護的混凝土抗折強度試驗結果

3 結 論

(1)砂漿試驗結果表明，不預養(yǎng)、負溫受凍條件下，摻防凍劑是利于提高砂漿早期強度；負溫對防凍劑砂漿抗折強度影響比抗壓強度大。

(2)混凝土試驗結果表明，摻防凍劑混凝土需要一定的早期預養(yǎng)，使受凍前混凝土具有一定的強度，只有這樣才能更好地發(fā)揮防凍劑效果。

(3)現(xiàn)場應用表明，摻防凍劑的現(xiàn)場混凝土抗折強度滿足設計要求，應用效果較好。

(4)現(xiàn)場澆筑結果表明：適宜摻量的防凍劑，可延長每天施工時間2 h，延長冬季施工工期15 d。該試驗結果適用于高寒地區(qū)、工期較緊的工程，可保證混凝土施工質(zhì)量和施工進度。