混凝土防凍劑性能研究

關 穎

（中鐵二十二局第一工程有限責任公司，哈爾濱 150006）

我國地域遼闊，冬季持續時間較長，尤其是東北、西北、華北地區，冬季一般持續3～6 個月。隨著建筑行業的發展，混凝土冬季施工比較普遍，而漫長的冬期寒冷季節給工程建設帶來了許多問題，最主要的就是防止混凝土凍傷，在低溫下如果不采取有效的措施，混凝土一旦遭受凍傷就會產生破壞，合理及適當地使用防凍劑是減輕混凝土早期病害和提高混凝土防凍效果切實有效的措施，可保證混凝土的耐久性及強度達到施工要求，對工程質量有很好的作用。

1 防凍劑的防凍原理

混凝土拌合物在混凝土連續澆注后之所以會逐漸凝結和硬化，直至獲得最終強度，是混凝土中水泥與水之間進行了水化作用的結果。而混凝土水化過程的快慢，除與混凝土材料本身的內部物質和摻量狀況有關以外，也與外部氣溫的高低相關。混凝土防凍劑是一種能夠使混凝土在負溫條件下慢慢地硬化，并在規定的預養和養護溫度下達到理想強度，在溫度逐漸降低至0 ℃以下之后，存在于混凝土中的自由水有一部分開始凝結成冰，并慢慢地由液態（水）變為固態（冰），而此時參與混凝土水化的水分就減少了，因此水化過程變得遲緩，強度提高亦隨之緩慢。溫度再逐漸降低，這時混凝土的強度已不能再增長了，當溫度下降至-15 ℃以下時，參與水化反應的水幾乎全部凍結，致使混凝土的水化和硬化過程幾乎全部停止，溫度較低或0℃以下，尤其-15 ℃以下的溫度對混凝土的施工和結構工程十分不利。由于水的固有特性，從液態轉化為固態時，其體積會增大，會使混凝土內產生內應力，導致骨料與水泥粒間的相對位移和內部水分向負溫表面遷移，使混凝土內部形成了因冰聚體所引起的結構破壞。

為了克服冬季水泥混凝土澆筑的困難，添加混凝土防凍劑無論是從工程經濟性還是從施工的可操作性角度考量，都是一種非常好的方式。防凍劑的主要功能就是可以降低拌合料的冰點溫度，并且能細化冰晶，讓水泥混凝土在0℃以下溫度保留些液態水，這些液態水可以使混凝土緩慢水化，從而改變了水泥混凝土的微觀構造，防凍劑的關鍵作用就是可以促進及加速水泥混凝土凝固，并且能夠在很短時間內到達抗凍的臨界強度值，硬化速度也大大提高，并且可以防止施工構件破裂損壞。抗凍臨界強度是指在冬季澆筑時，當砼強度超過了某一限制值之后，由于內部結構的基本初步形成，就具有了抗凍脹破裂的能力，混凝土即使再受凍也不致被凍壞，此時的強度稱為砼的抗凍臨界強度。

防凍劑的防凍機理與原理一般是各種外加劑效果復合一起共同產生的，但并不是只要添加了防凍劑混凝土就會滿足冬季施工要求，一定要考慮到施工中的具體狀況，需做相容性試驗，所以在建筑工程施工中，要選用符合施工要求的防凍劑才可以改善砼的抗凍性能。

2 防凍劑試驗

中鐵二十二局第一工程有限責任公司（以下簡稱“我單位”）地處北方，冬季最低溫度能達到-20 ℃左右，2022 年1 月我單位參與國家強制標準的比對試驗，共試驗了6 組防凍劑，-10 ℃、-15 ℃2 個溫度各3組。做了抗壓強度比試驗、收縮率比試驗、氯離子含量試驗。下面主要介紹防凍劑抗壓強度比試驗和收縮率比試驗，檢測方法依據建材行業標準JC 475—2004《混凝土防凍劑》，摻防凍劑的混凝土性能滿足建材行業標準JC 475—2004 中表2 的要求。

2.1 防凍劑抗壓強度比試驗

1）試驗材料的選擇、配合比比例確定及攪拌方法等，按照國家標準GB 8076—2008《混凝土外加劑》試驗方法的規定進行，混凝土防凍劑試驗時的坍落度應控制為70～90 mm。試驗中基準配合比試驗各材料用量見表1。各外加劑性狀及摻量見表2。

表1 基準配合比試驗各材料用量

表2 各外加劑性狀及摻量

2）試件的成型及養護溫度和方法。基準混凝土試塊和摻防凍劑的受檢混凝土試塊須同時制作，由于防凍劑的特殊性能，試驗的試塊與其他外加劑試塊的養護是不同的。混凝土抗壓強度試塊的制作方法參照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》標準進行，混凝土坍落度控制為70～90 mm，坍落度盡量相同，試塊成型方法選用振動臺振實，一般振動時間為10～15 s，振至表面出漿停止。將摻防凍劑的受檢混凝土抗壓強度試塊在室溫17～23 ℃溫度下按表3中要求的時間預養后用塑料膜包裹試件放入冰箱（或冷凍室）中，其冷凍溫度應于3～4 h 內均勻地降至規定溫度，在冰箱內養護滿7 d 后（從混凝土材料與水接觸時算起）脫模，將試塊放置在室溫17～23 ℃至冷凍的試件完全解凍，解凍時間不少于表3 要求的解凍時間。在解凍后其中一組試塊進行負溫7 d 抗壓強度試驗，其他試塊放在標準養護室養護至其他齡期再試驗。

表3 -10 ℃、-15 ℃溫度混凝土試件的預養與解凍時間

3）抗壓強度比的計算。用28 d 受檢標養混凝土、不同齡期受檢負溫混凝土與28 d 基準混凝土的抗壓強度之比表示

式中：R28指受檢混凝土標養28 d 抗壓強度與標養28 d 基準混凝土抗壓強度之比，單位為百分數（%）；R-7指受檢測的混凝土負溫養護7 d 抗壓強度與標養28 d基準混凝土抗壓強度之比，單位為百分數（%）；R-7+28指受檢混凝土在規定溫度下養護7d 后再轉到標準養護28 d 抗壓強度與標養28 d 基準混凝土抗壓強度之比，單位為百分數（%）；R-7+56指受檢混凝土在規定溫度下養護7 d 后再轉到標準養護56 d 抗壓強度與標養28 d 基準混凝土抗壓強度之比，單位為百分數（%）；fCA指受檢混凝土標養28 d 抗壓強度，單位為兆帕（MPa）；fC指基準混凝土標養28 d 抗壓強度，單位為兆帕（MPa）；fAT指不同齡期的受檢混凝土抗壓強度，單位為兆帕（MPa）。防凍劑需要計算式（1）—（4）4 個齡期的抗壓強度比，來判定防凍劑是否滿足要求。

4）試驗結果見表4。

表4 防凍劑不同齡期抗壓強度比（試驗數據，僅供參考） （%）

試驗過程中，防凍劑在規定溫度（-10 ℃/-15 ℃）養護至7 d 齡期后，并按規定溫度和時間解凍后，-10 ℃防凍劑拆模后，試塊完好，-15 ℃防凍劑拆模時有掉渣和掉角現象。-10 ℃防凍劑負溫養護7 d 齡期的抗壓強度在14～19 MPa 之間；-15 ℃防凍劑負溫養護7 d 齡期的強度很低，強度值在1～3 MPa 之間，壓碎的試塊松散，粗骨料沒有受力，抗壓強度比較低，其他齡期的抗壓強度比都能滿足標準要求。最終負溫7 d 轉標養56 d的抗壓強度比基本能達到標準要求。

5）試驗期間還對預養時間進行了驗證，其他條件相同，預養時間不同，結果見表5。

表5 不同預養時間的抗壓強度值（試驗數據，僅供參考）

結果表明，標準中給定的預養時間是最適合的時間。預養時間3 h，負溫7 d 強度基本上無增長，預養時間增加1～2 h，負溫7 d 抗壓強度略高于標準規定的預養時間的抗壓強度值，預養時間短，主要影響的是拆模強度，對后期強度增長也會有影響。所以預養時間一定要達到標準要求的時間。

6）注意事項：①溫度原因，試驗所有材料應在試驗室中放置24 h 以上，包括水泥、摻和料、砂石、外加劑和拌合用水，砂石均為干燥狀態，試驗時測量各材料溫度?；炷裂b模后的養護，在17～23 ℃環境溫度預養后移入冰箱或冰室，應注意地面溫度，地面溫度較環境溫度低，對外加劑的1 d 強度影響很大，可以在地面鋪聚苯板等，減小地面溫度跟室溫的差異，強度增長效果更好。冷凍時，我單位用的是精準控溫冰箱，跟專門做防凍劑研究的老師也探討過，負溫養護條件環境要求，要求高功率冰箱或冰室，有條件的可以測下試件中心溫度，一般試件的中心溫度12 h 左右能達到要求。試模的材質也影響降溫時間，鐵試模和塑料試模降溫時間不一樣，冷凍時塑料膜包裹層數也有影響，包裹一層效果較好，包裹多層影響降溫時間。②其他因素，達到要求坍落度時基準混凝土用水量波動范圍寬，外加劑含氣量大小對混凝土強度有影響，含氣量大于7 以上，不建議進行強度、收縮、耐久性試驗，合格率低，粗骨料的質量對強度影響很大。解凍時間一般2～3 h 能達到要求，做負溫7 d 抗壓強度時，注意試件是否完全解凍，若按規定時間無法完全解凍的，7 d 強度可延緩試驗，記錄延緩時間。③試驗過程中還應特別注意，混凝土攪拌前的準備工作應做好，此次試驗用的是100 mm×100 mm×100 mm 的塑料試模，要將試模的內部清理干凈，并在其內部涂上一層礦物油脂或其他不和混凝土發生化學反應的脫模劑，一定涂抹均勻，過多影響強度，過少不易脫模，因為防凍劑混凝土試塊負溫養護后脫模時強度低，拆模時要特別的注意，有掉渣和掉角現象可能與試模內部涂的礦物油脂有關。試驗時采用振動臺成型，將混凝土拌合物一次性裝入試模，振搗10 s左右，至表面出漿為止，避免振搗時間過長，出現水泥漿與骨料分離現象。成型后的養護很重要，因為摻防凍劑的混凝土試塊預養時間只有4～5 h，必須用不透水的薄膜蓋在表面，防止水分蒸發，水分的蒸發影響著混凝土內部水化作用，會影響試件的早期強度和后期強度?；鶞驶炷猎噳K應在溫度為17～23 ℃的環境中放置24 h，然后編號并在表面寫上“JZ+數字+成型日期”，然后拆模，拆模的時候需要輕拿輕放，而防凍劑試塊預養至規定時間后，帶試模和薄膜移入冰箱冷凍，負溫養護7 d 后拆模?？箟盒阅茉囼炃?，要檢測試件表面，以確定受力表面上有無蜂窩、泡沫和松散層，在加壓時也要注意根據垂直變形方向進行均勻的分級加壓，因為不知道強度范圍，所以加荷速度選最小速率，不然將影響測量的實際準確性，28 d 及以上齡期試塊在做抗壓強度試驗時，可以參考前期強度預估下強度，選擇適合的加荷速率。

2.2 防凍劑收縮率比試驗

1）收縮率試驗材料的選用、配合比比例確定及攪拌方法，試塊的成型同抗壓強度比試驗一樣。養護及測量時間：不摻防凍劑的基準混凝土收縮試塊拆模后在標養室養護3 d（從混凝土材料與水接觸時算起），然后從標準養護室拿出移到恒溫恒濕室內3～4 h 后，第一次測量其長度，記為初始長度，再養護28 d 后用同樣的方法測量其長度，記為28 d 長度。摻防凍劑的受檢混凝土收縮試塊預養及負溫養護方法同上面抗壓強度比試驗，負溫養護7 d 后（從混凝土材料與水接觸時算起）脫模，放置在17～23 ℃環境溫度下解凍，解凍時間不少于表3 的規定。解凍后先標養3 d，再從標養室拿出移入恒溫恒濕室內3～4 h 測量其初始長度，再經養護28 d 后測量其28 d 長度。

2）每組以3 個試塊測量值的算術平均值作為該組混凝土的收縮率，收縮率比為摻防凍劑的受檢負溫混凝土的收縮率與基準混凝土的收縮率的比值，精確至1%。

3）總結：混凝土收縮率試驗，在拆模過程中試件兩端測頭有部分掉落，測試過程中試件兩端測頭有部分松動，測頭掉落的地方留下孔洞較大，側頭重新插入不牢固，測頭掉落和松動情況的試件，測量結果出現負值或異常值，應舍去，影響結果評定，需重新試驗，這樣就會使試驗周期延長。所以試驗時一定要特別注意，嚴格按照標準規范規定操作。

4）注意事項：試驗過程中試件兩端側頭掉落和松動原因可能是在混凝土振實過程中金屬測頭移位，或者試模刷油過多，金屬測頭粘上油脂，成型后金屬測頭粘結不牢或松動，甚至脫落，所以試驗中要特別注意。按照標準要求測定某一混凝土收縮率時，試件應在3 d齡期（從混凝土材料與水接觸時算起）從標準養護室取出然后立即移入恒溫恒濕室使它們具有同樣的溫度標準測定其初始長度，測量時宜記下試件的初始干濕狀態，之后至少要按括號中規定的時間間隔測量其變形讀數（1、3、7、14、28、45、56 d）。測量前必須用標準桿校正儀表的零點，并在測定過程中再次復核零點1 次，在全部試件測量讀完數后，應再次復核零點。如復核時發現零點與初次測值的偏差超過±0.01 mm，則需要調零后重新測定；另外試件每次在收縮儀上的放置位置、方向均應保持一致，為此，在儀器和試件上應標明相應的記號，并且保證試件在放置及取出時應輕拿輕放，一定不能碰撞表架及表桿，如果不小心碰撞則在取下試件后，重新用標準桿對零點進行復核。

3 防凍劑的應用

摻防凍劑的混凝士在施工完畢之后，在氣溫低的天氣，要進行覆蓋保溫措施，來減緩水化過程中產生的熱量散失速度，保證混凝土結構的內部溫度，從而保證混凝土結構正常水化。另外，通過對建筑物進行保溫措施，保證預養時間要達到標準要求，保證混凝土的強度能夠正常增長，在溫度下降到所能承受的低溫前達到臨界抗凍強度。常見的保溫方法有：搭設一次性固定暖棚的混凝土保溫養護措施，還可以采用保溫層板對建筑結構模板進行保溫，混凝土外露表面，特別在新老混凝土接合處、邊角及棱角突出部分處做好保溫。

GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規范》標準中規定：對于防凍劑的品種、摻量選擇應該按混凝土澆筑后5 日內的預計日最低氣溫選用。如果日最低氣溫為-5～-10 ℃應選用規定溫度為-5 ℃的防凍劑，如果日最低氣溫為-10～-15 ℃應選用規定溫度為-10 ℃的防凍劑，如果日最低氣溫在-15～-20 ℃之間，應該選用規定溫度為-15 ℃的防凍劑。根據需要選擇合適的種類，施工中最常用的外加劑為減水劑或泵送劑，有含氣量要求時會摻入引氣劑，有膨脹要求時會摻入膨脹劑等，當防凍劑與其他外加劑同時使用時，必須要結合工程條件、施工環境等因素，應經試驗后確定是否滿足設計和施工要求后，再使用。選擇防凍劑的使用溫度應該與抗凍臨界強度值結合起來應用，在溫度達到防凍劑的應用溫度之前，應該保證混凝土強度能夠達到抗凍臨界強度，從而可以提升使用效果，使混凝土結構避免出現損壞。當防凍劑是液體時，貯存和輸送液體防凍劑的設備應采取保溫措施。還要求摻加防凍劑的混凝土拌合物的入模溫度不應低于5 ℃。摻防凍劑混凝土的其他有關生產、運輸、施工及養護的要求，應符合現行行業標準JGT 104—2011《建筑工程冬期施工規程》的有關規定。

在北方寒冷地區、工期比較緊的工程，為保證混凝土施工質量和施工進度，防凍劑已被廣泛應用到混凝土冬期施工中。