冬季施工混凝土的受冻模式、受冻机制和防冻剂

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冬季施工混凝土的受冻模式
    当某一地区室外的日平均气温连续5d稳定低于5℃时,该地区的混凝土工程施工即进入冬季施工。冬季混凝土施工的实质是在自然低温(负温)环境中创造可能的养护条件,使混凝土得以凝结硬化并增长强度。混凝土冬季施工的特点是:混凝土凝结时间长,0~4℃的混凝土凝结时间比15℃时延长3倍;温度低到-0.5~-0.3℃时,混凝土开始冻结,水化反应基本停止,温度低到10℃时,水化反应完全停止,混凝土的强度不再增长,开始出现混凝土冻害。冬季施工混凝土在低温(负温)下硬化并受冻有以下4种模式。
    ①第一种受冻模式为混凝土初龄期受冻。新拌混凝土在浇筑完毕后,在混凝土初凝前或刚初凝立即受冻,则属于这种情况。这种受冻模式的典型情况是水泥尚未开始水化就受冻,受冻前的混凝土强度等于零。这种受冻特别对于C10~C15混凝土,由于水泥用量少,水化热量少,因而会迅速遭到受冻破坏;混凝土受冻后,处于“休眠”状态,恢复正温养护后,混凝土强度可以重新发展,直到与未受冻基本相同,强度损失很小或没有损失。
    ②第二种受冻模式为混凝土幼龄期受冻。新拌混凝土中的水泥初凝后,在水化的凝结期间受冻,则属于这种情况。这种受冻模式可使混凝土的后期强度损失20%~40%。与第一种受冻模式的主要区别在于前者的冻结温度低,冻结速度快,混凝土中的水分在受冻期间基本没有转移现象,而第二种受冻模式的受冻特点是冻结温度较高,冻结速度慢,混凝土中的水分逐渐转移,强度损失的大小主要取决于水分移动程度。
    ③第三种受冻模式为水泥水化结构已经可以抵抗冰冻产生的破坏作用。水泥与水进行水化时所产生的水化生成物的体积减小,基本上可以抵消结冰时体积的增大。在这种情下,混凝土轻微的受冻是被允许的,混凝土的强度损失最多不超过5%,但耐久性有所降低。
    ④第四种受冻模式是已硬化达到设计强度的混凝土受冻。在这种情况下,混凝土受冻相当于水泥水化的结晶,其受冻的破坏机理与第①、②种模式截然不同。

冬季施工混凝土的受冻机制
    根据以上所述的4种受冻模式,可以得出不同的受冻模式有不同的受冻机制。
    第1种受冻机制是由于水化反应刚开始,水化热很小,气温迅速下降到-20℃或更低冻结过程非常快,新拌混凝土的冻结特点是没有水分转移或水分转移很少,因此,混凝土基本上没有强度损失或损失很小。
    第2种受冻机制与土的冻胀相似,造成破坏的主要原因并不完全是由于混凝土中的水变为冰,在转变过程中体积增大产生的所谓冰胀应力,而是由于在整个混凝土硬化期间受低温(负温)的影响所造成的水分的移动。这种移动的结果,引起水分在混凝土中重新分布,并在混凝土内部生成较大的冰凝聚体,造成极为严重的物理损害。
    第3种受冻机制是当混凝土达到临界强度时,混凝土中还有小部分拌合水存在,受一冻结后对混凝土的抗压强度没有什么重大影响,对混凝土的耐久性,特别是抗冻性也没有破坏作用。多次冻融,其受冻机制同第4种受冻模式。
    第4种受冻机制是混凝土在饱水状态下经多次冻融降低强度或质量。这种受冻模式,其受冻机制是冰晶的膨胀应力起主导作用。在饱水状态下,混凝土经多次冻融循环之所以未破坏,主要是由于混凝土孔隙容积中没有全被水充满,在冻结的过程中,在冰晶生长的压力作用下,水的一部分受到压缩的缘故,即混凝土的抗冻性,它主要取决于其孔隙结构和水在这些结构中的饱和程度,以及冰在孔隙中生成的动力学性质。
    通过研究人们发现,要保证混凝土不受冻害可采用以下四种方法:一是保持在正温条件下养护;二是使混凝土尽快达到受冻前的临界强度;三是使冰晶发生畸变,使溶液受冻时体积膨胀尽量小,对混凝土不构成冰胀应力,结构就不会受破坏;四是在低温(负温)下仍能存在液态水。
    在冬期施工期间,当气温处于很低的正温或负温,水泥的水化反应十分微弱甚至停止此时的水化产物甚少,致使混凝土的强度很低甚至没有强度,这时混凝土受冻,将造成十分严重的后果。为此,要求混凝土在受冻前应有抵抗冻融破坏的最低强度,这个最低强度称为混凝土的受冻临界强度。
    掺加防冻剂等化学外加剂的混凝土,外加剂作为混凝土内部液相的溶质,其冰点将低于0℃。所以掺加防冻剂混凝土的受冻临界强度,是指混凝土达到规定温度前应具备的可抵抗冻融破坏的最低强度。我国现行规范中规定:当室外温度不低于-15℃时,混凝土受冻临界强度不得低于4.0MPa;当室外温度不低于-30℃时,混凝土受冻临界强度不得低于5.0MPa。

混凝土防冻剂的选用方法
    防冻剂在混凝土中的主要作用是提高其早期强度,防止混凝土受冻破坏。防冻剂中的有效组分之一就是降低冰点的物质,它的主要作用是使混凝土中的水分在可能低的温度下,防止因混凝土中的水分冻结而产生冻胀应力;同时保持了一部分不结冰的水分,以维持水泥水化反应的进行,从而保证在低温(负温)环境下混凝土强度的增长。由此可见,了解混凝土防冻剂的选用方法,正确选用防冻剂是冬期混凝土施工成功的关键。
    根据现行国家标准《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119-2013)中的规定,在混凝土工程中常用混凝土防冻剂可以按以下规定进行选用。
①混凝土工程可以采用以某些醇类、尿素等有机化合物为防冻组分的有机化合物类防冻剂。
②混凝土工程可采用下列无机盐类防冻剂:a.以亚硝酸盐、硝酸盐、磷酸盐等无机盐为防冻组分的无氯盐类;b.含有阻锈组分,并以氯盐为防冻组分的氯盐阻锈类;c.以氯盐为防冻组分的氯盐类。
③混凝土工程可以采用防冻组分与早强、引气和减水组分复合而成的防冻剂。

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