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    產品技術

    如何確定混凝土防凍劑的摻量

    來源: 石家莊市海森化工有限公司  日期:2016-11-03 09:00:00  屬于:產品技術
    標簽:防凍劑
    文章摘要:本文指出了當前確定混凝土防凍劑摻量的不合理之處,經研究提出了以混凝土水灰比、水泥品種、環境溫度為主要參數的確定混凝土防凍劑摻量的簡易公式,已將其用于指導生產實踐并取得良好的經濟效益。
    1引言

    目前混凝土防凍劑的摻量多是依據使用時的環境溫度和混凝土外加劑生產廠家提供的參考用量來確定,雖然使用方便,但對確定混凝土防凍劑摻量是不夠合理的,因為它并未考慮到混凝土的設計強度、水泥品種等因素對混凝土防凍劑摻量的影響。例如,設計強度等級較高的混凝土,因其水泥用量大,必然產生較高的水化熱,能在較短時期內達到抗凍臨界強度,理應降低混凝土防凍劑的用量才對,因混凝土防凍劑使用說明書并未考慮混凝土強度對防凍劑摻量的影響,反而多加了防冰劑,這樣做不僅會造成浪費,有時還會造成混凝土的凝結時間過長,易使混凝土中的鋼筋銹蝕和產生堿骨料反應,而且對混凝土由負溫度養護轉入正溫度養護的后期強度增長也十分不利。

    混凝土外加劑應用技術規范(GBJ119一88)第7.1.7條及第7.1.8條中規定,混凝土防凍劑的摻量及品種應根據其施工溫度通過試驗確定。但確定混凝土防凍劑摻量所需的時間太長,不能及時指導現場施工,有時還會增加試驗工作量甚至會造成試驗失敗而影響施工。所以尋求一個簡易可行的計算公式來確定混凝土防凍劑摻量是十分有意義的。

    2關于確定混凝土防凍劑摻量的理論依據

    如何簡便地確定混凝土防凍劑摻量?這對于指導冬期混凝土施工是一個急待解決的問題。為此首先需從理論上加以探討,最早的混凝土的抗凍機理可以用冰點理論解釋,即水溶液的冰點降低與其電解質濃度成正比,如早期的混凝土防凍劑主要是食鹽等電解質物質,但該理論不能適應于一15℃以下的負溫情況,若按冰點理論計算則需加入太多的食鹽才能保證混凝土具有足夠的抗凍能力。其次是以水灰比為基礎的液灰比說,認為混凝土的抗凍能力與溶液和用灰量比有直接關系。對應的確定防凍劑摻量的計算公式為:
    由于這個公式中的許多參數不容易確定所以使用十分不便,也需要較高的防凍劑摻量才能從理論上確?;炷辆哂凶銐虻姆纼龊涂箖瞿芰?這一點與實際不符。當前能被多數人所接受的是臨界強度理論,如在混凝土結構工程施工及驗收規范(GB50204一92)中注明,冬季負溫度條件下澆筑的混凝土在受凍前,混凝土不得低于下列規定,“硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥拌制的混凝土為設計混凝土強度標準的30%,礦渣硅酸鹽水泥拌制的混凝土為設計混凝土強度標準的40%,在摻用防凍劑的混凝土當溫度降到防凍劑的規定溫度以下時,其強度不應小于3.5一5.OMaP”,即混凝土達到了某一個強度值時(即臨界強度),就具有一定的抗凍能力了,從此以后低溫不會再對混凝土造成永久性損害,在氣候轉暖后,強度會繼續升高,甚至有時可能達到比經高溫養護的混凝土極限強度還高的強度。
    臨界強度理論固然很實用,卻不能反映混凝土硬化初期抗凍的本質,易使人誤認為混凝土達到該強度值就會抵抗水變成冰的相變體積膨脹所形成的破壞應力,實質上根本不是這么一回事。在冬季有水的鐵管都能凍裂,更何況抗拉強度很低的混凝土了,混凝土之所以具備一定的抗凍能力應由抗凍臨界結構理論來說明。該理論認為在水泥水化到一定程度時,混凝土中所含的水一部分用于水泥水化,余下的一部分水稱自由水,存在于混凝土粗的孔隙中,自由水在低溫時可結冰阻止了水泥水化,產生的相變體積膨脹使混凝土結構遭到永久性破壞。另一部分水存在于混凝土細的毛細管(D蕊500人)內和水泥水化產物中稱為細毛細管水和凝膠水,由表面物理化學可知即使是這種狀態的純水在環境溫度低于一30℃時也不會結冰,更何況是加入了防凍劑的溶液了。由于低溫時毛細管中的水和凝膠水依然是以液態形式存在,故水泥水化過程可以繼續進行,只是強度增長緩慢而已,在負溫條件下混凝土強度仍然能不斷增長,這一點已被大量的試驗和工程實踐所證實。
    為什么混凝土細毛細管中的水和凝膠水即使在低溫時也不結冰呢?可以從微觀結構上加以說明,水結冰的本質是水分子從無序的液態轉變為有序的固態-冰的過程,防止水一冰的相變有兩種途徑,(1)摻入雜質,如加入各種無機鹽像食鹽或加入有機物像酒精等物質干擾水分子排列降低冰點。(2)使水分子準有序地排列但遠不是冰的結構。水泥的各種水化產物均具有親水性和巨大的比表面積,而水分子是極性分子可以被準有序地吸附在細毛細管內壁和各種水化產物內部,隨著溫度降低吸附的最增大,即準有序的范圍加大。如果混凝土中的水大部分都以這種形式存在,就形成了所謂的抗凍臨界結構。為使混凝土具有早期抗凍能力,就應盡快形成抗凍臨界結構。從上述分析可知,防凍劑應由這樣一些組分所組成,(1)降低冰點的組分,(2)具有減水功能的組分,細化毛細管孔徑有利,(3)促進水泥水化的早強組分,(4)具有高比表面積的可激發水泥水化的活性混合材,如:硅灰、硅藻土、水泥晶種等有利于形成耐凍的微孔結構,這一點可為研制新型混凝土早強防凍劑提供一個新的技術路線。所以說抗凍臨界結構的形成不但取決于混凝土防凍劑的摻量和品種,還取決于水泥的性質、混凝土的水灰比、環境溫度、養護條件、減水劑的性質和用量、混凝土混合材,混凝土構件的體積、形狀、使用的模板等許多因素。

    3確定混凝土防凍劑摻量的計算公式

    由于混凝土防凍劑摻量是水泥的品種、水泥的用量、水灰比、環境溫度、養護條件、減水劑的性質和用量、混凝土構件的體積、比表面積、形狀、使用的模板等諸多因素的函數。用數學形式可表示為:

    混凝土的防凍劑摻量=f(數學符號)(水泥的品種、水灰比、環境溫度、養護條件、減水劑的性質和用量、混凝土構件的表面系數等)

    其中與混凝土防凍劑摻量成正比的因素有:水灰比、環境的負溫度值、混凝土構件的表面系數等。
    與混凝土防凍劑摻量成反比的因素有:水泥用量、減水劑的減水率等。
    考慮到有些因素容易用數字描述如水灰比、環境溫度,而另一些因素如養護條件等不容易用數字描述而且施工單位技術人員難以掌握,經一定的假設進一步簡化整理提出了計算混凝土防凍劑摻量的公式為:
    雖然公式(2)十分簡單,但是否可行呢?有人研究證明了混凝土中的防凍劑水溶液結冰量(工)達到40%一50%對混凝土長期強度不會產生不良影響,若按I=50%由公式(1)計算在混凝土中指定的負溫條件下防凍劑摻量公式為:
    用公式(3)計算將防凍劑亞硝酸鈉和碳酸鉀的摻量與混凝土養護溫度和水灰比的關系列入表1。

    從表1中不難看出不同防凍劑的防凍劑摻量系數只與環境溫度有關,與混凝土的水灰比基本無關,這樣給我們提供了一個方便,只要給出不同養護溫度時的防凍劑摻量系數,試驗技術人員或施工技術人員可以根據實際的水灰比和采用的水泥品種大致估算防凍劑的摻量。

    4  確定混凝土防凍劑摻量的試驗和實踐

    結合長春某工程的具體情況,在試驗的基礎上,驗證上述混凝土防凍劑摻量計算公式是否可行。
    試驗所用的原材料情況如下:
    河砂;細度模數Mx=2.75,含泥量2.2%
    碎石:最大粒徑dmax二31.smm,含泥量0.n%
    水泥:吉林松江散裝525普通硅酸鹽水泥,其細度為5.6%,28天抗壓強度為56.2MPa。
    混凝土防凍劑:ZK系列,摻量見表2。

    高效減水劑:HZ一1型,減水劑(液體)的減水率為17%o
    對混凝土配合比的要求是泵送C30及泵送4C0,環境平均溫度為一10℃,其基準配合比如表3所示。

    試驗過程為:
    ①按照常溫普通混凝土進行初步配合比計算。
    ②依據公式(2)估算防凍劑用量。首先確定防凍劑摻量系數K,考慮普通防凍劑試驗多是按q?;炷翉姸鹊燃壴O計水灰比是0.56,一10℃時該防凍劑摻量系數K=6.5一(o.56xlo)=1.16,所以幾?;炷练纼鰟┯昧慷?.16x10x0.5=5.8,qo混凝土防凍劑用量二1.16x10x0.39=4.5。
    ③按選定的混凝土配合比進行試拌,測定混凝土坍落度、表觀密度及溫度,制成試件分別在不同養護條件下養護后測試它們的強度,其結果如表4所示。
    從表4可知:q?;炷翐?.5%zK一1型防凍劑,可保證混凝土在天氣轉暖后恢復其強度增長。但考慮工程中有許多不利因素,如工程的許多部位很難圍護而直接暴露在寒風之中,如樓梯,柱頭等處,為更穩妥起見,決定在僅覆蓋一層塑料薄膜的情況下摻入KZ一1防凍劑5%、比廠家說明書少加1.5%的防凍劑,控制混凝土澆筑溫度)5℃,實測平均值8℃。在整個冬期施工中共完成4000多立方米混凝土的澆筑任務,最低溫度為一17℃,節省了防凍劑33噸,節約資金5萬多元,而且同條件養護的混凝土試件全部合格,天氣轉暖后拆模檢查,冬季施工的混凝土沒有發現任何部位有受凍的跡象,達到了預期目的。

    5結論與建議

    (1)混凝土防凍劑的摻量不僅應與施工時的溫度有關,還取決于混凝土的水灰比、水泥品種等許多因素。
    (2)本文提出的計算混凝土防凍劑摻量公式是方便可行的,以后應進一步試驗以確定礦渣水泥對防凍劑摻量的影響,即確定系數日的數值。
    (3)建議混凝土防凍劑生產廠家,應根據本廠防凍劑的性質,在防凍劑使用手冊中提供不同溫度下的混凝土防凍劑摻量系數,便于指導冬季施工。


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