外加剂对混凝土抗冻性能的改善

　　摘　要：论述了混凝土抗冻性的影响因素及外加剂对混凝土抗冻性能的改善，并简单介绍了ld 型缓凝减水剂的技术效果。

　　前　言

　　混凝土是用量最大、用途最广的一种建筑材料，虽然已有一百多年的发展历史，但却经久不衰，仍以旺盛的生命力向前发展，新理论、新工艺、新品种不断涌现，应用面也越来越广。在混凝土中掺用外加剂可获得提高强度、改善性能、节省水泥、加快施工进度、减轻劳动强度等多种效益，因而工业发达的一些国家早已大量应用外加剂。混凝土科学技术近期发展的主要方向是节能、耐久、高强、轻质、快硬和高流态，这些都与外加剂的应用紧密相关。

　　道路与桥梁工程中，混凝土必须满足工作性、强度、耐久性要求。就耐久性而言，对于道路与桥梁建筑混凝土，由于无遮盖裸露于大气中，在受到酸、碱等物理、化学的侵蚀作用而破坏的同时，风霜雨雪的侵蚀更为严重。因此，耐久性的首要要求是抗冻性。由于黑龙江省一月份平均气温低于-10 ℃，属于寒冷地区，因此对抗冻性的要求更显重要。

　　1 　混凝土抗冻性

　　抗冻性表示混凝土抵抗冻融循环作用的能力，是评价严寒地区混凝土及钢筋混凝土结构耐久性的重要指标之一。

　　寒冷地区的混凝土结构经常接触水的部位，当气温下降至混凝土中水的冰点以下时，水就会结冰，体积增加约9% ，当水充满混凝土的孔隙时，水结冰过程中由于体积的增大会对孔壁产生很大的压力，使混凝土发生微小裂缝。一般夏秋浸水，冬天结冰，春天融化，反复循环，使冰冻的破坏作用不断向深度发展。

　　混凝土的抗冻性与其内部结构、水饱和程度、受冻龄期、混凝土的强度等许多因素有关，其中主要因素是水泥浆的饱和程度及孔隙结构。

　　(1) 水灰比及孔隙结构混凝土中水与水泥的比例为水灰比。龄期一定和养护一定的混凝土强度很大程度上取决于水灰比和密实度。在水泥水化的任何阶段，水灰比都决定了硬化水泥浆的孔隙率，因而水灰比影响着混凝土的空隙体积。随着水灰比的增大，不仅可使饱水的开孔孔隙增加，而且平均孔径也增大，因而混凝土抗冻性必然降低。水灰比大的混凝土中毛细孔孔径也大，且形成连通的毛细孔体系，因而其中起缓冲作用的储备孔很少，受冻后极易产生较大的膨胀压力，反复循环后必然使混凝土结构遭受破坏。因此，抗冻性要求高的混凝土必须严格控制水灰比，必要时还要加入引气剂及新型抗冻剂。

　　(2) 混凝土的饱水状态

　　混凝土有无冻害与其孔隙的饱水程度有关，一般认为含水量小于孔隙体积的91.7%就不会产生冻结膨胀压力，该数值被称为极限饱水度。在混凝土完全饱水状态下，其冻结膨胀压力最大，混凝土的饱水状态主要与混凝土结构的部位及其所处自然环境有关，在大气中使用的混凝土结构其含水量均达不到该值的极限，而处于潮湿环境的混凝土其含水量要明显增大，最不利的部位是水位变化区，此处的混凝土经常处于干湿交替变化条件下，受冻时极易破坏。此外，由于混凝土表层的含水率，通常大于其内部的含水率且受冻时表层的温度均低于其内部的温度，所以冻害往往是由表层开始，逐步深入发展的。

　　(3) 混凝土组成材料

　　如果吸水性集料应用于混凝土并且混凝土处于潮湿状态，在这种情况下，粗集料变得饱和，混凝土可能受到冻融破坏，集料受冻时水分被排出，产生内部应力会破坏集料和水泥石，如果集料颗粒靠近表面，则会产生爆裂。除上述因素以外，受冻龄期、水泥品种、集料质量和外加剂及掺合料等也会影响混凝土抗冻性。

　　2 　混凝土的外加剂

　　混凝土外加剂是在拌制混凝土过程中掺入不超过水泥重量5%(特殊情况除外) 的能对混凝土的正常性能按要求而改性的一种外加剂。外加剂可以对混凝土的正常性能按要求进行改性。主要表现在：

　　(1) 改善混凝土施工性能，其中包括提高混凝土流动性，延缓混凝土的凝结，增加混凝土拌和物的粘聚性，减少离析，改善混凝土泵送性能及减少混凝土坍落度损失；

　　(2) 提高混凝土早期强度，提高混凝土强度等级是制备高性能混凝土必备的手段；

　　(3) 增加混凝土耐久性，其中包括提高混凝土抗冻性、抗渗性，提高混凝土中钢筋防锈蚀性能，抑制混凝土碱集料反应。例如：黑龙江省公路局黑龙江八达经贸总公司交通设施材料公司开发生产ld 型高效缓凝减水剂具有以下技术效果。

　　混凝土外加剂的应用范围很广，根据不同的使用性能，可采用不同的外加剂对混凝土的性能进行改善。重点讨论掺外加剂如何能够改善和提高混凝土的抗冻性。

　　3 　用掺加外加剂的手段提高混凝土的抗冻性

　　由于混凝土抗冻性主要取决于其孔隙度、孔结构及孔的水饱和程度，因此提高混凝土抗冻性也主要应从降低混凝土孔隙度改善孔结构着手。

　　3.1 　掺减水剂提高混凝土的抗冻性

　　通常严格控制水灰比可以提高混凝土的抗冻性。水灰比是影响混凝土密实性的主要因素，因此，为了提高混凝土的抗冻性必须从降低水灰比入手，而较为有效的办法是掺减水剂，特别是高效减水剂。减水剂是在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌和作用的外加剂。

　　减水剂多数为表面活性剂，吸附于水泥颗粒表面而使水泥颗粒带电。颗粒间由于带相同电荷而相互排斥，使水泥颗粒被分散，从而释放颗粒间多余的水以达到减水的目的。掺入水泥量0.5%～1.5%的高效减水剂，可以减少用水量15%～25% ，使混凝土强度提高20%～50% ，抗冻性能也相应提高。

　　3.2 　掺引气剂或引气型减水剂提高混凝土抗冻性

　　引气剂是掺入混凝土中经搅拌能引入大量分布均匀的微小气泡以改善混凝土拌和物的工作性，并在硬化后仍能保留微小气泡以改善混凝土抗冻融耐久性的外加剂。

　　在混凝土中加入一定的引气剂，在混凝土硬化后形成的微小气泡与不密实的混凝土中“滞留”的空气不同，不密实的混凝土中“滞留”的空气的形态往往是不规则的孔隙，并且较大呈不均匀分布，体积大小也不一，振捣时不稳定，对混凝土没有益处。而加入引气剂的混凝土所形成的气泡，不仅具有适当的体积，而且能形成恰当的形态，即以大量的小气泡，而不是少量的大气泡形式出现。这是因为引气剂一般都是阴离子表面活性剂，作为引气剂的表面活性剂，一般为松香热聚物和石油酸的盐类及某些合成洗涤剂。引气剂在空气— 水界面上，将极性基团指向水，降低体系的表面张力，促进气泡的形成并阻止分散的气泡汇合的趋向。在固—水界面上存在定向力，极性基团就与固相结合，使非极性基团指向水，因此，混凝土在拌和时引入的空气泡能以较稳定的形式存在，同时这些气泡的直径比较小而且均匀。大量形状规则而微小的气泡可以减少水压的危害，而提高混凝土的抗冻性。

　　前苏联道路科学研究所用掺表面活性剂和有机硅化合物外加剂来提高混凝土的抗冻性，所得结果表明，决定混凝土抗冻性的主要因素是引气量。混凝土成分中引气量为7%～10%时，抗冻性最好。但含气量过多，会大大降低混凝土的强度(降低30%～40%) ，从混凝土的强度和使用耐久性综合要求来看，引气量为5.5%～7.0%的混凝土成分最佳。

　　4 　结束语

　　综上所述，减水剂、引气剂及引气减水剂等外加剂均能提高混凝土的抗冻性。引气剂能增加混凝土的含气量，使气泡分布均匀，而减水剂则能降低水泥混凝土的水灰比，从而减少孔隙率，最终都能提高混凝土的抗冻性。而掺引气剂则是提高混凝土抗冻性的主要措施，不加引气剂的混凝土使用15年即出现表面剥落等冻害现象，而加引气剂的混凝土则无冻害。掺入少量的表面活性剂(烃基及醇基胺类化合物) ，可使混凝土耐久性指数提高50%～90% ，这种外加(掺量为水泥总量的2%～4%) 的引气量虽少，但气泡很细且均匀分散，因此对提高混凝土的抗冻性非常有利。特别是当掺加srf 外加剂时，在提高混凝土抗冻性的同时，强度和耐磨性能也得到提高。因此，外加剂的使用在东北地区更显重要。