32 耐凍融混凝土如何應用外加劑？

我國北方地區冬期氣候寒冷，港口、橋梁隧道、冷卻塔等一些處于水位交變處或經常受水浸潤的混凝土及鋼筋混凝土構筑物，頻繁地經受冰凍和融化作用，若抗凍融能力不夠，多則一二十年，少則數年就出現不同程度的凍融破壞。近十幾年來，許多橋梁和（高速）公路經常使用化雪劑融化積雪，也使混凝土受到損害。

一、外加劑選擇

混凝土遭受凍融作用破壞的原因是：①水結冰時體積膨脹達９％，混凝土毛細孔中的含水率超過某一臨界值（91.7％），結凍時將產生很大的壓力，致使混凝土發生破壞；②過冷水遷移滲透壓。當毛細孔水結冰時，凝膠孔水處于過冷的狀態，蒸汽壓比同溫度下冰的蒸汽壓高，從而發生凝膠水向毛細孔冰的界面滲透，由于滲透達到平衡需要一定的時間，致使一定凍結溫度時的膨脹作用將持續一定的時間；③混凝土受鹽凍時，NaCl在相對量的水溶液中不能完全溶解或形成過飽和溶液，使混凝土內的滲透壓增大，飽水度大大增加，因而結冰的靜水壓明顯增大，鹽和冰共同作用下的破壞力加大。

混凝土遭受反復凍融，混凝土內的微細裂縫逐漸增長、擴大，破壞使用不斷積累，強度和質量不斷損失。影響混凝土抗凍性的主要因素有：水灰比、水泥用量、含氣量、孔結構、水泥品種及集料的質量。水灰比小、水泥用量高、含氣量大、孔結構好的混凝土抗凍性能好，研究表明高強混凝土不加引氣劑也有非常的抗凍融性、Ｃ60混凝土可經受500次凍融循環，最易受到凍融循環損害的是Ｃ30以下、水灰比大于0.5的混凝土。

（一）應用外加劑的目的

（１）引入適量的微氣泡，緩解膨脹應力。一般認為，混凝土含氣量在５％左右，氣泡間隔系數為0.1～0.2ｍｍ，氣泡直徑小于0.2ｍｍ時抗凍性能較好。

（２）減小水灰比。水灰比對混凝土的抗凍性能有較大影響。有關試驗表明，在含氣量均為６％的情況下，水灰比為0.45的混凝土經受300次凍融循環仍未破壞，水灰比0.55的混凝土經受100次凍融即破壞。混凝土的含氣量和水灰比是影響混凝土抗凍性的決定性因素。滿足抗凍性要求的引氣量取決于相應的水灰比（混凝土強度等級）。水灰比越小，滿足抗凍性所必需的含氣量越低。對于含氣量小于3.5％的普通混凝土，其水灰比對于抗凍性有著顯著的影響，水灰比越小，抗凍性越好。

（二）外加劑的選擇

（１）引氣減水劑、引氣高效減水劑：原蘇聯以超塑化劑Ｃ-３與松脂皂等復合，其流態混凝土的抗凍指標高達500～600。我國以萘系減水劑、木鈣、引氣劑等復合也取得較好效果。

（２）引氣劑：如SJ-２型、PC-２型引氣劑可大幅度提高混凝土的抗凍性，圖１是混凝土的抗凍性對比，優質引氣劑氣泡間隔為0.18mm以內，直徑小于0.2mm的氣泡占70％以上。應選擇氣泡平均孔徑和氣泡間距小、氣泡穩定性好的高質量引氣劑。上述引氣劑還可與高效減水劑、三乙醇胺早強劑等復合使用，復合使用時注意相容性。

圖１　ＳＪ-２引氣劑對混凝土的抗凍性的影響

二、施工技術

引氣劑確定后，混凝土的抗凍性主要由混凝土的含氣量來決定，混凝土施工技術是控制含氣量，必須把握好以下幾點：

（１）混凝土的拌合條件對含氣量會有影響，攪拌機種類、攪拌混凝土的量以及攪拌速度均不同程度影響混凝土含氣量。機械攪拌比人工攪拌含氣量要大，自落式攪拌比強制式攪拌含氣量要大，攪拌總量增加１倍時含氣量也成倍增加。混凝土含氣量隨時間延長而增加，攪拌時間在５min以內，對含氣量影響比較顯著，超過５min，影響不大，攪拌時間過長（20min以上）含氣量隨時間延長而有所下降。

（２）溫度對含氣量也有明顯的影響，攪拌溫度每升高10℃，則混凝土含氣量要下降20％左右。同時，混凝土從攪拌到澆筑之間的停放時間對含氣量也有影響。混凝土運輸和停放時間越長，含氣量損失就越大。

（３）混凝土施工時的振搗方式對混凝土含氣量影響也很大。振搗時間越長，含氣量損失越大，振搗50s以內含氣量變化大，長時間振搗（2min以上）使含氣量降低50％以上，施工時要注意。振搗方式不同也不一樣，振動臺振搗與高頻振搗棒插搗比較起來，高頻振搗對含氣量的損失要大得多。

（４）采用泵送施工時，泵壓的作用也會引起混凝土含氣量的損失。混凝土經運輸、澆筑、振搗后含氣量減少30％左右，因為混凝土入模后的含氣量難以測定，只能在攪拌機或運輸車卸料口取樣檢測，測得的含氣量應大于實際需要的含氣量。以上這些影響又因集料的種類、級配及引氣劑的品種不同而不同，因此當施工方法和材料確定以后，在選擇引氣劑時一定要通過模擬現場施工條件的試驗，以保證使用效果。應從引氣劑摻量、混凝土的運輸、振搗等各環節著手，使成型后的混凝土含氣量達到設計要求。美國推薦的混凝土含氣量見表１。

表１　美國推薦的混凝土含氣量參考表

除認真選用引氣型外加劑以提高混凝土的抗凍性外，在配制過程中還應采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥用量不少于300kg/m³，水泥中不得含有石灰石的混合材組分。采用堅固、密實的集料，適當提高砂率，提高保水性。抗鹽凍的混凝土還應摻入優質礦物外加劑，以提高降低Cl^-滲透的效果。混凝土抗凍性試驗時，應采用快凍法，因為快凍法比慢凍法的結果更可靠。某些引氣劑與萘系減水劑復合時，會因為萘系減水劑的抑制作用使混凝土含氣量偏低，需提高引氣劑摻量。我們在為某C25級冷凍機基礎配制抗凍融混凝土時，用SJ-2引氣劑＋萘系減水劑0.6％試拌混凝土，含氣量僅２％ （單加SJ-２引氣劑時含氣量為3.8％），后又加入0.1％的木鈣減水劑，含氣量升至５％。此外，除考慮引氣劑的品種、摻量和復合使用外加劑外，還要從以下幾個方面入手控制摻外加劑的耐凍融混凝土質量：

①水泥的品種和用量

在同樣品種及摻量下，普通硅酸鹽水泥含氣量高于礦渣水泥和火山灰水泥，表２表明普通硅酸鹽水泥混凝土的含氣量高于火山灰水泥。在達到同樣含氣量時，普通水泥的引氣劑摻量比礦渣水泥要低３０％～４０％。水泥細度大，含氣量就小，含有粉煤灰的水泥含氣量比不含粉煤灰的要小。水泥用量的增加使含氣量減小，一般水泥用量每增加900kg/m³，含氣量約減少１％。粉煤灰能強烈吸附引氣劑，使含氣量減少，混凝土中摻有粉煤灰時引氣劑摻量明顯增加。保持含氣量不變，粉煤灰每增加10％，ＳＪ引氣劑約需增加0.01％。堿含量高則含氣量小，因為堿會減小水泥漿體液相中鈣離子的溶解度，使氣泡周圍的水膜變薄，氣泡穩定性較差。

表２　水泥品種對摻松香熱聚物混凝土含氣量的影響

②集料的影響

卵石混凝土含氣量大于碎石混凝土，石子最大粒徑越大，相同摻量時混凝土含氣量越小

（圖２）。砂子粒徑和級配對混凝土含氣量影響較大，相同的引氣劑摻量下，砂子粒徑范圍在0.3～0.6ｍｍ時，混凝土含氣量最大，而小于0.3ｍｍ或大于0.6ｍｍ砂子的混凝土含氣量都顯著下降。砂率對混凝土含氣量影響也較明顯，含氣量隨著砂率的提高而增大（圖３）。采用人工砂時，引氣劑摻量要比采用天然砂多一倍用量。

　　圖２　集料最大粒徑對混凝土含氣量的影響     　圖３　混凝土含砂率對含氣量的影響

③用水量和坍落度的影響

引氣劑摻量一定時，由于混凝土用水量的不同，將引起混凝土拌合物坍落度的變化，從而影響氣泡的形成與穩定，導致混凝土含氣量明顯的改變。混凝土用水量過低時，由于干硬性或低塑性混凝土拌合物黏度大，使得氣泡的形成較困難，混凝土含氣量較低；混凝土用水量過大，大坍落度或流態混凝土拌合物中氣泡聚合逸出的可能性增大，混凝土振動過程中容易引起大量氣泡逸出，又使得含氣量急劇下降。研究顯示，坍落度在4～12CM范圍內，氣泡的生成和穩定比較有利。從圖４可見，流態混凝土（坍落度在20CM左右） 如果通過搗棒搗實時，其含氣量的損失比機械振動相對減小。事實上，在實際工程中，大坍落度混凝土振動時間很短就可達到良好的密實性和均勻性，因此混凝土含氣量的損失會小些。

圖４　混凝土用水量或坍落度對含氣量的影響