外加劑對混凝土抗凍性能的改善

　　摘　要：論述了混凝土抗凍性的影響因素及外加劑對混凝土抗凍性能的改善，并簡單介紹了ld 型緩凝減水劑的技術(shù)效果。

　　前　言

　　混凝土是用量最大、用途最廣的一種建筑材料，雖然已有一百多年的發(fā)展歷史，但卻經(jīng)久不衰，仍以旺盛的生命力向前發(fā)展，新理論、新工藝、新品種不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用面也越來越廣。在混凝土中摻用外加劑可獲得提高強度、改善性能、節(jié)省水泥、加快施工進度、減輕勞動強度等多種效益，因而工業(yè)發(fā)達的一些國家早已大量應(yīng)用外加劑?；炷量茖W(xué)技術(shù)近期發(fā)展的主要方向是節(jié)能、耐久、高強、輕質(zhì)、快硬和高流態(tài)，這些都與外加劑的應(yīng)用緊密相關(guān)。

　　道路與橋梁工程中，混凝土必須滿足工作性、強度、耐久性要求。就耐久性而言，對于道路與橋梁建筑混凝土，由于無遮蓋裸露于大氣中，在受到酸、堿等物理、化學(xué)的侵蝕作用而破壞的同時，風霜雨雪的侵蝕更為嚴重。因此，耐久性的首要要求是抗凍性。由于黑龍江省一月份平均氣溫低于-10 ℃，屬于寒冷地區(qū)，因此對抗凍性的要求更顯重要。

　　1 　混凝土抗凍性

　　抗凍性表示混凝土抵抗凍融循環(huán)作用的能力，是評價嚴寒地區(qū)混凝土及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標之一。

　　寒冷地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常接觸水的部位，當氣溫下降至混凝土中水的冰點以下時，水就會結(jié)冰，體積增加約9% ，當水充滿混凝土的孔隙時，水結(jié)冰過程中由于體積的增大會對孔壁產(chǎn)生很大的壓力，使混凝土發(fā)生微小裂縫。一般夏秋浸水，冬天結(jié)冰，春天融化，反復(fù)循環(huán)，使冰凍的破壞作用不斷向深度發(fā)展。

　　混凝土的抗凍性與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、水飽和程度、受凍齡期、混凝土的強度等許多因素有關(guān)，其中主要因素是水泥漿的飽和程度及孔隙結(jié)構(gòu)。

　　(1) 水灰比及孔隙結(jié)構(gòu)混凝土中水與水泥的比例為水灰比。齡期一定和養(yǎng)護一定的混凝土強度很大程度上取決于水灰比和密實度。在水泥水化的任何階段，水灰比都決定了硬化水泥漿的孔隙率，因而水灰比影響著混凝土的空隙體積。隨著水灰比的增大，不僅可使飽水的開孔孔隙增加，而且平均孔徑也增大，因而混凝土抗凍性必然降低。水灰比大的混凝土中毛細孔孔徑也大，且形成連通的毛細孔體系，因而其中起緩沖作用的儲備孔很少，受凍后極易產(chǎn)生較大的膨脹壓力，反復(fù)循環(huán)后必然使混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞。因此，抗凍性要求高的混凝土必須嚴格控制水灰比，必要時還要加入引氣劑及新型抗凍劑。

　　(2) 混凝土的飽水狀態(tài)

　　混凝土有無凍害與其孔隙的飽水程度有關(guān)，一般認為含水量小于孔隙體積的91.7%就不會產(chǎn)生凍結(jié)膨脹壓力，該數(shù)值被稱為極限飽水度。在混凝土完全飽水狀態(tài)下，其凍結(jié)膨脹壓力最大，混凝土的飽水狀態(tài)主要與混凝土結(jié)構(gòu)的部位及其所處自然環(huán)境有關(guān)，在大氣中使用的混凝土結(jié)構(gòu)其含水量均達不到該值的極限，而處于潮濕環(huán)境的混凝土其含水量要明顯增大，最不利的部位是水位變化區(qū)，此處的混凝土經(jīng)常處于干濕交替變化條件下，受凍時極易破壞。此外，由于混凝土表層的含水率，通常大于其內(nèi)部的含水率且受凍時表層的溫度均低于其內(nèi)部的溫度，所以凍害往往是由表層開始，逐步深入發(fā)展的。[Page]

　　(3) 混凝土組成材料

　　如果吸水性集料應(yīng)用于混凝土并且混凝土處于潮濕狀態(tài)，在這種情況下，粗集料變得飽和，混凝土可能受到凍融破壞，集料受凍時水分被排出，產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力會破壞集料和水泥石，如果集料顆粒靠近表面，則會產(chǎn)生爆裂。除上述因素以外，受凍齡期、水泥品種、集料質(zhì)量和外加劑及摻合料等也會影響混凝土抗凍性。

　　2 　混凝土的外加劑

　　混凝土外加劑是在拌制混凝土過程中摻入不超過水泥重量5%(特殊情況除外) 的能對混凝土的正常性能按要求而改性的一種外加劑。外加劑可以對混凝土的正常性能按要求進行改性。主要表現(xiàn)在：

　　(1) 改善混凝土施工性能，其中包括提高混凝土流動性，延緩混凝土的凝結(jié)，增加混凝土拌和物的粘聚性，減少離析，改善混凝土泵送性能及減少混凝土坍落度損失；

　　(2) 提高混凝土早期強度，提高混凝土強度等級是制備高性能混凝土必備的手段；

　　(3) 增加混凝土耐久性，其中包括提高混凝土抗凍性、抗?jié)B性，提高混凝土中鋼筋防銹蝕性能，抑制混凝土堿集料反應(yīng)。例如：黑龍江省公路局黑龍江八達經(jīng)貿(mào)總公司交通設(shè)施材料公司開發(fā)生產(chǎn)ld 型高效緩凝減水劑具有以下技術(shù)效果。

　　混凝土外加劑的應(yīng)用范圍很廣，根據(jù)不同的使用性能，可采用不同的外加劑對混凝土的性能進行改善。重點討論摻外加劑如何能夠改善和提高混凝土的抗凍性。

　　3 　用摻加外加劑的手段提高混凝土的抗凍性

　　由于混凝土抗凍性主要取決于其孔隙度、孔結(jié)構(gòu)及孔的水飽和程度，因此提高混凝土抗凍性也主要應(yīng)從降低混凝土孔隙度改善孔結(jié)構(gòu)著手。

　　3.1 　摻減水劑提高混凝土的抗凍性

　　通常嚴格控制水灰比可以提高混凝土的抗凍性。水灰比是影響混凝土密實性的主要因素，因此，為了提高混凝土的抗凍性必須從降低水灰比入手，而較為有效的辦法是摻減水劑，特別是高效減水劑。減水劑是在混凝土坍落度基本相同的條件下，能減少拌和作用的外加劑。

　　減水劑多數(shù)為表面活性劑，吸附于水泥顆粒表面而使水泥顆粒帶電。顆粒間由于帶相同電荷而相互排斥，使水泥顆粒被分散，從而釋放顆粒間多余的水以達到減水的目的。摻入水泥量0.5%～1.5%的高效減水劑，可以減少用水量15%～25% ，使混凝土強度提高20%～50% ，抗凍性能也相應(yīng)提高。[Page]

　　3.2 　摻引氣劑或引氣型減水劑提高混凝土抗凍性

　　引氣劑是摻入混凝土中經(jīng)攪拌能引入大量分布均勻的微小氣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氣泡以改善混凝土抗凍融耐久性的外加劑。

　　在混凝土中加入一定的引氣劑，在混凝土硬化后形成的微小氣泡與不密實的混凝土中“滯留”的空氣不同，不密實的混凝土中“滯留”的空氣的形態(tài)往往是不規(guī)則的孔隙，并且較大呈不均勻分布，體積大小也不一，振搗時不穩(wěn)定，對混凝土沒有益處。而加入引氣劑的混凝土所形成的氣泡，不僅具有適當?shù)捏w積，而且能形成恰當?shù)男螒B(tài)，即以大量的小氣泡，而不是少量的大氣泡形式出現(xiàn)。這是因為引氣劑一般都是陰離子表面活性劑，作為引氣劑的表面活性劑，一般為松香熱聚物和石油酸的鹽類及某些合成洗滌劑。引氣劑在空氣— 水界面上，將極性基團指向水，降低體系的表面張力，促進氣泡的形成并阻止分散的氣泡匯合的趨向。在固—水界面上存在定向力，極性基團就與固相結(jié)合，使非極性基團指向水，因此，混凝土在拌和時引入的空氣泡能以較穩(wěn)定的形式存在，同時這些氣泡的直徑比較小而且均勻。大量形狀規(guī)則而微小的氣泡可以減少水壓的危害，而提高混凝土的抗凍性。

　　前蘇聯(lián)道路科學(xué)研究所用摻表面活性劑和有機硅化合物外加劑來提高混凝土的抗凍性，所得結(jié)果表明，決定混凝土抗凍性的主要因素是引氣量?；炷脸煞种幸龤饬繛?%～10%時，抗凍性最好。但含氣量過多，會大大降低混凝土的強度(降低30%～40%) ，從混凝土的強度和使用耐久性綜合要求來看，引氣量為5.5%～7.0%的混凝土成分最佳。

　　4 　結(jié)束語

　　綜上所述，減水劑、引氣劑及引氣減水劑等外加劑均能提高混凝土的抗凍性。引氣劑能增加混凝土的含氣量，使氣泡分布均勻，而減水劑則能降低水泥混凝土的水灰比，從而減少孔隙率，最終都能提高混凝土的抗凍性。而摻引氣劑則是提高混凝土抗凍性的主要措施，不加引氣劑的混凝土使用15年即出現(xiàn)表面剝落等凍害現(xiàn)象，而加引氣劑的混凝土則無凍害。摻入少量的表面活性劑(烴基及醇基胺類化合物) ，可使混凝土耐久性指數(shù)提高50%～90% ，這種外加(摻量為水泥總量的2%～4%) 的引氣量雖少，但氣泡很細且均勻分散，因此對提高混凝土的抗凍性非常有利。特別是當摻加srf 外加劑時，在提高混凝土抗凍性的同時，強度和耐磨性能也得到提高。因此，外加劑的使用在東北地區(qū)更顯重要。