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(qiáng)度、改善性能、節(jié)省水泥、加快施工進(jìn)度、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等多種效益，因而工業(yè)發(fā)達(dá)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(qiáng)、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(qiáng)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(shí)，風(fēng)霜雨雪的侵蝕更為嚴(yán)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(jià)嚴(yán)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(biāo)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(dāng)氣溫下降至混凝土中水的冰點(diǎn)以下時(shí)，水就會結(jié)冰，體積增加約9% ，當(dāng)水充滿混凝土的孔隙時(shí)，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(qiáng)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(hù)一定的混凝土強(qiáng)度很大程度上取決于水灰比和密實(shí)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(xì)孔孔徑也大，且形成連通的毛細(xì)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(yán)格控制水灰比，必要時(shí)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(rèn)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(dá)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(shí)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(shí)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(shí)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?？拷砻妫瑒t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(jìn)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(dòng)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(qiáng)度，提高混凝土強(qiáng)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(dá)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(jìn)行改善。重點(diǎn)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(yán)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(shí)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(dá)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(qiáng)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(shí)的混凝土中“滯留”的空氣不同，不密實(shí)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(shí)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(dāng)?shù)捏w積，而且能形成恰當(dāng)?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?yàn)橐龤鈩┮话愣际顷庪x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(tuán)指向水，降低體系的表面張力，促進(jìn)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(tuán)就與固相結(jié)合，使非極性基團(tuán)指向水，因此，混凝土在拌和時(shí)引入的空氣泡能以較穩(wěn)定的形式存在，同時(shí)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(jī)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(shí)，抗凍性最好。但含氣量過多，會大大降低混凝土的強(qiáng)度(降低30%～40%) ，從混凝土的強(qiáng)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(xì)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(dāng)摻加srf 外加劑時(shí)，在提高混凝土抗凍性的同時(shí)，強(qiáng)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。