混凝土防冻剂作为我国“三北”地区工程建设冬期施工所的材料之一,其在混凝土中所起的作用也越来越大。按JC475-2004《混凝土防冻剂》标准的规定,我国的防冻剂主要分为氯盐类、氯盐阻锈类、无氯盐类、有机化合物类、复合型防冻剂五类,根据气温环境的不同以及结构物所处的环境不同,防冻剂的种类与掺量、成分也随之变化,主要选择与应用依据为GB50119-2003《混凝土外加剂应用技术规范》标准。
目前,国内混凝土防冻剂产品主要还是以无机盐类防冻剂(NO2-、SO42-、NO3-、Cl-盐类)为主,有机类防冻剂为辅,防冻剂掺量居高不下,尤其是在以建筑工程为主的、对混凝土结构耐久性要求较低的工业与民用建筑中,防冻剂掺量更达10%以上(-15℃环境下),从而带入大量的碱金属离子或氯离子,对混凝土结构的长期性能与耐久性带来隐患。而在一些大型基础设施,如水利、电力、核电厂、港工、桥梁等工程建设中,由于对Cl-和碱含量的严格控制,又造成“无料可用”的被动局面。因此,为确保混凝土工程“绿色化”的进程和可持续化发展的目标,研究与开发低掺量、超低掺量混凝土防冻剂材料势在必行。
在2006年2月就超低掺量混凝土防冻剂新型材料的开发进行了联合攻关,并在此领域进行了深入的研究与工程应用,取得了大量的技术数据,并将此新型超低掺量防冻剂暂定名为FH新型超低掺量混凝土防冻剂,分为两个系列产品,分别为FH-N、FH-C,其的特点为冰点值极低、无氯、微碱含量、超低掺量,较传统防冻剂的掺量降低800%～1000%。
1 FH超低掺量防冻剂冰点测试
采用冰点仪测试FH新型防冻剂的冰点,并与传统防冻剂主要组份NaCl、NaNO2进行对比,结果示于图1～图4。
由图1、图2可见,当FH-N溶液浓度为22.2%时,液相冰点可达-44.1℃,FH-C溶液浓度为19.56%时,液相冰点可达到-45℃;而在相同液相浓度情况下,FH-C的冰点较FH-N的冰点值更低一些。
图3与图4分别是NaCl、NaNO2的不同浓度溶液冰点值,与图1、图2中的FH新型防冻剂材料相比,非常明显地看出,在相同浓度下,FH溶液的冰点值较NaCl的溶液冰点值低出1倍以上,而较NaNO2的冰点值低6倍以上,因此,FH新材料在负温混凝土抗冻性能中将会显示出显著的冰点效应。很显然,由于冰点效应极其明显,FH-C、FH-N是具有比NaCl、NaNO2更明显的抗冻作用,或者在同一冰点下,FH-C、FH-N的掺量要远远低于NaCl、NaNO2,从而显著减小Na2O的含量。
2 -5、-10、-15℃负温条件下FH防冻剂的适宜掺量
按我国现行行业标准JC475-2004《混凝土防冻剂》的规定,防冻剂材料在混凝土工程中按使用温度不同划分为三个温度区间:-15、-10、-5℃,下面也按此规定进行三个温度区间的掺量试验。
试验原材料:哈水P.O42.5水泥、中砂、16～31.5mm碎石
基准配比(kgm3)∶水泥∶砂∶石∶水=330∶709∶1156∶185
FH新型防冻剂掺量(占水泥质量%):0.2%～5.0%
强度测试龄期:-7d、-7+7d、-7+28d、-7+56d
养护方式:-15、-10、-5℃恒负温冷库
预养模式:按JC475-2004规定,-15、-10、-5℃预养成熟度分别采用120、150、180℃·h。
2.1 -15℃负温条件下,FH防冻剂的适宜掺量
基准混凝土的f28=38.4MPa,按JC475规定,-15℃条件下防冻剂合格品的R-7≥8%,即防冻剂混凝土f-7≥3.1MPa,同时,还需满足R28≥90%、R-7+56≥99%的要求,按此条件,从-15℃下不同掺量FH混凝土的试验结果来看,能满足早期强度及后期强度要求的掺量为1.5%,此掺量下,FH-N的f-7=4.6MPa,FH-C的f-7=5.3MPa,不但满足以上条件,同时也满足JGJ104-97《建筑工程冬期施工规程》中关于负温混凝土抗冻临界强度≥4.0MPa的要求。掺量小于1.5%的FH防冻剂混凝土,虽然有部分掺量可以满足R-7≥8%指标的要求,但由于R-7+56≤99%,不能“满足后期强度不低于基准混凝土”的要求,而掺量大于1.5%的FH防冻剂混凝土,其技术指标均满足JC475标准要求,但其强度发展速率并没有成比例地提高,同时过高掺量对混凝土工作性影响较大,故在考虑技术、施工可操作性、材料成本、混凝土物理力学性能与耐久性等综合因素前提下,-15℃时FH新型防冻剂的掺量为占水泥质量的1.5%,适宜掺量范围为1.5%～2.0%。
通过试验还可以看到,所有掺量的R28均大于99%,说明在0.2%～5.0%掺量下,FH防冻剂对混凝土均有增强的性能。但-15℃时,其负温强度的发展在1.5%的掺量时,才能明显地表现出来,当掺量小于1.5%时,新拌混凝土有可能遭到冻害。-15℃条件时,掺量1.5%不但能防止冻害,且强度还可持续增长,满足JC475标准要求,而此温度下,即-15℃时,采用NaNO2的掺量应为8.0%,前者仅为后者的18.75%,不足20%,即15,可见FH-N、FH-C的掺量是足够低的。
2.2 -10℃负温条件下,FH防冻剂的适宜掺量按JC475-2004标准规定,-10℃养护条件下,混凝土R-7≥10%,即负温混凝土f-7≥3.84MPa。将-10℃养护条件下同等掺量混凝土的强度数据与-15℃条件下相比较,可以看到,温度上升了5℃,混凝土的负温养护强度均有10%～30%不同程度的提高,特别是f-7抗压强度,除了0.2%掺量下未达到标准要求的3.84MPa,其余0.5%～2.0%掺量下FH负温混凝土R-7均达标,且R28、R-7+28、R-7+56也满足标准规定要求,并满足JGJ104-97中关于负温混凝土抗冻临界强度值4.0MPa的要求。
综合技术、经济因素,-10℃条件下FH新型防冻剂的适宜掺量范围为占水泥质量的0.8%～1.0%。
2.3 -5℃负温条件下,FH防冻剂的适宜掺量按JC475-2004标准规定,-5℃养护条件下,混凝土R-7≥20%,即负温混凝土f-7≥7.68MPa,以此为限定条件,0.2%、0.5%、0.8%掺量下负温混凝土的f-7全部达到要求,同时还满足了R28≥95%、R-7+28≥90%、R-7+56≥99%的要求,即-5℃负温养护条件下,FH新型防冻剂在0.2%～0.8%掺量下全部合格,但合理掺量范围以占水泥质量0.2%～0.5%为宜。
3 结语
(1) FH新型超低掺量防冻剂均具有极大地降低冰点作用,当FH-N溶液浓度为22.2%时,液相冰点可达到-44.1℃,FH-C溶液浓度为19.56%时,液相冰点可达到-45℃,其冰点效率约为NaCl的1倍,NaNO2的6倍。
(2) FH新型超低掺量防冻剂在混凝土中的适宜掺量范围为占水泥质量的0.2%～2.0%,根据气温环境的不同,其具体掺量如表1。
(3) 在正温养护条件下,FH防冻剂具有早强与增强的性能,当掺量由0.2%向2.5%逐步提高时,其混凝土强度呈现增长的规律,混凝土的1、3d早期强度将提高至110%～150%,28d强度提高至110%以上;当FH掺量提高至2.5%以后,由于会影响混凝土的工作性,不适宜单独作为早强剂或防冻剂使用。
(4) FH新型超低掺量防冻剂在0.2%～2.0%掺量范围内,R28、R-7、R-7+28、R-7+56抗压强度比指标根据使用温度的不同,均达到JC475-2004《混凝土防冻剂》标准要求,其它物理力学性能通过试验也证明均符合标准要求,可作为一种新型环保型防冻剂在混凝土工程冬期施工中应用。
标签：混凝土
