混凝土防凍劑作為我國“三北”地區工程建設冬期施工所的材料之一,其在混凝土中所起的作用也越來越大。按JC475-2004《混凝土防凍劑》標準的規定,我國的防凍劑主要分為氯鹽類、氯鹽阻銹類、無氯鹽類、有機化合物類、復合型防凍劑五類,根據氣溫環境的不同以及結構物所處的環境不同,防凍劑的種類與摻量、成分也隨之變化,主要選擇與應用依據為GB50119-2003《混凝土外加劑應用技術規范》標準。
目前,國內混凝土防凍劑產品主要還是以無機鹽類防凍劑(NO2-、SO42-、NO3-、Cl-鹽類)為主,有機類防凍劑為輔,防凍劑摻量居高不下,尤其是在以建筑工程為主的、對混凝土結構耐久性要求較低的工業與民用建筑中,防凍劑摻量更達10%以上(-15℃環境下),從而帶入大量的堿金屬離子或氯離子,對混凝土結構的長期性能與耐久性帶來隱患。而在一些大型基礎設施,如水利、電力、核電廠、港工、橋梁等工程建設中,由于對Cl-和堿含量的嚴格控制,又造成“無料可用”的被動局面。因此,為確保混凝土工程“綠色化”的進程和可持續化發展的目標,研究與開發低摻量、超低摻量混凝土防凍劑材料勢在必行。
在2006年2月就超低摻量混凝土防凍劑新型材料的開發進行了聯合攻關,并在此領域進行了深入的研究與工程應用,取得了大量的技術數據,并將此新型超低摻量防凍劑暫定名為FH新型超低摻量混凝土防凍劑,分為兩個系列產品,分別為FH-N、FH-C,其的特點為冰點值極低、無氯、微堿含量、超低摻量,較傳統防凍劑的摻量降低800%～1000%。
1 FH超低摻量防凍劑冰點測試
采用冰點儀測試FH新型防凍劑的冰點,并與傳統防凍劑主要組份NaCl、NaNO2進行對比,結果示于圖1～圖4。
由圖1、圖2可見,當FH-N溶液濃度為22.2%時,液相冰點可達-44.1℃,FH-C溶液濃度為19.56%時,液相冰點可達到-45℃;而在相同液相濃度情況下,FH-C的冰點較FH-N的冰點值更低一些。
圖3與圖4分別是NaCl、NaNO2的不同濃度溶液冰點值,與圖1、圖2中的FH新型防凍劑材料相比,非常明顯地看出,在相同濃度下,FH溶液的冰點值較NaCl的溶液冰點值低出1倍以上,而較NaNO2的冰點值低6倍以上,因此,FH新材料在負溫混凝土抗凍性能中將會顯示出顯著的冰點效應。很顯然,由于冰點效應極其明顯,FH-C、FH-N是具有比NaCl、NaNO2更明顯的抗凍作用,或者在同一冰點下,FH-C、FH-N的摻量要遠遠低于NaCl、NaNO2,從而顯著減小Na2O的含量。
2 -5、-10、-15℃負溫條件下FH防凍劑的適宜摻量
按我國現行行業標準JC475-2004《混凝土防凍劑》的規定,防凍劑材料在混凝土工程中按使用溫度不同劃分為三個溫度區間:-15、-10、-5℃,下面也按此規定進行三個溫度區間的摻量試驗。
試驗原材料:哈水P.O42.5水泥、中砂、16～31.5mm碎石
基準配比(kgm3)∶水泥∶砂∶石∶水=330∶709∶1156∶185
FH新型防凍劑摻量(占水泥質量%):0.2%～5.0%
強度測試齡期:-7d、-7+7d、-7+28d、-7+56d
養護方式:-15、-10、-5℃恒負溫冷庫
預養模式:按JC475-2004規定,-15、-10、-5℃預養成熟度分別采用120、150、180℃·h。
2.1 -15℃負溫條件下,FH防凍劑的適宜摻量
基準混凝土的f28=38.4MPa,按JC475規定,-15℃條件下防凍劑合格品的R-7≥8%,即防凍劑混凝土f-7≥3.1MPa,同時,還需滿足R28≥90%、R-7+56≥99%的要求,按此條件,從-15℃下不同摻量FH混凝土的試驗結果來看,能滿足早期強度及后期強度要求的摻量為1.5%,此摻量下,FH-N的f-7=4.6MPa,FH-C的f-7=5.3MPa,不但滿足以上條件,同時也滿足JGJ104-97《建筑工程冬期施工規程》中關于負溫混凝土抗凍臨界強度≥4.0MPa的要求。摻量小于1.5%的FH防凍劑混凝土,雖然有部分摻量可以滿足R-7≥8%指標的要求,但由于R-7+56≤99%,不能“滿足后期強度不低于基準混凝土”的要求,而摻量大于1.5%的FH防凍劑混凝土,其技術指標均滿足JC475標準要求,但其強度發展速率并沒有成比例地提高,同時過高摻量對混凝土工作性影響較大,故在考慮技術、施工可操作性、材料成本、混凝土物理力學性能與耐久性等綜合因素前提下,-15℃時FH新型防凍劑的摻量為占水泥質量的1.5%,適宜摻量范圍為1.5%～2.0%。
通過試驗還可以看到,所有摻量的R28均大于99%,說明在0.2%～5.0%摻量下,FH防凍劑對混凝土均有增強的性能。但-15℃時,其負溫強度的發展在1.5%的摻量時,才能明顯地表現出來,當摻量小于1.5%時,新拌混凝土有可能遭到凍害。-15℃條件時,摻量1.5%不但能防止凍害,且強度還可持續增長,滿足JC475標準要求,而此溫度下,即-15℃時,采用NaNO2的摻量應為8.0%,前者僅為后者的18.75%,不足20%,即15,可見FH-N、FH-C的摻量是足夠低的。
2.2 -10℃負溫條件下,FH防凍劑的適宜摻量按JC475-2004標準規定,-10℃養護條件下,混凝土R-7≥10%,即負溫混凝土f-7≥3.84MPa。將-10℃養護條件下同等摻量混凝土的強度數據與-15℃條件下相比較,可以看到,溫度上升了5℃,混凝土的負溫養護強度均有10%～30%不同程度的提高,特別是f-7抗壓強度,除了0.2%摻量下未達到標準要求的3.84MPa,其余0.5%～2.0%摻量下FH負溫混凝土R-7均達標,且R28、R-7+28、R-7+56也滿足標準規定要求,并滿足JGJ104-97中關于負溫混凝土抗凍臨界強度值4.0MPa的要求。
綜合技術、經濟因素,-10℃條件下FH新型防凍劑的適宜摻量范圍為占水泥質量的0.8%～1.0%。
2.3 -5℃負溫條件下,FH防凍劑的適宜摻量按JC475-2004標準規定,-5℃養護條件下,混凝土R-7≥20%,即負溫混凝土f-7≥7.68MPa,以此為限定條件,0.2%、0.5%、0.8%摻量下負溫混凝土的f-7全部達到要求,同時還滿足了R28≥95%、R-7+28≥90%、R-7+56≥99%的要求,即-5℃負溫養護條件下,FH新型防凍劑在0.2%～0.8%摻量下全部合格,但合理摻量范圍以占水泥質量0.2%～0.5%為宜。
3 結語
(1) FH新型超低摻量防凍劑均具有極大地降低冰點作用,當FH-N溶液濃度為22.2%時,液相冰點可達到-44.1℃,FH-C溶液濃度為19.56%時,液相冰點可達到-45℃,其冰點效率約為NaCl的1倍,NaNO2的6倍。
(2) FH新型超低摻量防凍劑在混凝土中的適宜摻量范圍為占水泥質量的0.2%～2.0%,根據氣溫環境的不同,其具體摻量如表1。
(3) 在正溫養護條件下,FH防凍劑具有早強與增強的性能,當摻量由0.2%向2.5%逐步提高時,其混凝土強度呈現增長的規律,混凝土的1、3d早期強度將提高至110%～150%,28d強度提高至110%以上;當FH摻量提高至2.5%以后,由于會影響混凝土的工作性,不適宜單獨作為早強劑或防凍劑使用。
(4) FH新型超低摻量防凍劑在0.2%～2.0%摻量范圍內,R28、R-7、R-7+28、R-7+56抗壓強度比指標根據使用溫度的不同,均達到JC475-2004《混凝土防凍劑》標準要求,其它物理力學性能通過試驗也證明均符合標準要求,可作為一種新型環保型防凍劑在混凝土工程冬期施工中應用。
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