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耐冻融混凝土如何应用外加剂?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-03-29

我国北方地区冬期气候寒冷,港口、桥梁隧道、冷却塔等一些处于水位交变处或经常受水浸 润的混凝土及钢筋混凝土构筑物,频繁地经受冰冻和融化作用,若抗冻融能力不够,多则一二十年,少则数年就出现不同程度的冻融破坏。近十几年来,许多桥梁和(高速)公路经常使用化雪 剂融化积雪,也使混凝土受到损害。

一、外加剂选择

混凝土遭受冻融作用破坏的原因是:①水结冰时体积膨胀达9%,混凝土毛细孔中的含水率 超过某一临界值(91.7%),结冻时将产生很大的压力,致使混凝土发生破坏;②过冷水迁移渗 透压。当毛细孔水结冰时,凝胶孔水处于过冷的状态,蒸汽压比同温度下冰的蒸汽压高,从而发 生凝胶水向毛细孔冰的界面渗透,由于渗透达到平衡需要一定的时间,致使一定冻结温度时的膨 胀作用将持续一定的时间;③混凝土受盐冻时,NaCl在相对量的水溶液中不能完全溶解或形成过 饱和溶液,使混凝土内的渗透压增大,饱水度大大增加,因而结冰的静水压明显增大,盐和冰共同作用下的破坏力加大。

混凝土遭受反复冻融,混凝土内的微细裂缝逐渐增长、扩大,破坏使用不断积累,强度和质 量不断损失。影响混凝土抗冻性的主要因素有:水灰比、水泥用量、含气量、孔结构、水泥品种 及集料的质量。水灰比小、水泥用量高、含气量大、孔结构好的混凝土抗冻性能好,研究表明高 强混凝土不加引气剂也有非常的抗冻融性、C60混凝土可经受500次冻融循环,最易受到冻融循 环损害的是C30以下、水灰比大于0.5的混凝土。

(一)应用外加剂的目的

(1)引入适量的微气泡,缓解膨胀应力。一般认为,混凝土含气量在5%左右,气泡间隔系数为0.1~0.2mm,气泡直径小于0.2mm时抗冻性能较好。

(2)减小水灰比。水灰比对混凝土的抗冻性能有较大影响。有关试验表明,在含气量均为6%的情况下,水灰比为0.45的混凝土经受300次冻融循环仍未破坏,水灰比0.55的混凝土经受100次冻融即破坏。混凝土的含气量和水灰比是影响混凝土抗冻性的决定性因素。满足抗冻性要 求的引气量取决于相应的水灰比(混凝土强度等级)。水灰比越小,满足抗冻性所必需的含气量 越低。对于含气量小于3.5%的普通混凝土,其水灰比对于抗冻性有着显著的影响,水灰比越小, 抗冻性越好。

(二)外加剂的选择

(1)引气减水剂、引气高效减水剂:原苏联 以超塑化剂C-3与松脂皂等复合,其流态混凝土的 抗冻指标高达500~600。我国以萘系减水剂、木 钙、引气剂等复合也取得较好效果。 

(2)引气剂:如SJ-2型、PC-2型引气剂可大 幅度提高混凝土的抗冻性,图1是混凝土的抗冻性对比,优质引气剂气泡间隔为0.18mm以内,直径 小于0.2mm的气泡占70%以上。应选择气泡平均 孔径和气泡间距小、气泡稳定性好的高质量引气 剂。上述引气剂还可与高效减水剂、三乙醇胺早强 剂等复合使用,复合使用时注意相容性。

 

图1 SJ-2引气剂对混凝土的抗冻性的影响 

二、施工技术

引气剂确定后,混凝土的抗冻性主要由混凝土的含气量来决定,混凝土施工技术是控制含气 量,必须把握好以下几点:

(1)混凝土的拌合条件对含气量会有影响,搅拌机种类、搅拌混凝土的量以及搅拌速度均不 同程度影响混凝土含气量。机械搅拌比人工搅拌含气量要大,自落式搅拌比强制式搅拌含气量要 大,搅拌总量增加1倍时含气量也成倍增加。混凝土含气量随时间延长而增加,搅拌时间在5min以内,对含气量影响比较显著,超过5min,影响不大,搅拌时间过长(20min以上)含气量随时 间延长而有所下降。

(2)温度对含气量也有明显的影响,搅拌温度每升高10℃,则混凝土含气量要下降20%左 右。同时,混凝土从搅拌到浇筑之间的停放时间对含气量也有影响。混凝土运输和停放时间越 长,含气量损失就越大。

(3)混凝土施工时的振捣方式对混凝土含气量影响也很大。振捣时间越长,含气量损失越大,振捣50s以内含气量变化大,长时间振捣(2min以上)使含气量降低50%以上,施工时要注意。振捣方式不同也不一样,振动台振捣与高频振捣棒插捣比较起来,高频振捣对含气量的损失 要大得多。

(4)采用泵送施工时,泵压的作用也会引起混凝土含气量的损失。混凝土经运输、浇筑、振捣后含气量减少30%左右,因为混凝土入模后的含气量难以测定,只能在搅拌机或运输车卸料口取样检测,测得的含气量应大于实际需要的含气量。以上这些影响又因集料的种类、级配及引气剂的品种不同而不同,因此当施工方法和材料确定以后,在选择引气剂时一定要通过模拟现场施工条件的试验,以保证使用效果。应从引气剂掺量、混凝土的运输、振捣等各环节着手,使成型后的混凝土含气量达到设计要求。美国推荐的混凝土含气量见表1。

表1 美国推荐的混凝土含气量参考表

除认真选用引气型外加剂以提高混凝土的抗冻性外,在配制过程中还应采用硅酸盐水泥或普 通硅酸盐水泥,水泥用量不少于300kg/m,水泥中不得含有石灰石的混合材组分。采用坚固、密 实的集料,适当提高砂率,提高保水性。抗盐冻的混凝土还应掺入优质矿物外加剂,以提高降低 Cl渗透的效果。混凝土抗冻性试验时,应采用快冻法,因为快冻法比慢冻法的结果更可靠。某 些引气剂与萘系减水剂复合时,会因为萘系减水剂的抑制作用使混凝土含气量偏低,需提高引气 剂掺量。我们在为某C25级冷冻机基础配制抗冻融混凝土时,用SJ-2引气剂+萘系减水剂0.6%试拌混凝土,含气量仅2%(单加SJ-2引气剂时含气量为3.8%),后又加入0.1%的木钙减水剂, 含气量升至5%。此外,除考虑引气剂的品种、掺量和复合使用外加剂外,还要从以下几个方面入手控制掺外加剂的耐冻融混凝土质量:

①水泥的品种和用量

在同样品种及掺量下,普通硅酸盐水泥含气量高于矿渣水泥和火山灰水泥,表2表明普通硅 酸盐水泥混凝土的含气量高于火山灰水泥。在达到同样含气量时,普通水泥的引气剂掺量比矿渣 水泥要低30%~40%。水泥细度大,含气量就小,含有粉煤灰的水泥含气量比不含粉煤灰的要小。水泥用量的增加使含气量减小,一般水泥用量每增加90kg/m,含气量约减少1%。粉煤灰能强烈 吸附引气剂,使含气量减少,混凝土中掺有粉煤灰时引气剂掺量明显增加。保持含气量不变,粉煤灰每增加10%,SJ引气剂约需增加0.01%。碱含量高则含气量小,因为碱会减小水泥浆体液 相中钙离子的溶解度,使气泡周围的水膜变薄,气泡稳定性较差。

表2 水泥品种对掺松香热聚物混凝土含气量的影响

 

②集料的影响

卵石混凝土含气量大于碎石混凝土,石子最大粒径越大,相同掺量时混凝土含气量越小 (图2)。砂子粒径和级配对混凝土含气量影响较大,相同的引气剂掺量下,砂子粒径范围在0.3~0.6mm时,混凝土含气量最大,而小于0.3MM或大于0.6mm砂子的混凝土含气量都显著下降。砂率对混凝土含气量影响也较明显,含气量随着砂率的提高而增大(图3)。采用人工砂时,引气剂掺量要比采用天然砂多一倍用量。

 

图2 集料最大粒径对混凝土含气量的影响       图3 混凝土含砂率对含气量的影响

③用水量和坍落度的影响

引气剂掺量一定时,由于混凝土用水量的不同,将引起混凝土拌合物坍落度的变化,从而影响气泡的形成与稳定,导致混凝土含气量明显的改变。混凝土用水量过低时,由于干硬性或低塑 性混凝土拌合物黏度大,使得气泡的形成较困难,混凝土含气量较低;混凝土用水量过大,大坍落度或流态混凝土拌合物中气泡聚合逸出的可能性 增大,混凝土振动过程中容易引起大量气泡逸出,又使得含气量急剧下降。研究显示,坍落度在4~12cm范围内,气泡的生成和稳定比较有利。从图4可见,流态混凝土(坍落度在20cm左右)如果通过捣棒捣实时,其含气量的损失比机械振动相对减小。事实上,在实际工程中,大坍落度混凝土振动 时间很短就可达到良好的密实性和均匀性,因此混凝土含气量的损失会小些。

 

图4 混凝土用水量或坍落度对含气量的影响 

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