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冬季施工用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:2012-04-17

按《建筑工程冬期施工规程》(JGJ104—97)的规定,根据当地多年气象资料,统计室外日平均气温连续五天低于5℃时,混凝土结构工程应进入冬期施工。我国在混凝土冬期施工技术方面进行了大量的试验研究和工程应用,尤其在采用外加剂方面取得了显著成效。

一、外加剂选择

混凝土冬期施工中应用外加剂的目的在于:①提高混凝土的早期强度,加快工程进度。混凝土的强度发展与温度很敏感,20℃时混凝土7d左右强度才达到设计强度的70%,而1~5℃时30d左右强度才达到设计强度的70%,凝结时间延长约3倍。所以,低温环境下应用外加剂的主要目的是提高混凝土的早期强度,加快工程进度,节省钢模的租用费及提高预制场产量;②防止冻害,加速负温下混凝土强度增长。新浇筑的混凝土受冻后,因水结冰后体积膨胀8% ~9%,致使水泥石结构损坏,水泥石与集料的粘结力减弱,强度损失30% ~40%,抗冻性和抗渗性显著下降。所以,负温环境下混凝土施工时应用外加剂的主要目的是防止冻害。其措施有降低水的冰点,降低冰胀应力,减少拌合用水量及提高混凝土的早期强度。根据JGJ104—97规定,浇筑的混凝土受冻前抗压强度不低于下列值:硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥配制的混凝土,为设计的混凝土标准值的30%;矿渣硅酸盐水泥配制的混凝土,为设计的混凝土强度标准值的40%,但不大于C10的混凝土不得低于5N/mm;③适应泵送混凝土的可泵性、防水混凝土的抗渗性、受冻融的混凝土的耐久性。

我国地域辽阔,各地区的气候相差很大,混凝土冬期施工时应用外加剂的主要目的有所不同。根据气候特点,我国冬期施工可分为以下三类:

(1)低温类:如长江中下游地区的冬期,华北、东北及西北的春末冬初,气候特点是昼夜温差较大,白天为正温,夜间冰冻,冻融频繁。日最低气温一般在-5℃以上;寒流袭击时可降至-8~10℃,但持续时间较短。这类地区应用外加剂的主要目的是提高混凝土的早期强度,加快冬期施工进度。早期强度的提高,也起到防止冻害的作用。

(2)寒冷类:如华北地区,气候特点是最冷月份平均气温在-5~15℃之间,寒流袭击时可能降到-20~-15℃。应用外加剂的主要目的是防止冻害,其次是加速混凝土强度增长,提高施工速度。

(3)严寒类:如黑龙江、吉林、内蒙古、青海、新疆等地。气候特点是最冷月份平均气温低于-15℃,寒流袭击时,日最低气温度-20℃以下。这类地区混凝土冬期施工中遇到的主要问题是冻害,防止冻害,提高冬施混凝土工程质量,是严寒类地区应用外加剂的主要目的。

混凝土冬期施工用外加剂可按以下施工方法选用:

(一)早强外加剂法

所用的外加剂应根据气温、对新拌混凝土及硬化混凝土的性能要求选择。主要产品如下:

(1)高效减水剂、低引气型高效减水剂及缓凝高效减水剂。如AF、建1型、AT及萘系高效减水剂等,适用于养护温度0℃以上的混凝土施工。它可显著地改善混凝土的可泵性,减少用水量,提高混凝土的早期强度和后期强度,以较低标准与水泥配制较高强度混凝土,提高抗渗性、抗冻性等。

(2)早强剂、早强减水剂。如金星3型、早强减水剂(主要成分是木钙及硫酸钠),NC、金星2型等早强剂(主要成分是糖钙及硫酸钠),适用于日最低气温-5℃以上施工的混凝土。在0℃左右的环境下,龄期7~10d的强度达设计强度的70%,后期强度、抗渗性等有所提高。

(3)早强高效减水剂。如S型、金星4型,主要成分是高效减水剂及硫酸钠,适用于日最低气温-5℃,在长江中下游等地区适用于日最低气温-10℃的混凝土冬期施工。在0℃左右的环境下,龄期5~7d的混凝土强度达设计强度的70%,后期强度、抗渗性、耐久性等显著提高,并可提高混凝土的和易性。

(二)综合蓄热法

适用的外加剂可用早强外加剂或防冻剂,早强外加剂有高效减水剂、早强剂、早强减水剂及早强高效减水剂。防冻剂多是无氯盐类复合防冻剂。

(三)热养护早强外加剂法

混凝土早期在正温下水化硬化,故适用的外加剂同早强外加剂法,即高效减水剂、早强剂及早强减水剂、早强高效减水剂。热养护早强外加剂法经常误用防冻剂。防冻剂的功能是降低水的冰点,使水泥负温下水化硬化。在正温下应用防冻剂就没有意义,有时还会使后期强度和耐久性下降。

(四)防冻剂法

应优先选用无氯盐类复合防冻剂,由高效减水剂组分、防冻组分、早期组分、引气组分等组成,具有掺量少、抗冻害功效高,混凝土后期性能稍有改善的特点。这种多功能的高效防冻剂克服了普通防冻剂掺量高、混凝土后期强度和耐久性下降的弊端。

二、施工技术

冬期施工所用外加剂与使用的施工方法有直接关系。

(一)早强外加剂法

早强外加剂法,即在拌制过程中加入适宜的早强型外加剂,提高混凝土早期强度及避免混凝土冻害的冬期施工方法。该方法对混凝土原材料不作任何预热处理,并按常规方法养护,即不作任何加热及专门的保温措施。

早强外加剂法具有施工简便、节能、掺量少、经济效益显著的特点,混凝土的早期强度显著提高,后期性能改善,对钢筋无锈蚀危害,同时可改善和易性及节省水泥等。该方法适于低温类地区,已在长江中下游地区得到普遍推广应用。

(二)蓄热外加剂法(综合蓄热法)

蓄热外加剂法是蓄热法和外加剂法相结合的冬期施工方法。即在混凝土搅拌过程中加入适宜的外加剂(早强外加剂或防冻剂),对拌合水预先加热(必要时对砂子也加热),混凝土入模温度高于+10℃,浇筑的混凝土用保温材料覆盖。

使用早强外加剂的综合蓄热法保持了早强外加剂法简便、节能、经济效益显著的特点,而且可延伸到寒冷类地区应用。它可进一步加速混凝土早期强度增长,加速模板周围及缩短生产周期。使用防冻剂的综合蓄热法可使寒冷类地区的混凝土在正温下获得较高的初期强度,有较多的自由水变为结合水,迅速达到抗冻临界强度,确保在负温下免受冻害。该方法保持了防冻剂法的优点,并使防冻剂法更趋安全、稳妥、可靠,而且可进一步减少防冻剂掺量。缺点是对原料(一般是对拌合水)要进行预热处理。

(三)热养护早强外加剂法

热养护早强外加剂法是在混凝土搅拌过程中加入适宜的早强型外加剂,养护期间利用暖棚法、蒸汽加热法、电加热法等措施,使混凝土在正温条件下达到预期强度。该方法不仅适用于低温类地区,也适用于寒冷类及严寒类地区。它保持了早强外加剂法掺量少、混凝土早期强度发展快、后期性能提高及改善施工和易性的优点。缺点是养护期间需热处理,能耗较高。

(四)防冻剂法(冷混凝土法)

防冻剂法是在混凝土搅拌过程中加入适宜的防冻剂,在负温条件下能使水泥水化,在一定的负温养护时间内达到预期强度的冬期施工方法。该方法又名负温混凝土法,即只要保证混凝土入模温度不低于+5℃,可不对原材料作预热处理,养护时只作常规的覆盖(如盖1~2层草袋),不作专门的保温及加热处理。该方法具有简便、节能、经济的特点,适用于寒冷类及严寒类地区的冬期施工。

三、质量控制

(一)原材料

(1)水泥:冬期施工混凝土应尽量选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥,强度等级不低于32.5,用量不少于300kg/m。避免用矿渣硅酸盐水泥或粉煤灰硅酸盐水泥,在不得不选用后者时,应当注意同时使用优质早强型防冻剂。冬期施工可选用早强硫铝酸盐水泥,冬期大体积混凝土也可以采用普通硅酸盐水泥,但应避免使用R型早强水泥,严禁使用高铝水泥。

(2)集料:集料是混凝土的基本材料,其用量大、产地广。采用优质的集料是配制优良混凝土的重要条件,因此应严格控制集料的质量。冬期施工中,对集料除要求没有冰块、雪团外,还62要求清洁、级配良好、质地坚硬,不应含有易被冻坏的矿物。掺外加剂混凝土含钾钠离子多时,集料中不应含有活性氧化硅(蛋白石、玉髓等),以避免产生碱集料反应。防冻剂含碱量参见表1。当混凝土中含碱量超过允许值,同时混凝土用于受潮湿的部位时,对集料实际含碱量最好进行碱活性检验,不使用有碱活性集料。在混凝土中掺入活性混合材,如粉煤灰、超细沸石粉、硅灰等。

表1 防冻剂的含碱量。

(3)拌合水:拌合水中不得含有导致延缓水泥正常凝结硬化及引起钢筋和混凝土腐蚀的离子。凡是一般饮用的自来水及洁净的天然水,都可以作为拌制混凝土用水。但污水、工业废水及pH值小的酸性水和硫酸盐含量(按SO计)超过1%的水,不得用于混凝土中;海水不得用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构中。

(4)保温材料:冬期施工所用保温材料,应根据工程类型、结构特点、施工条件和当地气温情况选用。一般应就地取材,综合利用。选择的保温材料,导热系数要小,密封性好,坚固耐用,防风防潮,价格低廉,重量轻,便于搬运和支设,能够多次重复使用。保温材料必须保持干燥,含水量对导热系数影响很大,因此保温材料特别要加强堆放管理,注意不与冰雪混杂在一起堆放。

(5)外加剂:①冬期施工首先选用与浇筑时预计环境温度及施工方法相适应的早强外加剂或防冻剂。在日最低气温为-5℃,混凝土采用一层塑料薄膜和两层草袋或其他代用晶覆盖养护时,可采用早强剂减水剂代替防冻剂;在日最低气温为-10℃、-15℃、-20℃,采用上述保温措施时,可分别采用规定温度为-5℃、-10℃和-15℃的防冻剂。尽量选用复合减水、引气成分的防冻剂,但含气量不宜超过4%,按《混凝土防冻剂》(JC475—2004)的要求,查验说明书、质保书等文件,查明其主要成分、碱含量、适用规定温度及适宜掺量。硝酸盐、亚硝酸盐及碳酸盐作防冻组分的防冻剂均不宜用于有镀锌钢埋件、铝埋件的钢筋混凝土。饮水工程及食品工程用的混凝土不得选用铬盐早强剂、亚硝酸盐和硝酸盐防冻组分的防冻剂。居住及商用建筑宜选用不含尿素防冻组分的外加剂,若选用了含氨类物质的防冻剂应根据《混凝土外加剂释放氨的限量》(GB18588—2001)进行测定和判断,释放氨量必须小于或等于0.10%;②配制复合防冻剂前,应测定防冻剂各组分的有效成分、水分及不溶物的含量,配制时应按有效固体含量计算。防冻剂与其他外加剂一起使用时要进行相容性检验,与减水剂或泵送剂一起使用要先模拟实际条件试验,合格后才能用于生产。配制复合防冻剂溶液时,应搅拌均匀;如有结晶或沉淀等现象,应分别配制溶液,并分别加入搅拌机,例如:氯化钙、硝酸钙、亚硝酸钙溶液不可与硫酸钠共混。复合剂以溶液形式供应时,不能有沉淀存在,不能有悬浮物、絮凝物存在。贮存液体防冻剂的设备应有保温措施。氯化钙与引气剂或引气减水剂复合使用时,应先加入引气剂或引气减水剂,经搅拌后,再加入氯化钙溶液;钙盐与硫酸盐复合使用时,先加入钙盐溶液,经搅拌后再加入硫酸盐溶液。以粉剂直接加入的防冻剂,如有受潮结块,应磨碎通过0.63mm的筛后方可使用。

(二)混凝土配合比

掺引气组分防冻剂混凝土的砂率,比不掺外加剂混凝土的砂率可降低2%~3%;C20混凝土的水灰比宜采用0.50~0.60,C40混凝土的水灰比宜采用0.35~0.45;C20混凝土的水泥用量不宜低于300kg/m,C40混凝土不宜低于450kg/m。重要承重结构、薄壁结构的混凝土可增加10%的水泥。大体积混凝土的最少水泥用量应根据实际情况而定。长期处于潮湿和严寒环境中混凝土的最小含气量应符合表2要求。有抗冻性要求的混凝土最大水灰比应符合表3的要求。

表2 含气量要求

表3 抗冻混凝土的最大水灰比

(三)施工

(1)掺防冻剂混凝土用的原材料,应根据不的气温按下列方法进行加热:

①水泥不得直接加热,也不得与80℃以上的水直接接触,使用前宜运入暖棚内存放。

②气温低于-5℃时,可用热水拌合混凝土;水温高于65℃时,热水应先与集料拌合,再加入水泥。

③气温低于-10℃时,集料可移入暖棚或采取加热措施。集料冻结成块时须加热,加热温度不得高于60℃,并应避免灼烧。用蒸汽直接加热集料时,带入的水分应从拌合水中扣除。

④在自然气温不低于-8℃时,为减少加热工作量,只加热拌合水,就能满足拌合物的温度要求。

(2)掺防冻剂混凝土搅拌时,应按下列要求进行:

防冻剂为粉剂时,可按要求掺量直接加入水泥中;防冻剂为液体防冻时,应配成施工所用浓度的溶液,每班使用的外加剂溶液应一次配成。防冻剂溶液应有专人配制,严格掌握防冻剂的掺量并做好记录,随时测定溶液温度和密度以确定溶液的浓度。严格控制水灰比,由集料带入的水及防冻剂溶液中的水,应从拌合水中扣除。搅拌前,用热水或蒸汽冲洗搅拌机,搅拌时间比常温延长50%。掺防冻剂混凝土拌合物的出机温度,严寒地区不得低于15℃;寒冷地区不得低于10℃。入模温度,严寒地区不得低于10℃,寒冷地区不得低于5℃。

(3)掺防冻剂混凝土的运输及浇筑要求,应与不掺外加剂的混凝土相同,并应符合下列规定:混凝土在浇筑前,应清除模板和钢筋上的冰雪和污垢,但不得用蒸汽直接融化冰雪,以免再度结冰;混凝土运至浇筑处,应在15min内浇筑完毕,浇筑完毕后在混凝土的外露表面,应用塑料薄膜及保温材料覆盖。

(4)掺防冻剂混凝土的养护:

在负温条件下养护,不得浇水,外露表面必须覆盖;初期养护在达到临界强度之前,温度不得低于防冻剂的规定温度,否则应加强保温措施;气温不低于-15℃时,混凝土受冻临界强度不得小于0.4MPa,气温不低于-30℃时,不得小于0.5MPa。

拆模后混凝土的表面温度与环境温度之差大于15℃时,应采用保温材料覆盖养护。负温混凝土的最短养护时间见表4。

表4 负温混凝土最短养护时间

混凝土需达到一定强度后才允许拆模,对不同部位混凝土结构的拆模强度限制可见表5。

表5 拆模所需混凝土强度达设计强度的百分数

(5)混凝土的温度测量:混凝土浇筑后,在结构最薄弱和易受冻的部位,应加强保温防冻措施,并应布置测温点测定混凝土的温度。测温点的埋入深度应为20~30mm,在达到抗冻临界强度前应每隔2h测定一次,以后每隔6h测定一次,并应同时测定环境温度。

(6)掺防冻剂混凝土的质量,应满足设计要求,并应按下面的方法进行检验:应在浇筑地点制作一定数量的混凝土试件进行强度试验。其中一组试件应在标准养护条件下养护,其余放置在与工程相同条件下养护(最好放在易于受冻的部位)。除按规定龄期试压外,在达到抗冻临界强度时,拆模前及拆除支撑前应进行试压。

试件不得在冻结状态下试压,100mm立方体试件,应在15~200℃室内解冻3~4h或浸入100℃的水中解冻3h;150mm立方体试件,应在15~20℃室内解冻5~6h或浸入10℃的水中解冻6h,试件擦干后试压。

检验抗冻、抗渗所用试件,应与工程同条件养护28d后,再按标准养护28d后进行抗冻或抗渗试验。含气量、减水率、凝结时间试验,可按常规方法进行。

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