浅议提高水工混凝土抗冻性能的有效途径

段自健

（新疆北方建设集团有限公司 奎屯市 833200）

北方寒冷地区，水工混凝土负温时内部水分冻结，各孔隙周壁上产生相当大的内压力，引起孔壁的胀大并产生拉应力；正温时冰虽融化，但孔壁已产生塑性变形不能复原，反复冻融，孔隙加大，冻层加深，致使混凝土开裂并逐渐遭受破坏。冻融对混凝土的破坏极为突出和严重，冻害现象在北方地区的各类建筑中都有不同程度的发生。因此，抗冻混凝土要比一般混凝土的耐久性要求高，防止遭受冻融损坏的技术措施也要严格。为此，有关部门制定了一系列保证抗冻混凝土质量的技术监督措施，如《水工混凝土结构设计规范（SL/T 191-96）》（以下简称SL/T 191-96）和《水工混凝土施工规范（J 148-2002）》（下简称J 148-2002）等。如何有效提高混凝土的抗冻性是保证混凝土耐久性的前提之一。

1 混凝土抗冻性的技术要求

（1）设计技术要求。

规范SL/T 191-96中规定：混凝土抗冻标号分别为 F50、F100、F150、F200、F300 和 F400 六级。 抗冻标号按28天龄期的试件确定。经试验论证后，也可以利用60天或90天龄期的试件测定。混凝土抗冻标号应根据建筑物所在地区的气候条件、冻融循环次数、表面局部小气候、水饱和程度、结构构件的重要性和检修条件等确定，混凝土抗冻标号的最小允许值详见SL/T 191-96第一部分4.4条的规定。

（2）对施工的要求。

规范J 148-2002规定：混凝土的水灰比，应根据对混凝土性能的设计要求，通过试验确定，并规定有抗冻要求的混凝土必须掺用引气剂。水灰比允许值见表1。

表1 水灰比最大允许值

（3）混凝土抗冻性的检验。

《水工混凝土试验规程》（SD 105-82）把慢冻法和快冻法并列为两种标准方法，根据统一试验所得结果来评定混凝土抗冻性，方法见表2。

表2 混凝土抗冻性评定方法

按规定混凝土试块制作成15 cm×15 cm×5 cm的立方体，进行养护后用慢冻方法进行试验。慢冻法一次冻融循环时间为 8 h，冻融条件：在（-17～-20）℃冻4h （降温过程不计），（15～20）℃融4h为一个循环。慢冻法要同时满足强度损失不超过25%，重量损失率不超过5%时最大循环次数的条件。快冻试件为10 cm×10 cm×40 cm 棱柱体，快冻法（2～4）h 为一个循环，要满足相对动弹性模量值不小于60%和重量损失率不超过5%时的最大循环次数的条件。

2 提高混凝土抗冻性能的有效途径

在北方地区为保证混凝土建筑物有足够的耐久性，不但要求配合比设汁正确、原材料质量可靠，而且还要按施工规程要求施工。

（1）必须掺引气剂。

试验证明，不掺引气剂的混凝土，即使水泥用量增加到540 kg/m3，水灰比降至0.35，也远远满足不了更高次数的抗冻需要。冻融50次强度降低28.2%。因此在普通级配的混凝土中掺入少量引气剂（一般用与水泥重量的比例为 1∶10 000～1.2∶10 000 的松香酸钠榕液），是提高抗冻性的最有效方法。J 148-2002中规定水工混凝土含气量宜采用下列数值，见表3。其他国家在规范上对含气量也有严格要求，见表4。

表3 国内水工混凝土含气量

表4 国外混凝土含气量

国外推荐的含气量较我国实际使用含气量偏低1%～1.5%。抗冻混凝土要有足够的含气量，但过多会影响坍落度，合适的含气量是最重要的。要求气泡尽量小，分布均匀。

引气剂是一种憎水性表面活性剂。溶于水中。在拌和过程中由于混入一些空气，引气剂分子被吸附到空气泡表面而产生大量稳定、均匀、微小的气泡，直径在（0.025～0.300）mm。这些大量互不连通的气泡隔断了毛细管渗水通道，使外部水分不易渗入。在负温下混凝土表面水分冻结使体积增加9%膨胀量时，微泡又能起一定的缓冲作用。在含气量小变的情况下，气泡直径愈小，数量愈多，分布越均匀，抗冻性越高，会免除或减少水泥石因冻胀出现的裂缝和裂缝的继续扩大，因而提高了混凝土的抗冻抗渗性能。

（2）严格控制水灰比。

在其他条件相同的情况下，水灰比越大抗冻性能越差。因为多余的游离水会在混凝土硬化过程中逐渐蒸发，形成大量开口孔隙，而毛细孔无法被完全填塞.造成混凝土吸水性、渗透性增大，起不到防冻的作用。相反，水灰比较小，硬化后混凝土内部密实，强度也相应高，内部可冻水少，孔隙结构改善，大大提高抗冻性。SDJ 207-82规定混凝土水灰比通过试验确定，不得超过表1的规定。

（3）选择合适的水泥品种及用量。

实验及工程实践证明，水工抗冻混凝土应优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。水泥含量中C3A<8%，防止生成硫酸铝盐。纯熟料硅酸盐水泥通常比掺矿物混合料的硅酸盐水泥，特别是火山灰质和矿渣水泥的抗冻性能好。规范规定水泥标号不得低于425#，在严寒地区水工抗冻混凝土的水泥用量不应少于300 kg/m3，不超过500 kg/m3。用量过多或过少除给混凝土质量带来不利影响外，还会在经济上造成损失。

（4）选择抗冻性良好的骨料。

用坚硬、密实的集料配制的混凝土耐久性好；粒径太大或扁平比例大、软弱顺粒和有缝隙的骨料，不宜用于水工混凝土。集料的热胀系数应同周围砂浆膨胀系数相接近，含杂质量一般应小于0.5%。吸水率较小的骨料均会提高抗冻性，经试验，天然砾石及河砂石较多的混凝土可以满足抗冻要求。

（5）选择最佳砂率。

砂浆的抗冻性比混凝土好，适当提高砂率改善和易性，能使伴和物获得最大流动性，保持良好的粘聚性和保水性。确定最佳砂率可按选定的水灰比，保持水泥用量不变，在其条件相同的情况下，坍落度最大的试配拌和物所用砂量为最佳砂率。砂的粒径以中砂为宜，含杂质量小于1%，用量略大于普通混凝土，一般以35%～37%为宜。

（6）选择合适的施工季节。

随着混凝土龄期的增加，水泥不断水化，内部可冻结水量减少，同时水中溶解盐的浓度增加，因而冰点也随龄期的增加而降低，抗冻性能逐渐提高。为防止水工建筑物在早期遭受冻害，选择合适的施工季节，使建筑物在使用前得到良好的养护，有足够的后期强度增长时间是必要的。

3 抗冻混凝土施工的质量保证

良好的配合比、质量优良的原材料，是获得高质量混凝土的可靠保证。配料的计量，引气剂含量的控制，水灰比、坍落度的随时抽查，都是施工过程中质量控制的重要环节，也是保证混凝土抗冻性的重要措施。往往试验室的试验结果合格，但实际产品质量却较差，原因之一就在于实际施工中质量监督把关不严。施工过程中的拌和、运输及振捣成型、养护一系列操作都要严格执行施工规范的要求。在施工过程中要根据气温严格控制含气量，随时检查调整，保证拌和物有足够的含气量，这是提高抗冻性的最重要措施。成品的外观不应有蜂窝、麻面等缺陷，保证混凝土具有良好的密实性和均匀性。要加强混凝土的后期养护，尽量减少水分蒸发，以免造成早期脱水，从而产生裂缝。还要防止混凝土早期受冻，保证达到设计强度。