防冻剂对高寒地区干硬性混凝土力学性能的影响

邓旭艳，苟万康，丁 庆

(1.中国电力建设集团有限公司西南指挥部，四川 成都 610000；2.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610000；3.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

针对某工程地处高原高寒地区，全年中有5个月气温低于0 ℃、有8个月气温低于5 ℃，冬季最低气温处于-15～-20 ℃、最高气温处于10～15 ℃，昼夜温差大。混凝土施工期受冻融破坏是该工程亟需解决的关键问题，掺防冻剂是冬季施工保证混凝土质量的主要手段。

普通混凝土受冻后，内部结构受到破坏，强度损失较大，但掺入防冻剂后，强度损失则变得很小。这一现象与防冻剂具有降低冰点、促进硬化、降低抗冻临界强度(混凝土抵抗冻害的最小强度)的功能有关[1-3]。换言之，由于防冻剂可降低混凝土中孔溶液的冰点，混凝土在负温下也可以进行缓慢的水化，尽快形成混凝土孔结构，并具有一定的早期抗冻强度。如巴恒静等[4-5]研究表明，在-15 ℃下，掺入3%～5%(占胶材用量，下同)的防冻剂可降低混凝土25%～28%的抗冻临界强度；对哈尔滨地区-3～-26 ℃自然变负温条件下，对掺与不掺防冻剂的混凝土性能进行了研究，结果表明，掺3%防冻剂混凝土各龄期强度比不掺防冻剂时提高20%以上。江守恒等[6]研究了掺与未掺防冻剂混凝土预养不同时间冻融后相对动弹模变化，结果表明，掺加防冻剂比未掺防冻剂的混凝土提前48 h达到抗冻临界强度。

面对高原高寒地区低平均气温、高频冻融、干燥的复杂自然环境和工期紧张的施工条件，针对用水量少、水胶比低(0.38～0.42)、维勃稠度4～10 s的干硬性混凝土，在掺加了防冻剂之后其最终性能能否满足设计要求，值得进一步研究。

1 试 验

1.1 原材料

水泥：PO42.5低碱水泥。水泥比表面积为325 m2/kg，28 d抗压强度为50.2 MPa，28 d抗折强度8.5 MPa。

细骨料：机制砂，细度模数为3.0，属中砂。

粗骨料为花岗质初糜棱岩碎石，分为3种粒径：小石(5.0～10.0 mm)、中石(10.0～20.0 mm)和大石(16.0～31.5 mm)。小、中、大石按1:2:7比例混合，获得的合成级配符合MH 5006—2015《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》[7]的粗骨料上下限要求。

外加剂：高效减水剂、引气剂、防冻剂。防冻剂混凝土R-7抗压强度比为39%，R-7+28抗压强度比为109%，符合JC 475—2004《混凝土防冻剂》[8]的合格品要求。

1.2 试验内容

(1)直接受冻的负温条件下，对比掺和不掺防冻剂砂浆早期强度，以考察防冻剂的早期强度防冻害效果。砂浆试验需说明的是，砂浆模拟混凝土配合比按照同样的胶材与砂比例进行配制。

(2)室内试验研究了防冻剂对混凝土力学性能的影响：对比测试了掺防冻剂混凝土在低温和负温条件下的早期强度，以考察防冻剂混凝土是否需要早期预养。对比测试防冻剂混凝土预养1 d、2 d的R-7+28d混凝土强度，以考察预养时间对防冻剂混凝土的影响。

(3)室内模拟现场养护温度，试验测试了防冻剂混凝土力学性能。

(4)基于上述室内研究成果，开展防冻剂混凝土性能的现场应用验证。

2 试验结果与讨论

2.1 砂浆试验

砂浆先在20 ℃养护6 h，再按照表1的养护条件进行养护。砂浆配合比及强度结果见表1。

表1 防冻剂对负温下砂浆早期强度的影响

与标准养护(20 ℃)相比，负温在-5 ℃下，不掺防冻剂，砂浆抗压强度降低了95%，没有抗折强度；负温在-5℃下，掺防冻剂后，砂浆抗压强度降低了56%，抗折强度降低了68%。由此说明，直接受冻条件下，掺防冻剂是有效的，利于提高早期强度以防冻害；负温对掺防冻剂砂浆抗折强度的影响比抗压强度大。

2.2 混凝土试验

分别在负温-5 ℃和低温5 ℃的条件下养护混凝土，掺防冻剂的混凝土早期强度试验结果见表2。

表2 防冻剂对混凝土早期强度的影响(对比负温与低温)

低温在5 ℃下，防冻剂掺量3%，其混凝土7 d抗压强度达到标准养护的90%、7 d抗折强度达到标准养护的83%；负温在-5 ℃下，即使防冻剂掺量增加至6%，其混凝土7 d抗压、抗折强度仅达到标准养护的一半。试验结果表明，与低温相比，在直接受冻的负温条件下，尽管增加防冻剂掺量，早期强度的降低幅度仍较大。由此说明，掺防冻剂混凝土需要一定的早期预养，这样才能更好地发挥防冻剂效果。

预养1 d、2 d防冻剂混凝土强度试验结果见表3，混凝土配合比同表2。试验结果表明，与1 d相比，负温在-2 ℃下预养2 d，混凝土抗折强度R-7提高了6%，R-7+28提高了19%；负温在-15 ℃下，混凝土抗折强度R-7提高了19%，R-7+28提高了11%。可见，受冻之前预养时间越长，防冻剂混凝土强度越高。

从表3还可看出，要达到标准养护强度的90%，掺防冻剂混凝土需常温预养2 d。

表3 预养时间对混凝土抗折强度的影响

2.3 防冻剂的现场应用

2.3.1 现场混凝土配合比

防冻剂混凝土现场施工配合比见表4。从拌合楼取样16组混凝土，其混凝土抗折强度平均值为6.0 MPa，满足设计强度5.0 MPa要求。

2.3.2 模拟现场养护的防冻剂混凝土抗折强度

根据现场温度监测结果，浇筑3 d内混凝土温度为 10～24 ℃，棉被保温期间5～10 ℃。为了模拟现场混凝土温度，室内20 ℃预养3 d，再置于现场同条件保温养护。掺防冻剂混凝土抗折强度试验结果见表5。结果表明，与不掺防冻剂相比，掺防冻剂混凝土7 d、28 d抗折强度明显提高；掺防冻剂的混凝土28 d强度超过设计要求5.0 MPa，而不掺防冻剂的不满足设计强度要求。由此说明掺防冻剂是有效的；防冻剂掺量即使提高至6%，混凝土抗折强度却没有提高，可见防冻剂掺量3%即可。

表4 防冻剂混凝土现场施工配合比

表5 模拟现场养护的混凝土抗折强度试验结果

3 结 论

(1)砂浆试验结果表明，不预养、负温受冻条件下，掺防冻剂是利于提高砂浆早期强度；负温对防冻剂砂浆抗折强度影响比抗压强度大。

(2)混凝土试验结果表明，掺防冻剂混凝土需要一定的早期预养，使受冻前混凝土具有一定的强度，只有这样才能更好地发挥防冻剂效果。

(3)现场应用表明，掺防冻剂的现场混凝土抗折强度满足设计要求，应用效果较好。

(4)现场浇筑结果表明：适宜掺量的防冻剂，可延长每天施工时间2 h，延长冬季施工工期15 d。该试验结果适用于高寒地区、工期较紧的工程，可保证混凝土施工质量和施工进度。