在冬期施工過程中，當平均溫度小于或等于５℃時，混凝土強度發展緩慢。當最低氣溫在-1～-2℃時，如不采取有效保溫措施，新澆筑的混凝土有可能發生凍害，一旦受凍將給混凝土帶來很大的破壞，有可能給工程質量造成事故。能使混凝土在負溫下硬化，并在規定時間內達到足夠防凍強度的外加劑，稱為防凍劑。摻有防凍劑的混凝土可以在負溫下硬化而不需要加熱，最終能達到與常溫養護的混凝土相同的質量水平。在冬季使用防凍劑，再加上良好的保溫養護是減輕混凝土早期病害及提高混凝土防凍效果切實有效的措施，可保證混凝土的耐久性及強度達到施工要求，保證混凝土工程質量。因此，必須根據混凝土凍害的機理和規律，正確使用防凍劑，這對保證工程質量具有十分重要的意義。

一、防凍劑作用機理

混凝土防凍劑是冬季負溫條件下施工摻用的外加劑。摻用防凍劑能在規定溫度下，顯著降低混凝土的冰點，細化冰晶，使混凝土的液相不凍結或保持一定數量的液相水，保證水泥的水化作用，并在一定的時間內獲得預期強度，混凝土在低溫下不至于凍脹而受損破壞。防凍劑在混凝土中的作用機理主要有以下幾種。

（1）冰晶畸變理論

純水在0℃結冰時，由于氫鍵的作用會導致水分子匯聚形成凍脹力很強的分子集合體。在水中加入防凍劑后，溫度降低到其冰點以下也會慢慢有冰析出，但水分子間的氫鍵由于受到防凍劑分子的干擾，會析出呈絮狀結構、宏觀上非常柔軟、凍脹應力顯著降低的細小冰晶。例如，NaNO2、Na2SO４、Ca（NO３）2等降低凍脹力的能力都很強。

（2）烏拉爾定律

防凍劑的濃度對降低混凝土拌合物中液相冰點有一定的作用，只有降低液相冰點，才能保證在負溫下條件下，混凝土有液態的水參與水泥水化。這是使用防凍劑的混凝土，在負溫條件下混凝土依然可以水化，提高混凝土強度。

（３）液灰比平衡理論

當溫度降至混凝土中液相冰點時，含有防凍劑的混凝土拌合物也會逐漸開始析冰，在負溫環境下的液相，冰點隨著析冰濃度增大而降低，隨即在此負溫條件下達到冰液共存狀態，也就是新的動態平衡。此時，混凝土中的液態水可以保證水泥繼續進行水化，防凍劑濃度不變，液相濃度也不變，冰融化產生的水補充水泥水化需要的水，這也就是液灰比平衡。

（４）成熟度理論

溫度對水泥水化的影響極其顯著，配合比一定的混凝土，隨著養護溫度的降低，水泥水化速率變慢，混凝土強度的增長速率逐漸降低。因此，混凝土強度的發展不僅僅是養護時間有關，也與養護溫度有很大的關系。比如20℃時成熟度系數為1，而在-10℃時成熟度系數僅僅只有0.12。在冬期混凝土施工驗收時的混凝土成熟度按600℃·d計算，并規定不超過60d，對于很多不采取保溫措施的工程，即使超過60d依然難以達到規定600℃·d的成熟度，回彈檢測時常常強度偏低。

二、防凍劑的成分

防凍劑和防凍組不是同一個概念，防凍劑是外加劑的一種，它由減水組分、防凍組分、引氣組分、有時還摻有早強組分等組成。其作用是使混凝土不僅在負溫下硬化，且使其最終能達到常溫養護的混凝土質量水平。而防凍組分是指一種使混凝土拌合物在負溫環境下,免受凍害的化學物質。在冬季混凝土工程施工中，為了避免混凝土遭受凍害，生產時常加入防凍劑來降低混凝土中液態水的冰點溫度，保證混凝土內部有滿足水化的液態水存在，減輕由于低溫帶來的損害。目前應用較廣的防凍劑大多是復合型防凍劑，具有坍落度損失小、減水率高、早期強度高、凝結時間適中等優點，其主要成分包含防凍組分、減水劑、引氣劑等，各組分的百分含量隨使用地區的冬季氣溫變化特點而不同。

（1）防凍組分

其作用是破壞冰的晶形，降低水的液相冰點，保持混凝土內部存在水泥水化反應所需要的液態水，避免混凝土遭受凍害，盡快達到早期強度。使用防凍組分首先可以降低水的冰點，保證混凝土在負溫下的水化反應繼續進行，如氯化鈉、亞硝酸鈉等；其次也可以使冰的晶格形態發生變化，降低凍脹應力，避免混凝土強度受到損害，如尿素、甲醇等。此外，有些防凍劑雖然無法降低混凝土中水的冰點，卻可以直接與水泥發生水化反應加快混凝土的凝結硬化，提高混凝土早期強度，如氯化鈣、碳酸鉀等。

（2）早強組分

早強組分在混凝土水化反應中起催化作用，加速混凝土的凝結硬化，使其盡快達到抗凍臨界強度，提高混凝土的抗凍能力。同時，由于水泥水化反應的進行，促進結合水的產生，水化反應也能產生一定量的水化熱，減輕混凝土凍害。

（3）減水組分

減少混凝土的用水量，消除凍脹內因，增強混凝土密實度。減水劑能將水泥分散為更小的顆粒，改善混凝土內部孔隙結構。減水劑吸附在水泥表面可以釋放包裹水，使冰晶粒度由大變小，減小結冰時的對混凝土產生的脹凍壓力。水灰比直接影響混凝土的孔隙率及孔結構。水灰比較小時，混凝土硬化后密實度高，存在于混凝土內部的可凍游離水減少，抗凍性能提高。隨水灰比的增加，不僅飽和水的開孔總體積增加，而且平均孔徑也增加，在凍融過程中產生的凍脹壓力和滲透壓力就大，混凝土的抗凍性就會降低。防凍劑中的減水組分，可以減少拌和用水量，從而減少游離水總量，從根本上減少可凍冰的含量，消除凍脹內因。通過減水組分的分散作用，釋放包裹水，消除劣質水泡，使粗大冰晶轉化為細小冰晶，優化水泥水化環境，減輕凍脹壓力。

（4）引氣組分

引氣劑是引入的細小氣泡，吸收冰晶形成過程中產生的凍脹應力，減輕混凝土凍脹時的裂紋擴展，降低對混凝土凍脹力。含氣量的增加還可以增加混凝土內部潤滑性，改善混凝土和易性，進而改善混凝土內部結構。細小氣泡可以切割混凝土內的有害孔道，提高混凝土的耐久性。

（5）復合防凍劑

為了克服單一早強劑存在的不足，發揮各自的特點，通常將三乙醇胺、硫酸鈉、氯化鈣、氯化鈉、石膏及其他外加劑復配組成復合早強劑，有時產生疊加效應，使效果大大改善。

常用的配方有：

三乙醇胺0.02%～0.05%＋氯化鈉0.5%；

三乙醇胺0.02%～0.05%＋氯化鈉0.3%～0.5%＋亞硝酸鈉1%～2%；

三乙醇胺0.02%～0.05%＋生石膏2%＋亞硝酸鈉1%～2%；

硫酸鈉1%～1.5%＋亞硝酸鈉1%～3%＋氯化鈣0.3%～0.5%＋氯化鈉0.3%～0.5%；

硫酸鈉0.5%～1.5%＋氯化鈉0.3%～0.5%；

硫酸鈉1%～1.5%＋亞硝酸鈉1%；

硫酸鈉0.5%～1.5%＋三乙醇胺0.05%；

硫酸鈉1%～1.5%＋三乙醇胺0.03%～0.05%＋石膏2%；

氯化鈣0.3%～0.5%＋亞硝酸鈉1%。

三乙醇胺復合其他早強劑是非常典型的例子，現在也有資料介紹三乙醇胺與硫氰酸鈉、硫代硫酸鈉與硫氰酸鈉復合使用，而且硫氰酸鈉的促凝效果也遠勝過三乙醇胺。但硫氰酸鈉一般不與氯化鈉復合使用，這樣會加劇氯化鈉的銹蝕性。

三、防凍劑的復配過程中的注意事項

防凍劑的復配不是簡單地將幾種不同組分混合在一起，應當通過實驗驗證各種成分復合后的效果是疊加還是相互抵消，同時應該根據混凝土原材料、配合比、技術要求等情況，充分考慮各組分對混凝土性能的影響。

（1）復配時用水量不能過高，容易造成防凍減水劑劑自身結冰；

（2）注意早期和防凍組分中無機鹽用量，防止用量過大造成減水率降低、保坍能力下降以及對混凝土后期強度和耐久性的影響；

（3）選用合適的無機鹽類防凍、早強組分，避免在低溫狀態下結晶沉淀，堵塞管路，影響混凝土生產；

（4）使用有機物作為防凍組分時，摻量不宜過大，避免影響到混凝土的后期強度；

（5）控制好防凍劑中的氯離子含量和堿含量，防止對混凝土的耐久性造成影響。氯鹽類摻量不得大于拌和水用量的7%；亞硝酸鈉、亞硝酸鈣、硝酸鈉、硝酸鈣摻量均不得大于水泥重量的5%； 尿素的摻量不得大于水泥重量的4%；碳酸鉀摻量不得大于水泥重量的10%。

四、防凍劑的摻量

如何恰當準確地確定防凍劑的摻量，防凍劑使用過程中十分關注的問題。從實際應用來看，混凝土防凍劑的摻量受水泥品種、用量、水灰比、溫度、減水劑品質及用量、養護條件、工程部位、形狀及模板等影響。這些中水灰比、溫度、結構件表面系數等與防凍劑摻量成正比，而水泥用量、減水劑減少用水量等與防凍劑摻量成反比。有采取以水灰比為基礎的說法，認為混凝土的抗凍能力與液體和灰量有關，相對應的防凍劑摻量計算為：

a＝Ct·（W/C）·I·dt （1）

式中：a——防凍劑摻量（%）；

Ct——溫度t時防凍劑溶液質量分數（%）；

dt——原始水溶液密度（g/cm3）；

I——生成的冰量（%）；

W/C——混凝土的水灰比。

從防凍劑摻量的公式看出，許多計算參數不容易確定，增加了計算的難度和不準確性。有關人員研究發現混凝土中防凍劑水溶液結冰量I達到40%～50％時，對混凝土強度不會產生不良影響，如結冰量按1=50％由式（1）計算在混凝土確定的負溫條件下防凍劑摻量為：

a=0.5Ct·（W/C）·dt （2）

五、摻加防凍劑后的混凝土需不需要保溫養護

有施工人員認為，混凝土中已經添加的防凍劑，已經具有防凍能力不需要養護也沒事。從上文對防凍劑的作用機理分析來看，施工過程中進行保溫養護是必要的也是必須的。盡早使混凝土達到臨界強度才行，減少混凝土凍害的根本。依照國家規范，冬季負溫度條件下澆筑的混凝土在受凍前，混凝土不得低于“硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥拌制的混凝土為設計混凝土強度標準的30%、礦渣硅酸鹽水泥拌制的混凝土為設計混凝土強度標準的40%，在摻用防凍劑的混凝土當溫度降到防凍劑的規定溫度以下時，其強度不應低干3.5～5.0MPa”，即混凝土達到某一個強度值（臨界強度），就可以具有一定的抵抗強度.低溫不會再對混凝土造成損害，氣溫正常后強度會升高到設計強度。

因此，在冬期混凝土工程施工過程中，使用防凍劑后依然應采用其它冬季施工措施，如暖棚法、綜合蓄熱法等。

在日氣溫-5℃～+5℃正負溫交替條件下，可使用早強劑或早強減水劑，混凝土澆筑后采用覆蓋塑料薄膜+一層草袋或其它代用品覆蓋養護；日氣溫-5℃～-10℃時，可采用規定溫度為-5℃的防凍劑，混凝土澆筑后采用覆蓋塑料薄膜+兩層草袋或其它代用品覆蓋養護；最低氣溫為-15℃時，采用規定溫度為-15℃的防凍劑，混凝土澆筑后及時采用保溫措施進行混凝土養護。

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