防冻剂掺量对蒸养混凝土抗压强度影响的试验研究.pdf

2 0 1 4年第 2期 2月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA CO NC RE T E AND C EME NT P RODUC T S 2 0 1 4 No 2 F e b r u a r y 防冻剂掺量对蒸养混凝土抗压强度 影响的试验研究 曹 源 ， 郑立霞 ， 张小玉 ( 1 重庆水利电力职业技术学院 ， 4 0 2 1 0 6 ； 2 武汉理工大学理学院 ， 4 3 0 0 7 0 ) 摘 要 ： 为满足 多基 复合管冬 季生产及施 工的 需要 ， 在 确定 配合 比及蒸 养条件 下 ， 通过试验 ， 研 究 了混凝土脱 模 、 3 d 、 7 d 、 2 8 d 、 9 0 d时的抗压 强度随 防冻剂 ( Na NO2、 K 2 C O ) 掺 量 变化 而变化 的规律 ， 得到 了不 同 负温条件 下防 冻 剂 的最佳掺 量及 掺量 系数 为多基复合管的生产及施工提供 了理论依据和技 术支撑 。 关键词： 防冻剂掺量： 蒸养混凝土； 抗压强度； 试验研究 Ab s t r a c t ： T o me e t t h e n e e d s o f p r o d u c t i o n a n d c o n s t r u c t i o n o f the mu l t i - ma tr i x c o mp o s i t e p i p e i n w i n t e r ,i n t l l e s p e c i fi e d mi x p rop o r t i o n ( w a t e r - c e m e n t r a t i o 0 3 4 ， s a n d r a t i o 0 3 7 ， s u p e r p l a s t i c i z e r d o s a g e 0 5 ， e x p a n s i v e a g e n t c o n t e n t 1 0 ) a n d s t e a m c u ri n g c o n d i t i o n ( 一 1 、 一 3 、 一 5 l a s t i n g l h ， t r a n s f e r ri n g t o c o n s t a n t t e m p e r a t u r e h u m i d i t y c h a m b e r ， h e a t i n g u p r a t e 2 0 h ， t h e r m o s t a t i c t e m p e r a t u r e 6 5 ， t h e rmo s t a t i c p e ri o d 3 5 h ， n a t u r a l c o o l i n g ) ， the s t r i p p i n g s t r e n g t h ， 3 d s t r e n g t h ，7 d s tr e n g t h ， 2 8 d and 9 0 d s t r e n g t h o f c o n c r e t e w i th v a r i a t i o n o f a mo u n t o f a nti f r e e z i n g Na NO2 ，K2 C Os a l e s t u d i e d t o fin d the o p t i mu m c o n t e n t a n d t h e c o e f fi c i e n t of a n t i - f r e e z i n g N a NO K2 C0 3 u n d e r d e rent n e g a t i v e t e mp e r a t u r e ， wh i c h c a n p rov i d e a c o mmo n t e c h n i q u e t o p r o d u c e a n d c o n s t r uc t t h e mu l t i ma t r i x c o mp o s i t e p i p e Ke y wo r d s ： Amo u n t o f a n t i - f ree z i n g a g e n t ； S t e a m c u ri n g c o n c ret e ； C o mp res s i v e s tr e n g t h ；E x p e r i me n t a l r e s e a r c h 中图分类号 ： T U 5 2 8 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 4 ) 0 2 1 3 - 0 4 0前言 新拌混凝土浇筑后之所 以能凝结硬化 ， 直至获 得最终强度 ， 是水泥水化作用 的结果 ， 而水 泥水化 速度不仅与混凝土本身组成材料和配合 比有关 ， 而 且与生产温度密切相关【 n 。当温度降低至 0 及 以下 时 。存在于混凝 土中的水部分甚至全部会结冰 ， 逐 渐 由液相变为 固相 ， 致使参与水泥水化作用 的水减 少 ， 水 化作用减慢甚 至终止 ， 强度增 长变慢甚 至不 再增长 。水变成冰后会产生约 2 5 MP a的膨胀应力 。 此应力往往大 于新成 型混凝土本身所能承受 的应 力值， 使混凝土结构遭受不同程度的破坏【l- 2 。此外， 水变成冰后 ，附着在骨料和水泥浆过渡界面上 ， 减 弱界 面胶 结力 ， 而冰融化后 ， 还会在蒸养混凝 土内 部形成空隙通道 。 削弱混凝土的耐久性 。我国三北 地区( 东北 、 华北 和西北地区 ) ， 一年大概有三分之 一 时间处于冬季施工期 ， 华 中大部分地 区也有漫长 的冬季 3 1 ， 所 以必须重视混凝土的冬季生产问题。采 取合理的措施。 预防混凝土早期受冻 ， 保证混凝土 生产质量 ， 常 见的措施有预热法 、 保温法及掺 防冻 基 金 项 目 ： 国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 8 6 3 项 目 ( 2 0 1 3 A A 0 3 1 3 0 6 ) 。 剂等方法 ， 相对来讲掺防冻剂法最为经济 、 简便。 在 自然或标准养 护条件下生产混凝土时 ， 防冻剂 的 掺加方法 已有 比较系统 的研究6 1 ， 但 在蒸养条件下 掺加防冻剂 的方法却鲜有报道 ， 为此 ， 本 文针对在 蒸养 条件下生产混凝土时 。 防冻剂的掺加方法进行 了较为系统的试验研究 该研究将为在负温条件下 生产混凝土提供理论依据和技术支撑。 1 试块制备、 养护及测试 1 1 试块制备与养护 ( 1 ) 原材料 ： 4 2 5级普通硅酸盐水泥； 细度模数 为 2 7 8的天然河砂 ； 质地坚硬 、 清洁 、 级配 良好的碎 石 ； 自来水 ； P C A聚羧酸高性能减水剂 、 S T B J M低碱 膨胀剂。 ( 2 ) 成 型工艺及 养护 ： 按设定 的配 比或掺量称 取原 材料 、 模具均匀刷油待用 ； 首先将砂 、 水泥 、 膨 胀剂倒人搅拌缸 ，在搅拌过程 中加入水和减水剂 ， 制成水泥砂浆 ；然后将石子倒入水泥浆 中搅拌 ， 最 后加 入防冻剂 ( N A N 0 2 或 K ： C O ， ) ， 迅 速搅 拌均匀后 入模 ， 振动成型 l O O mmx l O 0 m mx l O 0 m 试块 。将 带模试块置于一 1 o C、 一 3 C、 一 5 温度下静养 1 h后 ， 进 入蒸汽养护 阶段 ， 蒸汽养护结束后脱模 ， 然后测脱 模时的抗压强度 ，或进入水养阶段 ，分别水养 3 d 、 一 1 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 2期 混 凝土 与水 泥制 品 第 2 1 4期 7 d 、 2 8 d 、 9 0 d后 ， 再测抗 压 强度 。 1 2测 试 将试块放在 WE 一 1 0 0液压 式万能材料试 验机 上 试 块 中心 与试 验 机 下 压 板 中 心对 准 ， 连 续 而 均 匀地 加 载 ， 加 载 速率 为 0 5 0 8 M P s ， 当试 块接 近 破 坏而开始迅速变形时 。 停止调整试 验机油 门 ， 直 至 试块破坏 ， 记录破坏荷载 ， 并换算其抗压强度 。 2试 验参 考依 据 根据以水胶 比为基础的液灰 比学说 ， 结合实际 经验 ， 考虑水 泥及 外加剂 的品种及性 能 、 混凝土体 积及表面特性 、 施工及养护条件 、 水胶 比等影响混 凝土使用性能的诸多因素 。 提 出了实用性很强的经 验 公式 ： K ( W C ) ( 1 ) 式 中 ， 一 防冻剂 掺 量 ， ； 卜 环 境 的负 温 度 值 ， ； 一混凝土 的水胶 比 ； 一 防冻 剂掺量系 数 ， 该值随防冻剂性质不同而不 同， 应 由试验确定 ； 一 与 水 泥 的 品种 有关 ，采 用 硅酸 盐 水 泥 或 普通 硅 酸盐水泥时为 1 ， 具体值由试验确定 。 由此可知 ， 对 于使用同一种 防冻剂 、 同一品种 水 泥 、 水胶 比相 同的混凝 土 ， 防冻剂掺量 只与负温 温度值有关 ， 为掺外加剂混凝土的生产制备提供 了 依据。参考 混凝土外加剂的原理与应用 同 。 可以大 概确定混凝土防冻剂的最佳掺量 ， 见表 1 。 表 1 防冻 剂与养护温度 3测试 结果 与讨 论 3 1 防冻剂亚硝酸钠对混凝土抗压强度的影响 3 1 1 试验 方 案 本试验混凝土 的配合 比为 ： 水胶 比 0 3 4 ， 砂率 0 3 7 ， 减水剂掺量 0 5 ， 膨胀剂掺量 1 0 。蒸养制度 为： 负温下 ( 一 l 、 一 3 q C 、 一 5 ) 静置 l h ， 然后以 2 0 h 升温至 6 5 ， 恒温 3 5 h ， 最后 自然降温 ， 湿度 9 0 一 1 0 0 蒸养总时间约为 7 5 8 h 。 由表 l可知 ，水灰 比 0 4 环境温度一 5 时 ， N a N O 的最佳掺量为 2 2 5 。 本试验水胶 比为 0 3 4 ， 当环境温度为一 l 时， 根据公式 1可知 ： N a N O 的最 佳掺量可换算为 0 4 。据此制定如表 2的试验方 案。 3 1 2 试 验 结果 分析 一 l 、 一 3 、 一 5 时混凝土抗压强度与 N a N O 2 掺 量 的关系曲线分别如图 1 、 图 2 、 图 3所示 。由图可 知 ，在 一定范围内 ，混凝土脱模 时的抗压强度随 N a N O 掺量的增加而提高，超过一定值 ( 一 l 时为 0 5 5 、 一 3 时为 1 7 、 一 5 时为 2 7 5 ) 后 ， 反而随 掺量 的增加而减小 ； 混凝 土 3 d 、 7 d 、 2 8 d及 9 0 d抗压 强度随 N a N O ： 掺量的增加而提高 ， 但 9 0 d抗压强度 与 2 8 d抗压强度相比降低很多 。 分析原因： 影 响混凝土脱模时抗压强度 的因素 主要有负温温度及防冻剂掺量和蒸养各参数 。在相 1 4 表 2 掺 N a N O 的试验方案及试验结果 同负温时，掺人混凝土中的共溶溶液浓度越大 ， 冰 点越低 ， 混凝土脱模时的抗压强度越大 。然而 ， 在 进入蒸养 阶段后 ， 由渗透压理论可知 ， 环境 中的气 体及混凝 土表面的冷凝水会进入混凝土 内部 ， 蒸 汽 养护下 ，高温高湿度更加剧渗透作用 ，而且 N a N O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 曹源 ， 郑立霞 ， 张小玉 防冻剂掺量对蒸养混凝土抗压强度影响的试验研究 -4 1 - 9 0 d 一 2 8 d 0 7 d 十3 d +脱模 04 0 5 O 6 07 O 8 N a N O 2 掺量， 一 1 时混凝 土抗 压强度与 N a N O 2 掺量的关系 9 0 d 28 d 7 d 3 d 脱模 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2O Na N O2 掺量， 图 2 3 时混凝土抗压强度与 N a N O 掺量 的关系 5 O 4 5 日 4 0 氲3 5 雷3 0 蝠 2 5 2 0 Z 5 U 2 5 5 26 0 2 6 5 2 7 【 J 2 7 5 2 8 O 28 5 Na NO 2 掺量 图 3 5 时混凝 土抗 压强度与 N a N O ： 掺量的关系 掺加越多 ， 渗透作用就越 明显。因此 ， 当前者作用 处于优势地位 时混凝土脱模时 的抗压强度 就随着 N a NO ： 掺量的增加而提高；当后者作用处于优势地 位时 ， 混凝土的抗压强度就会 随着 N a N O ： 掺量 的增 加而减小。 N a N O 加人 负温生产的混凝土 中时 ， 在降 低 冰点 的同时 ， 也改变 了混凝 土的微 观结构 ， 混凝 土中盐溶液浓度越 大 ， 表 面张力就 越大 ， 致使混凝 土内部产生裂缝等不可恢 复的损伤 ， 降低混凝土后 期抗压强度【“ 】 。 由此可见 ： 一 1 、 一 3 、 一 5 时 。 既能保证脱模时 的抗压强度 、 又能保证后期抗压强度 的 N a N O ： 的最 佳掺量分别为 0 5 5 、1 7 、 2 7 5 。 由上述试验结果及分析可知 ，蒸养条件下 在 水胶 比、 原 材料相 同的情况下 ， 防冻剂 的掺量与负 温温度成正 比，基本符合公式 1 。但 由表 1可知 ， 一 1 时防冻剂 的最佳掺量可换算为 0 4 而试验结 果为 0 5 5 ， 可能跟蒸汽养护 、 外加剂的掺加等 因素 有关 。 根据公式 1可计算出本试验条件下 N a N O 的 掺量系数为 1 6 ，为负温条件下制备蒸养混凝土生 产提供一定的理论指导。 3 2 防冻剂碳酸钾对混凝土抗压强度的影响 3 2 1 试验 方案 根据公式 1可知 ， 一 1 时 K 2 C 0 ， 的最佳掺量为 0 5 ， 但试验掺量为 0 2 时 ， 脱模时的抗压强度 已 达到 1 9 1 2 MP a ， 因此 ， 制定试验方案如表 3 。 表 3 掺 K 2 C 0 ， 的试验方案及试验结果 3 2 2 试验结果分析 一 l 、 一 3 、 一 5 时混凝土抗压强度与 K 2 C O 3 掺 量 的关系曲线分别如 图 4 、 图 5 、 图 6所示 。由图可 知 在一定范 围内 。混凝 土脱模 时的抗压 强度随 K 2 C O 。 掺量的增加而提高 ， 一定值( 一 1 时为 0 2 5 、 一 3 O C 时为 0 7 5 、 一 5 时 为 1 2 5 ) 后 ， 反而 随掺 量 的增加而减小 ； 混凝土 3 d 、 7 d 、 2 8 d及 9 0 d抗压强度 随 K C O ， 掺量 的增 加而提 高 ， 9 0 d抗压强度较 2 8 d 抗压强度有缓慢的小幅增长 分析原因 ： K C O ， 本 身可 以与水泥水化产物 C a ( O H ) ： 及水反应 ， 生成难溶的六水碳酸钙 ， 与水泥中 的含水铝酸盐反应生成 A F m， 形成混凝土结构的骨 架 ， 提高混凝土的抗压强度 。同时， 反应消耗混凝 土 中的水分 ， 又可以生成 K O H， 增加 了共 溶物的浓 度 ， 降低 冰点 。 为混凝土在低 负温下 的水化提供条 一 】 5一 卯 加 ：2 B d W， 骥幽 巨 B d W 髓隈 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 2期 混凝土与水泥制品 总第 2 1 4期 9 O d 2 8 d 7 d 3 d 脱模 0 2 0 02 5 03 0 035 04 0 K 2 C O 3 掺量 图 4 一 l 时混凝土抗压强度与 K 2 C 0 ， 掺量 的关 系 一9 O d 一2 8 d 一 7 d 十3 d 一 脱模 0 7 0 0 8 O 09 0 l _O 1 1 1 2 K 2 C O 3 掺量 图 5 3 时混凝 土抗 压强度与 K 2 C 0 ， 掺量的关系 1 d 一 1 = = = 车 ： = j = j 一脱 模 一 - + 一 1 2 0 1 2 5 l _3 O 1 3 5 1 4 0 K 2 C O 3 掺量， 图 6 5 时混凝土抗压强度 与 K 2 C O 掺量的关系 件。当转入蒸养条件后 六水碳酸钙在较高温度下 又可 以分解释放出水分 ， 为水泥继续水化生成水化 硅酸钙凝胶提供了必要的水分 。 而且 C S H填充六 水碳酸钙分解后结晶水所 留空隙的同时 ， 也填充了 A F m结构骨架 的空隙 ，使得混凝土结构更加密实 ， 蒸养后抗压强度迅速提高增长 3 d抗压强度增长迅 速 ， 后期抗压强度也不断地缓慢提高【 l2 1 。 若碳酸钾掺 量过多 ， 易导致混凝 土速凝 ， 反应所需 的水分不足 或者生成晶体结构粗大 。 都会致使脱模抗压强度出 现不同程度的降低 。后期抗压强度之所以随掺量增 加而提高， 可能与水养有关。 市场调查每吨 K 2 C 0 的费用较 N a N O 便宜 1 0 0 元左右 ， 相同负温下前者掺量小于后者 ， 而且 N a N O ： 有毒 ， 对于输水等有特殊需要 的管道不能选用。因 此 ，从 经济 性和 满 足工 程需 求 的角 度考 虑 选择 一 1 6一 K ： C O ， 较为合理 ， 在一 l o C、 一 3 、 一 5 时 最佳掺量分 别为 0 2 5 、 0 7 5 、 1 2 5 ， 掺量系数为 0 7 3 5 。 4结论 ( 1 ) 蒸 养条件下 ， 防冻剂 的最 佳掺量及掺量 系 数虽与标准养护下有所不同， 但在水胶比、 原材料 相同的情况下 ， 防冻剂的掺量与负温温度 同样成正 比， 基本符合公式 1 。 ( 2 ) 负温情况下 ， 在蒸养混凝 土 中添加 防冻剂 N a N O 2 ， 静养期分别置于一 l 、 一 3 、 一 5 环境下 l h ， 其最佳掺量分别为 ： 0 5 5 、1 7 、 2 7 5 ， 掺量系数 为 1 6 。 ( 3 ) 负温情况下 ， 在蒸养混凝 土中添加 防冻 剂 K 2 C O 3 ，静养期分别置于一 1 、 一 3 、 一 5 环境下 l h ， 其最佳掺量分别为 ： 0 2 5 、 0 5 、 1 2 5 。掺量系数 为 0 7 3 5 。 综合考虑 ，蒸养混凝土负温下掺 K 2 C O ， 比较经 济合理。 参考文献 ： 1 】 黄政 宇 土木工程材料【 M】 北京 ： 高等教育 出版社， 2 0 0 2 2 】卜 雅 辉， 周景新 混 凝土 冬季施 工 的质量 保证 措施 分 析 【 J 辽宁建材， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 1 7 1 9 【 3 】 王珏 ， 任慧韬， 刘丽霞 施 工期受冻混凝 土与钢筋粘结性 能 试验研究 J 工业建筑， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 7 5 7 8 4 】 王迎飞 负温高性 能混凝土( N T HP C ) 制备 与研究【 D 】 武 汉理工大 学 2 0 0 3 5 】 王海军， 彭跃琴， 曹颖 N A N 0 2型 防冻剂不 同组 分作用 机 理 J 混凝土， 2 0 0 1 ( 4 ) ： 5 8 5 9 6 】 阮炯 正 如何确定混凝土 防冻剂 的掺量 【 J 】 混凝土， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 2 8 3 1 7 陈建奎 混凝 土外加剂原理和应用 ( 第二版 ) 【 M】 北京 ： 中 国计 划出版社 。 2 0 0 4 8 】 葛兆明， 余成行 混凝土外加剂 ( 第二版 ) 【 M 】 北京： 化学工 业 出版社 2 0 1 2 【 9 】 张豪杰 掺复合 防冻剂普 通混凝 土冬 季施 工质 量检测 与 试验研究 D I 兰州理工大学 2 0 1 2 【 1 0 】 王珏 施工期受冻混 凝土与钢 筋的力学性 能研究【 D 大 连理 工大学 2 0 1 0 1 l 】 苏晓宁， 王碹， 迟道 才 混凝 土受冻 机理及防冻外加剂作 用研究 J 混凝土， 2 0 0 4 ( 1 1 ) ： 2 2 - 2 4 【 l 2 】彭波 蒸 养制度 对高强 混凝土性 能 的影 响 D I 武 汉理 工 大学 2 0 0 7 收稿 日期 ： 2 0 1 3 1 2 2 9 作者简介 ： 曹源( 1 9 8 7 一 ) ， 女 ， 助教 。 通讯地址 ： 重 庆市 永川区昌州大道东段 8 0 1号 联 系电话 ： 1 3 3 6 8 2 7 7 1 0 2 E- ma i l ： 6 3 4 3 1 8 7 7 8q q c o m 如 巧 加 嚼 1 1 J J J J J J J J l J l 加 善 慧 们 B d W， 骥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m