冬季施工中混凝土外加剂应用要点

本文由同济大学孙振平教授课题组冀言亮整理

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由于冬季气温较低，混凝土施工中需采取有效措施以防止混凝土硬化过程因受冻而损伤。传统的防冻措施如加热法与暖棚养护等（如图1所示），不仅耗能大，而且需要投入额外的人力和设备，增加了施工复杂性和成本^[1]。

我国在利用外加剂解决混凝土冬季施工中混凝土早期强度过低及强度增长缓慢等问题方面已取得不少经验。20世纪五十年代在混凝土中加入氯化钙或氯化钠；六十年代出现了复合型早强剂方案，如三乙醇胺-亚硝酸钠-氯化钠复合型早强剂；七十年代又出现了硫酸钠-亚硝酸钠-石膏-氯化钠等复合的方案。与传统的加热法和暖棚养护法相比，混凝土冬季施工中使用适宜的外加剂可达到良好的防冻害效果，且工艺简便，具有较佳的可操作性和经济性^[2]。直到目前，工程中仍采用这些单一型或复合型的外加剂作为混凝土冬季施工的防冻方法之一^[3]。

图1冬季施工混凝土的养护（图片来源于网络）

然而，外加剂在混凝土冬季施工中的应用仍存在一些技术问题，以致影响其在工程中的普遍推广。相较于常温施工环境，外加剂在混凝土冬季施工中的应用更为复杂，具体表现在外加剂的掺量、掺入方式、储存环境以及变质外加剂处理方式等方面。若混凝土冬季施工中不合理地使用外加剂，将会对混凝土的工作性、力学性能及耐久性等产生极为不利的影响。

本文主要介绍混凝土冬季施工中常用的几种外加剂及其分类，阐述各种外加剂对混凝土性能的影响，并对混凝土冬季施工中外加剂的应用要点进行概述。

在冬季施工时，混凝土外加剂的选用一般从防冻、早强、减水和改善耐久性等方面予以考虑，下面对冬季施工中常用的几种外加剂进行简要介绍。

混凝土防冻剂能显著降低混凝土中液相的冰点，抑制水结冰从而加速水泥初期水化，并降低冰晶压力。按照化学组成可将防冻剂分为强电解质无机盐类、水溶性有机化合物类和有机化合物与无机盐复合类。

(1) 强电解质无机盐类防冻剂

这类防冻剂包括氯盐类和非氯盐类两种。氯盐类防冻剂是指以含氯元素的无机盐为防冻组分的外加剂；非氯盐类防冻剂是指以亚硝酸盐或硝酸盐等不含氯元素的无机盐为防冻组分的外加剂。

(2) 水溶性有机化合物类防冻剂

以醇类等有机化合物为防冻组分的外加剂。

(3) 有机化合物与无机盐复合类防冻剂

JC 475-2004《混凝土防冻剂》标准中，防冻剂的规定温度(混凝土养护时的温度)分别为-5°C、-10°C和-15°C，应根据施工时具体的环境温度选择相应的外加剂^[4]。另外，外加剂掺量也随混凝土的浇筑温度与养护温度的不同而不同。一般混凝土的浇筑与养护温度越低，外加剂的掺量越高。

混凝土早强剂是指能提高混凝土早期强度，并且对后期强度无显著影响的外加剂。冬季施工中，混凝土早强剂可加速水泥硬化速度，使之快硬早强，在内部温度降到0°C以下之前达到临界强度。

早强剂按化学组成可分为无机盐类、有机物类和有机物类与无机盐类复合型早强剂三类。

(1) 无机盐类早强剂

无机盐类早强剂主要有氯盐早强剂、硫酸盐早强剂、硝酸盐早强剂和亚硝酸盐早强剂等，其中氯化钙早强作用较好，使用历史悠久。

(2) 有机物类早强剂

最常用的有机物类早强剂为三乙醇胺，此外还有甲酸钙、乙酸、乙酸盐和尿素等。

(3) 有机物类与无机盐类复合型早强剂

三乙醇胺-氯盐、硝酸钙-尿素、亚硝酸钙-硝酸钙-尿素、亚硝酸钙-硝酸钙-氯化钙-三乙醇胺，以及亚硝酸钙-硝酸钙-氯化钙-尿素等，都是有机物类与无机盐类复合而成的早强剂产品。有机物类与无机盐类复合作为早强剂使用，不仅早强效果突出，而且有助于取长补短并降低成本。

使用减水剂可减少混凝土的含水量，使冰晶变得细小均匀，进而减小水结冰对混凝土产生的破坏应力。因此，混凝土冬季施工中减水剂的使用也是必不可少的。目前使用较普遍的减水剂品种主要有：

(1) 木质素磺酸盐（钙或钠）普通减水剂；

(2) 萘磺酸甲醛缩合物高效减水剂；

(3) 多环芳烃磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂；

(4) 三聚氰胺磺酸盐甲醛缩合物高效减水剂；

(5) 脂肪族高效减水剂；

(6) 聚羧酸系减水剂；

(7) 改性木质素磺酸钙(或钠)高效减水剂。

其中冬季施工用减水剂以萘系减水剂与脂肪族减水剂为主，另外，复合了早强组分的聚羧酸系减水剂在混凝土冬季施工中也较为常用，而早强型聚羧酸系减水剂的研究开发则正在努力开展。

掺加引气剂可在混凝土中引入封闭微小的气孔(含气量在3%-5%为宜)，这些气孔能缓冲拌合水结冰时产生的体积膨胀，有利于抵抗早期冻害，并提高混凝土硬化后的耐久性。根据化学成分，引气剂可分为以下几类：

(1) 木材树脂酸类；

(2) 合成洗涤剂类；

(3) 磺化木质素的盐类；

(4) 石油酸盐类；

(5) 磺酸烃的有机盐类。

冬季施工中需在混凝土中引气时，也可以使用具备引气作用的减水剂，如木钙、木钠和聚羧酸系减水剂等。

另外，对于钢筋混凝土工程，也需使用阻锈剂来减少或阻止混凝土中金属预埋件的锈蚀从而提高冬季施工混凝土的耐久性。

外加剂对于混凝土冬季施工的质量有着重要的作用，掌握各个外加剂在混凝土冬季施工中注意的要点，可以更好地指导外加剂的应用。

选用防冻剂时，应重在保证混凝土防冻的临界强度(如表1所示)。任何一种符合标准的防冻剂产品，都有明确的“使用温度”(如-10°C、-15°C和-20°C)。虽然防冻剂的使用温度就是允许混凝土施工的温度，但应着重与混凝土抗冻临界强度联系起来理解，即在环境温度降低到外加剂的使用温度前，混凝土必须达到抗冻临界强度，这样混凝土才是安全的，否则混凝土仍有可能被冻坏。

表1各国标准规定的防冻临界强度

另一方面，应正确选用防冻剂的品种并确定合适的掺量。每一种防冻剂都有较佳的掺量范围，低于此掺量，混凝土早期强度建立较慢，混凝土内部水的冰点降低程度不足；而掺量过高，其所含的盐类对混凝土的性能将产生许多不利影响，特别应严防防冻剂中Cl^-对钢筋的锈蚀危害。氯盐是一类比较理想的防冻剂组分，但鉴于其对混凝土内部钢筋有锈蚀作用，需配合阻锈剂一起使用。此外，应严防含有尿素或硝铵组分的防冻剂释放的氨对人体产生危害，对于住宅、办公室、水塔或水池等混凝土工程，防冻剂释放氨量必须符合相关标准。需特别注意的是防冻剂与其它品种外加剂共同使用时，应先进行试验，满足相关要求后才可正式投入使用。

(1) 氯盐早强剂

尽管氯盐早强剂的早强效果优异，又可降低冰点，但使用氯盐早强剂一定要注意具体情况。钢筋混凝土中加入氯盐(如氯化钙、氯化钠早强剂或含有这些盐的外加剂)会导致孔溶液中Cl^-/OH^-比例提高，使钢筋钝化膜破裂，产生锈蚀危害。

因此，应注意氯盐（按无水状态）的掺量，相关研究表明，钢筋混凝土中允许的氯离子不得超过水泥重量的1%，而无筋混凝土中则不得超过水泥重量的3%。为减少氯盐对钢筋锈蚀的促进作用，使用氯盐早强剂亦应同时使用阻锈剂。

(2) 硫酸盐早强剂

1) 注意对水泥的适应性

与硅酸盐水泥相比，硫酸盐早强剂对于矿渣硅酸盐水泥和火山灰水泥具有更好的早强效果，其原因在于硫酸盐能激发水泥混合材中玻璃体的潜在活性。

2) 注意硫酸盐早强剂掺量对混凝土长期性能的影响

尽管硫酸盐早强剂能在较低温度下促使水泥水化，形成大量钙钒石，提高混凝土的早期强度，但如果水泥石已经建立了稳定的结构，再继续生成钙钒石，则钙钒石结晶长大产生的结晶压力将有可能破坏水泥石的结构，导致混凝土强度下降甚至开裂等不良后果。硫酸盐掺量的不同，对混凝土凝结时间的影响也有较大差异。因此在使用该类早强剂时，应先进行试验，确定较佳掺量。

3) 注意防止混凝土表面起霜

混凝土内部常含有可溶性的盐和碱离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺和OH^-等)， 当混凝土内部水分向外蒸发时，便将这些可溶物携带到混凝土表面，水分蒸发后，这些离子被留在混凝土表面沉淀下来，有些可能被雨水冲掉，有些可能与空气中的 二氧化碳作用生成白色的难溶盐，难以除去。特别对于冬季施工的混凝土，由于不能洒水养护，混凝土制品掺入硫酸盐早强剂后，表面发生析碱冒霜的现象更为严重。

为预防冬季施工中使用了早强剂的混凝土产生冒霜现象，应在保证混凝土各方面性能的前提下，尽量减少硫酸盐早强剂的掺量；另一方面，采用掺入减水剂等方法，尽量降低混凝土的拌合用水量，可在一定程度上预防冒霜现象。混凝土养护方面，如先覆盖一层塑料布，再覆以若干层草袋，不仅可以起到养护混凝土的作用，也可减少混凝土析碱冒霜现象^[5,6]。需要说明的是，冬季施工中混凝土表面的喷涂或粉刷应在混凝土表面完全干燥后进行，这样可以错过一次泛碱的发生期，过早地喷涂或粉刷很可能会使处理过的表面出现泛碱^[7]。

混凝土冬季施工中应特别注意减水剂掺量对混凝土工作性的影响，一般在保证混凝土具有较好的工作性的前提下，应尽量降低用水量，减少混凝土受冻的可能。为更好地使减水剂应用于混凝土的冬季施工，应注意减水剂与水泥间的适应性问题。

减水剂在冬季极易受冻。在冻结过程中，减水剂趋向于分离为两相或多相状态，水与外加剂的活性组分分离，在储存器中形成异状聚集物；解冻后，各相趋于保持分离状，只有在完全重新搅拌后，减水剂才可重新达到均匀分布状态。相关研究表明，解冻而又没有适当重新搅拌的减水剂会严重延缓混凝土的凝结时间^[8]。因此，应特别注意减水剂的储存条件。

以萘系减水剂为例，在冬季较低温度下，含有硫酸钠的萘系减水剂易发生结晶问题，使萘系减水剂的使用受到极大限制。

(1) 当室外温度过低，萘系减水剂会析出呈晶须或短晶针状的星散分布的晶体，继而发生链式延接、发育和长大，引发管道、阀门的堵塞，使减水剂不能进入搅拌机，导致混凝土搅拌站无法正常生产。

(2) 在结晶的同时，不可避免地要吸咐部分萘系减水剂有效成分，从而导致减水剂的减水率下降，引发混凝土质量事故。

对于萘系减水剂冬季结晶的处理方法有：

(1) 加热液温。将蒸汽通过排管或盘管对储罐内减水剂加热，这种方法会消耗大量热量，减水剂还会在加热器外严重结垢，降低加热效率。若使用电热棒加热减水剂，电耗和加热器结垢烧毁的现象更为严重。

(2) 通过复配技术解决结晶问题。试验表明，通过提高氨基和脂肪族等原料与萘系减水剂的比例，可配出在5°C低温下不结晶的外加剂。但相关研究表明，对比原外加剂，其减水率下降了3%-5%，且混凝土各龄期强度下降了近10%^[9]。

需要注意的是所有减水剂均不得用蒸汽直接加热，外加剂加热应在稀释桶内进行，使用热水稀释外加剂，热水温度应以不丧失外加剂的作用为限^[10]。

混凝土冬季施工中，正确选用引气剂不仅可以改善混凝土的工作性，还可在强度损失很小或不损失的情况下，显著提高混凝土的抗冻性。引气剂掺量虽小，但对混凝土性能影响较大，混凝土含气量也受到多种因素的影响，冬季施工中引气剂的使用应注意以下几个方面^[11]。

(1) 掺入了引气剂的混凝土必须采用机械搅拌，搅拌时间过长或者不足都将使混凝土含气量减小；

(2) 冬季施工和有抗冻要求的混凝上掺用引气剂时，应复配减水剂使用或采用引气减水剂；

(3) 配制引气剂的溶液时，必须充分溶解，若有絮凝现象，应加热溶解，或适当加入乳化剂；

(4) 由于引气量受混凝土材料及操作环境温度影响较大，故必须保持条件基本稳定。对含气量有严格要求的混凝土，要有规律地进行现场含气量测试；

(5) 采用高频振捣作业，会降低含气量，因此应保持振捣均匀，严格操作；

(6) 对于含气量相同的混凝土，由于引气剂种类不同，产生的气泡直径大小亦不相同，因而抗冻性会产生很大差别，所以在选择引气剂的品种时，应挑选能产生大量小直径气泡的品种；

(7) 掺入了引气剂的混凝土，不宜加热养护^[12]。

外加剂对保证冬季施工的混凝土质量具有重要作用。掌握外加剂在混凝土冬季施工中的应用要点，规范化地进行施工才能保证混凝土的质量。然而，纵观当前冬季施工混凝土外加剂研究工作，多数侧重于配方研究，缺乏合理的检验方法和质量标准作为客观评定的依据，所研究的产品得不到正确的评价，这是混凝土外加剂在冬季施工研究与应用中普遍存在的问题。期望对关于冬季施工的混凝土外加剂及掺外加剂的混凝土质量检验方法加以改进，使之更加完善，以提高冬季施工混凝土的质量。