防冻剂对混凝土力学性能及耐久性能的影响

  我国西北地区冬季温度较低，而在寒冷地区冬季施工时会对混凝土的各项性能造成不利影响，混凝土长期处在寒冷环境中会导致其孔隙率有所增大，密实度会降低，致使混凝土变得疏松易碎，极度影响混凝土的力学性能和耐久性能。添加防冻剂能够大大降低混凝土内部孔隙中液相水的冰点，使混凝土在低温条件下仍能较好地发生水化反应，从而明显提升混凝土的抗冻性能。因此，研究性能优良的防冻剂以改善寒冷地区混凝土的力学性能和耐久性能，具有十分重要的现实意义。

  目前，较为常用的混凝土防冻剂通常包括无机盐类防冻剂、有机盐类防冻剂以及复合型防冻剂，其中无机盐类防冻剂种类较多，最重要的包含氯盐、硝酸盐、碳酸盐以及硫酸盐等。无机盐类防冻剂虽然通常具备较好的防冻性能，但其含有较多的盐离子，会造成盐析现象，对混凝土结构造成破坏。

  有机盐类防冻剂一般具有使用量小以及防冻效果好的优点，但其成本通常相比来说较高。其中复合型防冻剂通常是将具有防冻作用、早强作用、减水作用以及引气作用的化学药剂进行组合复配，以此来实现“一剂多效”以及不同药剂之间“协同增效”的目的，并能大大降低药剂的使用量和使用成本，提高复合防冻剂的综合性能，复合型防冻剂慢慢的变成为混凝土用防冻剂研究的热点。因此，本文将硝酸钠、N-甲基吡咯烷酮、乙二醇以及非离子型复合表面活性剂F-1相结合，制备出了一种新型高性能复合防冻剂FDJ-1，并考察了防冻剂掺量对混凝土力学性能和耐久性能的影响，为提高寒冷地区混凝土的常规使用的寿命提供一定的技术支持。

  茶皂素（有效含量90%），西安普瑞斯生物工程有限公司；十二烷基二甲基胺类氧化物（有效含量99%），武汉市承天精细化工有限公司。

  硝酸钠、乙二醇、N-甲基吡咯烷酮、硫酸钠，分析纯，上海麦克林生化科技有限公司；P.O42.5型硅酸盐水泥，南方水泥有限公司。

  细砂（细度模数为2.6）、碎石（直径为5～10mm），杭州锐辰建材有限公司。

  仪器：DK-8D型恒温水浴锅，上海锦玟仪器设备有限公司；PY-E627型电子分析天平，深圳市普云电子有限公司；X85-2型实验室搅拌器，上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司；WDW型电子万能试验机，济南方圆试验仪器有限公司；TM-2型混凝土弹性模量测定仪，河北耐拉特测试机械有限公司。

  （1）将茶皂素进行粉碎、研磨以及过筛，并在105℃下烘干，然后称取一定量干燥后的茶皂素样品，将其与十二烷基二甲基胺类氧化物进行混合，均匀搅拌后即得到非离子型复合表面活性剂F-1，备用；（2）准确称取一定量的水和硝酸钠，在室温下搅拌混合均匀，然后加入一定量的N-甲基吡咯烷酮，在室温下搅拌10min；（3）继续在上述混合液中加入一定量的乙二醇，升高温度至35℃，搅拌10min；（4）然后继续加入一定量的非离子型复合表面活性剂F-1，在35℃下继续搅拌20min，即制备出最终产物新型高性能复合防冻剂FDJ-1。

  （1）参照行业标准《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2011）中的要求，对试验用混凝土配合比进行了设计，其中混凝土的水胶比为0.62，砂率为40%，具体配合比为：m(水)：m(水泥)：m(细砂)：m(碎石)=205：330：745：1115；（2）按照上述配合比设计结果首先将水泥、细砂和碎石加入到搅拌机中，混合搅拌2min；（3）然后再将一定量的新型高性能复合防冻剂FDJ-1加入到水中，将混合液倒入搅拌机中，继续混合搅拌3min；（4）最后将混合料倒入相应的模具中，在振动台上振捣成型，干燥24h后脱模，即制备出试验用混凝土试件；（5）参照行业标准《混凝土防冻剂》（JC475-2004）中的要求，在负温（-15℃）条件对混凝土试件进行养护一段时间，其中预养护时间和解冻时间均为4h。

  参照GB/T50081-2019《普通混凝土力学性能测试方法标准》中关于抗击压力的强度试验、劈裂抗拉强度试验以及净力受压弹性模量试验的规定要求，测定新型高性能复合防冻剂FDJ-1不同掺量时混凝土的抗住压力的强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，以此评价防冻剂对混凝土力学性能的影响。其中，抗压强度和劈裂抗拉强度试验用混凝土试件的尺寸均为100mm×100mm×100mm，弹性模量试验用混凝土试件的尺寸为100mm×100mm×400mm。

  参照GB/T50082-2009《普通混凝长期性能和耐久性能测试方法标准》中关于抗冻试验和抗硫酸盐侵蚀试验的规定要求，测定新型高性能复合防冻剂FDJ-1不同掺量时混凝土试件的质量损失率、相对动弹性模量和抗住压力的强度耐蚀系数，以此评价防冻剂对混凝土耐久性能的影响。其中，抗冻试验用混凝土试件的尺寸均为100mm×100mm×400mm，抗硫酸盐侵蚀试验用混凝土试件的尺寸为100mm×100mm×100mm，硫酸盐溶液为5%硫酸钠。

  按照1.3.2中的试验方法，在不同养护龄期条件下，考察新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量对混凝土抗压强度的影响，试验结果如图1所示。

  由图1可知，在相同的养护龄期条件下，随着新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量的逐渐增大，混凝土的抗压强度呈先升高后降低的趋势。当防冻剂FDJ-1的掺量为2%时，养护不同龄期时混凝土的抗压强度值均能达到最大值，其中养护3d、7d和28d时的抗压强度分别为28.68MPa、37.29MPa和46.32MPa。再继续增大防冻剂FDJ-1的掺量，养护不同龄期后混凝土的抗压强度均有所降低。这是由于新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量越大时，其中的防冻成分含量相对就越高，在负温（-15℃）养护条件下能够大大降低液相水的冰点，水化反应释放出的热量能部分抵消低温对混凝土的不利影响，从而使其抗住压力的强度有所增大；而当其掺量过大时，其中的引气成分含量也随之增大，导致混凝土的含气量增大，内部孔隙增多，混凝土的抗住压力的强度有所降低。因此，为了最大限度地提高混凝土的抗住压力的强度值，推荐新型高性能复合防冻剂FDJ-1的最佳掺量为2%。

  按照1.3.2中的试验方法，在不同养护龄期条件下，考察新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响，试验结果如图2所示。

  由图2可知，在相同的养护龄期条件下，随着新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量的逐渐增大，混凝土的劈裂抗拉强度同样呈先升高后降低的趋势，这与抗住压力的强度的试验结果一致。当防冻剂FDJ-1的掺量为2%时，养护不同龄期时混凝土的劈裂抗拉强度值均能达到最大值，其中养护3d、7d和28d时的劈裂抗拉强度分别为2.16MPa、2.75MPa和3.66MPa。再继续增大防冻剂FDJ-1的掺量，养护不同龄期后混凝土的劈裂抗拉强度均有所降低。分析认为，新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量对混凝土劈裂抗拉强度的影响机理同2.1.1中抗压强度的影响机理基本相同，因此，为了最大限度地提高混凝土的劈裂抗拉强度值，同样推荐新型高性能复合防冻剂FDJ-1的最佳掺量为2%。

  按照1.3.2中的试验方法，在不同养护龄期条件下，考察新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量对混凝土弹性模量的影响，试验结果如图3所示。

  由图3可知，在相同的养护龄期条件下，随着新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量的逐渐增大，混凝土的弹性模量同样呈先升高后降低的趋势，这与抗压强度和劈裂抗拉强度的试验结果变化趋势均相似。当防冻剂FDJ-1的掺量为2%时，养护不同龄期时混凝土的弹性模量均能达到最大值，其中养护3d、7d和28d时的弹性模量分别为1.69×104MPa、2.58×104MPa和3.19×104MPa。

  再继续增大防冻剂FDJ-1的掺量，养护不同龄期后混凝土的弹性模量均有所降低。新型高性能复合防冻剂FDJ-1中的活性成分能够有很大成效避免混凝土内部的液相水分被冻结，以此来降低水分结冰对混凝土结构的冻胀作用力，降低混凝土的变形程度，有利于弹性模量的增大；而当新型高性能复合防冻剂FDJ-1的掺量过大时，会造成混凝土中的含气量增大，结构的致密性会降低，容易使混凝土产生裂缝，变形程度有所增大，因此导致弹性模量的下降。因此，为了最大限度地提高混凝土的弹性模量，同样推荐复合防冻剂FDJ-1的最佳掺量为2%。

  按照1.3.3中的试验方法，在不同冻融循环次数条件下，考察新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量对混凝土质量损失率和相对动弹性模量的影响，试验结果如图4和图5所示。

  由图4可知，在相同的冻融循环次数条件下，随着新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量的逐渐增大，混凝土的质量损失率呈先减小后增大的趋势，并且冻融循环次数越大，质量损失率就越大。当防冻剂FDJ-1的掺量为2%时，冻融循环不同次数时混凝土的质量损失率均能达到最小值，其中冻融循环100次、200次和300次时的质量损失率分别为0.28%、0.68%和1.78%，与未掺入防冻剂的空白组相比，其质量损失率均有大幅减小。但再继续增大防冻剂FDJ-1的掺量，冻融循环不同次数后混凝土的质量损失率均有所增大。

  由图5可知，在相同的冻融循环次数条件下，随着新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量的逐渐增大，混凝土的相对动弹性模量呈先增大后减小的趋势，并且冻融循环次数越大，相对动弹性模量就越小。当防冻剂FDJ-1的掺量为2%时，冻融循环不同次数时混凝土的相对动弹性模量均能达到最大值，其中冻融循环100次、200次和300次时的相对动弹性模量分别能够达到98.51%、94.28%和81.52%，与未掺入防冻剂的空白组相比，其相对动弹性模量均有较大幅度的提升。再继续增大防冻剂FDJ-1的掺量，冻融循环不同次数后混凝土的相对动弹性模量均有所减小。

  结合图4和图5结果分析，新型高性能复合防冻剂FDJ-1的掺入能够有效提升混凝土试件的密实度，使其结构更稳固，在冻融循环试验过程中不易出现剥落和变形现象，有利于减小其质量损失率，并增大其相对动弹性模量，增强了混凝土的抗冻性能；而当防冻剂FDJ-1的掺量过大时，混凝土内部孔隙的增多会降低其内部结构之间的黏结力，水分子结冰产生的冰晶膨胀作用更易使混凝土在冻融循环试验过程中产生剥落和变形现象，从而使混凝土的质量损失率有所增大，并降低了其相对动弹性模量，使混凝土的抗冻性能有所减弱。因此，为了最大限度地提升混凝土的抗冻性能，推荐新型高性能复合防冻剂FDJ-1的最佳掺量为2%。

  按照1.3.3中的试验方法，在不同干湿循环次数条件下，考察新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量对混凝土抗住压力的强度耐蚀系数的影响，试验结果如图6所示。

  由图6可知，在相同的干湿循环次数条件下，随着新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量的逐渐增大，混凝土的抗住压力的强度耐蚀系数呈先增大后减小的趋势，并且干湿循环次数越大，抗住压力的强度耐蚀系数就越小。当防冻剂FDJ-1的掺量为2%时，干湿循环不同次数时混凝土的抗住压力的强度耐蚀系数均能达到最大值，其中干湿循环50次、100次和150次时的抗压强度耐蚀系数分别能够达到96.38%、91.08%和85.38%，与未掺入防冻剂的空白组相比，其抗住压力的强度耐蚀系数均有较大幅度的提升。再继续增大防冻剂FDJ-1的掺量，干湿循环不同次数后混凝土的抗压强度耐蚀系数均有所减小。混凝土试件在硫酸盐溶液中干湿循环过程中，大量的盐离子进入到混凝土结构内部，与水泥水化产物产生化学反应，并产生结晶盐堆积在混凝土内部，极易对混凝土产生严重的盐侵蚀伤害，造成其抗压强度下降。而新型高性能复合防冻剂FDJ-1的掺入能够大幅度的提高混凝土结构的密实度，从而能够较好地阻止盐离子进入混凝土内部，降低盐侵蚀对混凝土力学强度的不利影响，增大其耐蚀性能；而当防冻剂FDJ-1的掺量过大时，混凝土内部的孔隙增多，基体之间的黏结作用减弱，导致抗硫酸盐侵蚀能力有所降低。因此，为了最大限度地提升混凝土的抗硫酸盐侵蚀性能，同样推荐新型高性能复合防冻剂FDJ-1的最佳掺量为2%。

  （1）以茶皂素和十二烷基二甲基胺类氧化物为原料，制备出一种非离子型复合表面活性剂F-1，并将其与硝酸钠、N-甲基吡咯烷酮和乙二醇相结合，可制备出一种新型高性能复合防冻剂FDJ-1。

  （2）随着新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量的逐渐增大，养护不同龄期时混凝土的抗住压力的强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均呈先升高后降低的趋势。当防冻剂FDJ-1的掺量为2%时，混凝土的抗住压力的强度、劈裂抗拉强度和弹性模量均达最大值，力学性能达到最佳。新型高性能复合防冻剂FDJ-1能够有效提升混凝土在负温（-15℃）养护条件的力学性能。

  （3）随着新型高性能复合防冻剂FDJ-1掺量的逐渐增大，混凝土冻融循环不同次数后的质量损失率呈先减小后增大的趋势，而相对动弹性模量则呈先增大后减小的趋势，混凝土在硫酸盐溶液中干湿循环不同次数后的抗住压力的强度耐蚀系数呈先增大后减小的趋势。当防冻剂FDJ-1的掺量为2%时，混凝土的抗冻性能和抗硫酸盐侵蚀性能均达到最佳状态。新型高性能复合防冻剂FDJ-1能够有效提升混凝土的抗冻性能和抗硫酸盐侵蚀性能。返回搜狐，查看更加多