防冻剂的作用机理、成分及复配注意事项

防冻剂的作用机理、成分及复配注意事项在冬期施工过程中，当平均温度小于或等于５℃时，混凝土强度发展缓慢。当最低气温在-1～-2℃时，如不采取有效保温措施，新浇筑的混凝土有可能发生冻害，一旦受冻将给混凝土带来很大的破坏。在冬季使用防冻剂，再加上良好的保温养护是减轻混凝土早期病害及提高混凝土防冻效果切实有效的措施，可保证混凝土的耐久性及强度达到施工要求，保证混凝土工程质量。

（一）防冻剂作用机理

防冻剂在混凝土中的作用机理主要有以下几种。

（1）冰晶畸变理论

纯水在0℃结冰时，由于氢键的作用会导致水分子汇聚形成冻胀力很强的分子集合体。在水中加入防冻剂后，温度降低到其冰点以下也会慢慢慢慢有冰析出，但水分子间的氢键由于受到防冻剂分子的干扰，会析出呈絮状结构、宏观上非常柔软、冻胀应力显著降低的细小冰晶。例如，NaNO2、Na2SO４、Ca（NO３）2等降低冻胀力的能力都很强。

（2）乌拉尔定律

防冻剂的浓度对降低混凝土拌合物中液相冰点有一定的作用，只有降低液相冰点，才能保证在负温下条件下，混凝土有液态的水参与水泥水化。这是使用防冻剂的混凝土，在负温条件下混凝土依然可以水化，提高混凝土强度。

（３）液灰比平衡理论

当温度降至混凝土中液相冰点时，含有防冻剂的混凝土拌合物也会逐渐开始析冰，在负温环境下的液相，冰点随着析冰浓度增大而降低，随即在此负温条件下达到冰液共存状态，也就是新的动态平衡。此时，混凝土中的液态水可以保证水泥继续进行水化，防冻剂浓度不变，液相浓度也不变，冰融化产生的水补充水泥水化需要的水，这也就是液灰比平衡。

（４）成熟度理论

温度对水泥水化的影响极其显著，配合比一定的混凝土，随着养护温度的降低，水泥水化速率变慢，混凝土强度的增长速率逐渐降低。因此，混凝土强度的发展不仅仅是养护时间有关，也与养护温度有很大的关系。比如20℃时成熟度系数为1，而在-10℃时成熟度系数仅仅只有0.12。在冬期混凝土施工验收时的混凝土成熟度按600℃·d计算，并规定不超过60d，对于很多不采取保温措施的工程，即使超过60d依然难以达到规定600℃·d的成熟度，回弹检测时常常强度偏低。

（二）防冻剂的成分

在冬季混凝土工程施工中，为了避免混凝土遭受冻害，生产时常加入防冻剂来降低混凝土中液态水的冰点温度，保证混凝土内部有满足水化的液态水存在，减轻由于低温带来的损害。目前应用较广的防冻剂大多是复合型防冻剂，具有坍落度损失小、减水率高、早期强度高、凝结时间适中等优点，其主要成分包含以下几种。

（1）防冻组分

其作用是破坏冰的晶形，降低水的液相冰点，保持混凝土内部存

在水泥水化反应所需要的液态水，避免混凝土遭受冻害，尽快达到早期强度。使用防冻组分首先可以降低水的冰点，保证混凝土在负温下的水化反应继续进行，如氯化钠、亚硝酸钠等；其次也可以使冰的晶格形态发生变化，降低冻胀应力，避免混凝土强度受到损害，如尿素、甲醇等。此外，有些防冻剂虽然无法降低混凝土中水的冰点，却可以直接与水泥发生水化反应加快混凝土的凝结硬化，提高混凝土早期强度，如氯化钙、碳酸钾等。

（2）早强组分

早强组分在混凝土水化反应中起催化作用，加速混凝土的凝结硬化，使其尽快达到抗冻临界强度，提高混凝土的抗冻能力。同时，由于水泥水化反应的进行，促进结合水的产生，水化反应也能产生一定量的水化热，减轻混凝土冻害。

（3）减水组分

减少混凝土的用水量，消除冻胀内因，增强混凝土密实度。减水剂能将水泥分散为更小的颗粒，改善混凝土内部孔隙结构。减水剂吸附在水泥表面可以释放包裹水，使冰晶粒度由大变小，减小结冰时的对混凝土产生的胀冻压力。

（4）引气组分

引气剂是引入的细小气泡，吸收冰晶形成过程中产生的冻胀应力，减轻混凝土冻胀时的裂纹扩展，降低对混凝土冻胀力。含气量的增加还可以增加混凝土内部润滑性，改善混凝土和易性，进而改善混凝土内部结构。细小气泡可以切割混凝土内的有害孔道，提高混凝土

的耐久性。

（三）防冻剂的复配过程中的注意事项

防冻剂的复配不是简单地将几种不同组分混合在一起，应当通过实验验证各种成分复合后的效果是叠加还是相互抵消，同时应该根据混凝土原材料、配合比、技术要求等情况，充分考虑各组分对混凝土性能的影响。

（1）复配时用水量不能过高，容易造成防冻减水剂剂自身结冰；

（2）注意早期和防冻组分中无机盐用量，防止用量过大造成减水率降低、保坍能力下降以及对混凝土后期强度和耐久性的影响；

（3）选用合适的无机盐类防冻、早强组分，避免在低温状态下结晶沉淀，堵塞管路，影响混凝土生产；

（4）使用有机物作为防冻组分时，掺量不宜过大，避免影响到混凝土的后期强度；

（5）控制好防冻剂中的氯离子含量和碱含量，防止对混凝土的耐久性造成影响。

（四）防冻剂的掺量

如何恰当准确地确定防冻剂的掺量，防冻剂使用过程中十分关注的同题。从实际应用来看，混凝土防冻剂的掺量受水泥品种、用量、水灰比、温度、减水剂品质及用量、养护条件、工程部位、形状及模板等影响。这些中水灰比、温度、结构件表面系数等与防冻剂掺量成正比，而水泥用量、减水剂减少用水量等与防冻剂掺量成反比。有采取以水灰比为基础的说法，认为混凝土的抗冻能力与液体和灰量有

关，相对应的防冻剂掺量计算为：

a＝Ct·（W/C）·I·dt（1）

式中：a——防冻剂掺量（%）；

Ct——温度t时防冻剂溶液质量分数（%）；

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。

从防冻剂掺量的公式看出，许多计算参数不容易确定，增加了计算的难度和不准确性。有关人员研究发现混凝土中防冻剂水溶液结冰量I达到40%～50％时，对混凝土强度不会产生不良影响，如结冰量按1=50％由式（1）计算在混凝土确定的负温条件下防冻剂掺量为：a=0.5Ct·（W/C）·dt（2）

（五）掺加防冻剂后的混凝土需不需要保温养护

有施工人员认为，混凝土中已经添加的防冻剂，已经具有防冻能力不需要养护也没事。从上文对防冻剂的作用机理分析来看，施工过程中进行保温养护是必要的也是必须的。尽早使混凝土达到临界强度才时，减少混凝土冻害的根本。依照国家规范，冬季负温度条件下浇筑的混凝土在受冻前，混凝土不得低于“硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥拌制的混凝土为设计混凝土强度标准的30%、矿渣硅酸盐水泥拌制的混凝土为设计混凝土强度标准的40%，在掺用防冻剂的混凝土当温度降到防冻剂的规定温度以下时，其强度不应低干3.5～5.0MPa”，即混凝土达到某一个强度值（临界强度），就可以具有一定的抵抗强度.