如何提高水泥砼路面的耐久性

汤春澜

摘要:通过对国内外水泥砼耐久性研究成果的阐述,得出了水泥砼耐久性破坏的劣化机理,提出了提高水泥砼耐久性的途径。

关键词:公路;水泥砼;耐久性;劣化机理

我国的设计技术人员普遍对耐久性要求不熟悉,大家比较关心的是结构设计的安全度,也比较注意施工质量对安全度的影响。其实,不良的施工质量对耐久性影响的比重要比设计安全度不足造成的事故大得多。基于上述情况,分析耐久性问题的原因,从设计、施工诸方面采取有效措施是我国公路工程界的紧迫任务。

1 水泥砼耐久性机理劣化分析

砼耐久性是结构及其部件在各种可能导致砼等组成材料性能劣化的环境因素长期作用下维持其应有功能的能力。砼性能的劣化过程可以是物理作用或化学作用,但在实际工程中更多的是多种因素共同作用的结果。

1.1 钢筋锈蚀

砼通常与钢筋配合使用并保护钢筋不至于锈蚀。但钢筋一旦发生大面积的锈蚀,就会反过来导致砼崩裂和剥落。如果单纯从砼材料的耐久性考虑,不配钢筋的素砼结构应比钢筋砼结构更为耐久。有些在强度上并不需要配筋的块体结构和拱形内衬结构应该在侵蚀环境下有更高的使用寿命。

1.2 砼冻融作用

砼中的孔隙水或裂隙水受冻后膨胀,反复冻融会使砼崩裂并发展到表层剥落、钢筋外露甚至整体崩坏。饱和状态的砼可能发生冻融破坏。冻融破坏属于物理作用,影响砼抗冻融能力的因素有砼引气量(气泡大小和间距)、渗透性、强度、水的饱和程度,骨料也易受冻害,骨料的抗冻性往往与吸水能力有关。采用较低的水灰比,施工阶段的良好养护以及使用阶段尽量避免砼表面与水长期接触,可避免骨料吸水饱和而有助于防冻。降低砼的水胶比能够改善砼的孔结构,孔径越小,冰点越低,对于提高抗冻能力的作用越大。

1.3 硫酸盐侵蚀

侵蚀砼的硫酸盐(硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙或硫酸镁)主要来自工程所处环境中与砼相接触的含有这种盐类的地面水、地下水或岩土,也有可能来自原本受过硫酸盐侵蚀的骨料。

硫酸盐对砼有二种化学作用:一是硫酸盐与水泥在水化过程中生成的氢氧化钙结合,形成硫酸钙(石膏);另一种是硫酸盐(包括石膏)与硬化水泥浆体中的水化铝酸钙在水的参与下形成硫铝酸钙,即钙矾石。这二种反应均造成固体体积膨胀,而后者尤为明显,导致砼破碎。在实际工程中,这个过程通常要进行好多年。土中可溶硫酸盐的浓度如大于0.1%(水中SO4-2150mg/L)就能危及砼,如大于0.5%(水中SO4-2200mg/L)将有严重损害。

1.4 磨损

对道路结构物来讲,砼的磨损主要取决于机械磨耗与空蚀。研究表明;路面砼的抗机械磨耗性能取决于它的强度和硬度,特别是面层砼的强度和硬度。路面受反复摩擦时,首先被磨损的是最表面的硬化水泥浆体薄层或者说是水泥砂浆面层,接着粗集料就成了抵抗磨损的主要部分。因为在道路砼施工中,由于砼的渗水和离析,水泥浆和细料颗粒浮在表面,形成一软弱薄层,强度很低,对抗磨损特别不利。因此,粗集料的强度和硬度成为影响耐磨性的重要因素。

2 提高水泥砼耐久性的途径

2.1 进行耐久性设计

由于目前道路工程结构设计基本上属于结构承载力设计,耐久性设计仅规定了材料类型、水灰比、用水量、引气量要求,这些做法不能从根本上解决公路结构耐久性问题,因此,设计施工人员应依据工程性质、环境特征进行下列耐久性设计:

结构使用环境及其对结构腐蚀作用的调查与说明。

结构的设计使用期限级别与设计耐久性等级,并列出结构主要承重部件(如桥梁的基础、礅台、梁、桥面板)的使用期限明细表,标明结构使用期限内需要更换或修理部件名称及预期明细表。在设计文件中还宜一并列出其他部件(如桥梁中的桥面防水层、排水部件、伸缩缝、栏杆等)的使用年限明细表及其维护或更换期限。

耐久砼材料的设计考虑。提出砼原材料的选用和必须的组分以及最大水胶比、最小含气量等要求;根据环境的特点和需要,规定砼抗冻等级、氯离子扩散系数等耐久性参数指标。

从耐久性要求出发,对结构构造和裂缝控制提出具体规定与要求。向工程的业主和运营管理单位提出使用过程中需要进行的正常维修,以及部件更换的具体要求,对于特殊重要的结构物或处于严重腐蚀环境作用下的结构,提出使用期内的定期检测要求。

鉴于水泥砼的耐久性会受到许多不确定因素的影响,设计时还应预先考虑到如果使用阶段的检测结果不能满足所要求的剩余使用期限时可能采取的补救措施,并为其预置必要的条件。

2.2 砼原材料选择要求

原材料应满足现行规范中所列要求,从耐久性方面考虑,应控制好下述材料。

2.2.1 水泥

配制耐久砼一般应选用品质稳定的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥,水泥等级不宜低于32.5强度等级。对于严重腐蚀环境作用(D、E、F级)下的砼,宜采用纯硅酸盐水泥或低热微膨胀水泥,否则应详细了解或检测水泥生产中加入的矿物掺和料的品种、掺量。

在严重腐蚀环境作用(D、E、F级)下,水泥中的C3A含量不宜超过8%,水泥细度(比表面积)不宜超过350m2/kg,游离氧化钙不宜超过1.5%。尽可能采用C2S含量较高的水泥,如低热水泥。硫铝酸盐和铁铝酸盐水泥的抗腐能力一般要高于硅酸盐和普通硅酸盐水泥,除气温较高的地区外,也可针对具体环境特点选用。

水泥的含碱量(等效Na20)一般不宜超过水泥重的0.6%,以改善砼的抗裂性。

2.2.2 掺和料

配制耐久砼所用的矿物掺和料包括粉煤灰、磨细矿渣、硅灰、沸石粉、石灰石粉、天然火山灰等。应选用品质稳定、来料均匀、来源固定的掺和料;掺和料的掺量应根据设计对砼各龄期强度、砼的工作性,和耐久性的要求,以及施工条件和特点(环境气温、砼拌和物温度、构件尺寸等)确定。

2.2.3 集料

所选集料应级配良好、洁净、坚实,另外需注意以下3点:氯盐锈蚀环境严重作用(D、E、F级)下的砼,不宜采用抗渗透性较差的岩质(如花岗岩、砂岩等)作为粗、细集料。此外,粗集料的最大粒径不宜超过25mm(大体积砼除外),且不得超过保护层厚度的2/3;配筋砼的细集料不宜使用海砂,一级使用期限要求的重要工程严禁使用海砂,预应力砼不得使用海砂;处于潮湿环境中的砼,因条件限制不得不使用有潜在碱活性集料时,应采取抑制碱集料反应的措施。

2.2.4 外加剂

鉴于目前外加剂生产稳定性差,应选有严格的质量控制措施生产厂家的产品,同时应控制外加剂的类型、副作用、掺量、存贮时间。

2.3 加强施工控制

2.3.1 拌和物的振捣

拌和物的振捣必须做到均匀密实。用插入式振捣变换插点时,应向上缓慢拔出,不能沿和物表层平拖。振捣引气砼时,应使用振频≤6000次/min的中低频振捣棒,并注意掌握适宜振捣时间,既保证砼充分密实,又要防止过度振捣,避免含气量过分损失。对于可能受化冰盐作用的桥面板等构件,必须防止过振、过度抹面和撒水帮助抹面等影响表层砼的抗冻性能,尤其是要防止抗盐冻剥落性能的破坏性影响。对模板支撑的稳定性和接缝的密合情况应加强检查,防止砼在振捣过程中漏浆。泵送砼的坍落度应按下限控制,以免离析、渗水;浇注层的厚度较大时,尤其应控制拌和物坍落度,使它尽量小。

2.3.2 湿度和温度控制

结构表层砼的耐久性质量在很大程度上取决于施工养护过程中的湿度和温度控制。暴露于大气中的新浇砼表面应尽早开始浇水或覆盖湿麻袋、湿棉毡等进行养护。重要工程或重要构件,应尽可能采用保湿养护膜、喷涂养护剂等先进养护手段,以确保砼硬化早期及整个养护过程不至于失水干燥。

受冻融影响且环境潮湿部位的砼,在开始受冻前应特别注意经过充分而合理的养护。

2.3.3 大体积砼结构温度控制

对于最小断面尺寸超出既有规范定义的大体积砼结构的施工应实行温度控制。参照砼抗裂性试验或既有工程经验,确定砼浇筑、养护的方法与工序,提出施工过程中砼温度参数的合理控制值,除上述措施以外,还应加强质量检测和结构维护,只有综合防护,才能实现耐久。

结论:

水泥砼耐久性是一个复杂的问题,影响耐久性的因素很多,解决耐久性问题必须结合环境、设计、施工、选材、管理等综合进行。