寒区水泥混凝土路面引气混凝土的设计与施工

尚云飞

(1.北黑高速公路建设指挥部;2.黑龙江省公路勘察设计院)

寒区水泥混凝土路面引气混凝土的设计与施工

尚云飞1，2

(1.北黑高速公路建设指挥部;2.黑龙江省公路勘察设计院)

北黑高速公路水泥混凝土路面使用ZNY－1缓凝性高效引气减水剂，通过试验工作确定最佳的混凝土含气量，以在一定程度上提高混凝土的强度，并大大提高混凝土的抗冻耐久性能。同时结合施工期间特有的材料和气候条件，制定完整的控制措施以保证混凝土达到预想的引气状态。

引气剂;含气量;混凝土路面;施工控制

1 北黑高速混凝土路面工程概况

黑龙江省北黑高速公路是黑龙江省重点工程项目，工程建设总里程为242.493 km，其中水泥混凝土路面的总里程为198.705 km，占国内同期施工的高等级水泥混凝土路面总里程的近1/5。水泥混凝土的路面采用的结构是20 cm水泥稳定砂砾+20 cm水泥稳定级配碎石+26 cm水泥混凝土面板的结构。

北黑高速水泥路面建设同时创造了黑龙江省在白色路面领域的三个第一。

(1)黑龙江省首次全线使用世界上最先进的德国维特根SP850摊铺机，8.25 m主板一次摊铺成型;

(2)黑龙江省首个横向缩逢设置传力杆项目;

(3)黑龙江省首次使用滑模摊铺DBI传力杆自动植入装置。

2 引气剂的作用

在混凝土当中加入引气剂可以改变混凝土的工作性能、力学性能、变形性能和耐久性。针对北黑高速公路的特点，使用引气混凝土主要具有以下两大作用。

水泥混凝土中加入引气剂，引入细小致密的气泡之后可以大大提高水泥混凝土的抗冻性。黑龙江省是全国纬度最高的省份，工程沿线的黑河地区是我国纬度最高的边境地区之一，年结冰期在200 d以上，零下30℃的严寒气温达到20 d以上，历史上记录的最低气温为－48.8℃。国内外很多研究成果都表明在水泥混凝土当中加入引气剂，能够在水泥混凝土当中引入细小，致密的气泡，能够大幅提高水泥混凝土的抗冻性能。这也是在水泥混凝土路面当中使用引气剂的初衷。

引气剂在大幅提高水泥混凝土抗冻性的同时，还提高了水泥混凝土的工作性能。在水泥混凝土路面滑模摊铺过程中，为保证滑模摊铺机摊铺之后，混凝土不出现塌边，就必须要求混凝土的坍落度不能过大。而在使用DBI传力杆植入装置后，为保证传力杆打入到混凝土面板内的指定深度，就有必须要求混凝土具有较好的流动性。引气剂一方面具有减水功能，能够在一定程度上提高坍落度，而另一方面由于引入了细小的气泡，相当于增加了混凝土材料当中细集料的比表面积，使混凝土的黏聚性增加，从而大大减小了塌边现象的发生，提高了生产效率，保证了工程质量。

3 混凝土最佳含气的确定

在实际生产应用过程中，由于针对不同的工程所使用的水泥、集料和外加剂均有所不同，因此需要结合实际的材料状况，进行细致而认真的试验分析，从而在保证水泥混凝土抗冻性的同时，得到混凝土的最佳含气状态(和易性最好，强度最高)。

根据哈尔滨工业大学的研究成果，水泥混凝土中引入一定量的气体能够大幅提高水泥混凝土的抗冻耐久性系数，见表1。

表1 含气量对水泥混凝土抗冻耐久性的影响

为确定工程使用的最佳含气量，使用哈尔滨生产的天鹅牌P·O42.5水泥，28 d抗折强度为8.1 MPa;细集料黑龙江省讷谟尔河中砂，细度模数为2.92，碎石为黑龙江省龙门北山产石灰岩，最大粒径为26.5 mm。使用ZNY－1型缓凝性高效引气减水剂进行配合比设计试验并确定最佳施工用含气量。选择3.0%、4.5%、5.5%三个目标含气量进行试验，试验结果见表2。

表2 含气量对水泥混凝土抗折强度的影响

选定0.38水灰比，将不同目标含气量的强度试验结果进行分析如图1，从试验结果可以看出在当含气量在4.5%以下的时候随着含气量的增加，抗折强度有所增加;而当含气量超过4.5%时候，抗折强度却在急剧下降。分析原因认为，在不引气混凝土当中加入引气剂，随着混凝土含气量的增加混凝土的和易性得到很大程度改善，由于引气剂具有减水和增大混凝土黏聚性的作用，因此无论是在试验还是实际施工过程中，都会从很大程度上改善混凝土中骨料分布不均匀，骨料下沉以及泌水等问题，从而使得成型之后的混凝土更加均匀、密实;而当含气量进一步增加虽然和易性在继续改善，但由于引入的气体过多，使得混凝土在受载荷作用时的有效承载面积减小，从而使混凝土的强度降低。

图1 实测含气量与抗折强度的关系

4 引气混凝土的施工控制

在试验室确定混凝土的最佳含气量之后，下一步的工作就是要如何保证施工过程中，混凝土能够达到预想的工作状态。在混凝土当中引入气体是引气剂作为表面活性剂与水、水泥(或者包括粉煤灰)和集料交互作用的复杂过程，水泥混凝土的引气效果也受到水泥的细度、粗细集料的级配和表面特性、拌和温度、拌和时间以及运输等因素的影响。

在北黑高速公路水泥路面板施工过程中，主要采用以下方式来保证水泥混凝土的引气效果。

4.1 降低混凝土的拌和温度

由于混凝土的温度升高会导致水泥当中的矿物成分与水迅速发生反应，水泥的水化产物会吸收气泡;同时混凝土的拌和温度升高还会使水泥混凝土的水分蒸发加快，使混凝土变得干硬从而影响气泡的形成。为降低水泥混凝土的温度，需要做到:(1)不使用高温水泥;(2)高温季节集料要采取一定的遮盖措施，防止暴晒;(3)可以使用温度较低的深层地下水进行水泥混凝土的拌和。

4.2 严格控制水泥混凝土的坍落度

坍落度是水泥混凝土当中屈服应力和粘度的宏观表现，如果坍落度过小(小于20 mm)虽然可以通过调节滑模摊铺机的走行速度和振动频率使混凝土能够进行摊铺。但是由于混凝土的粘度和屈服应力过大会影响气泡的形成，从而影响引气效果，在北黑高速公路建设中为保证引气效果严格控制混凝土的坍落度在25～50 mm之间。

4.3 保证碎石的级配和中砂的颗粒组成

使用引气剂在混凝土当中引入细小致密的气泡，是水、水泥、集料与引气剂交互作用的结果。如果碎石的级配不良，那么会增大混凝土当中的剪切力，降低引气效果。试验和生产过程中发现如果中砂的细度模数过大(超过3.0)那么同样会使混凝土变得干硬，混凝土当中的剪切力增大，影响引气效果。因此在生产中使用 19～26.5 mm、9.5～19 mm，4.75～9.5 mm三档碎石进行掺配，从而保证碎石级配组成。对于细集料则要求中砂的细度模数应当在2.5～3.0 之间。

4.4 保证拌和能力与拌和时间

搅拌方法也能影响混凝土的含气量。拌合站的生产能力要与生产需求相匹配，一般要求拌合站的最大拌和量不应超过拌合站额定拌和能力的90%，拌和时间不小于50 s，从而保证混凝土拌和充分均匀。同时引气剂与混凝土成分的作用充分，分散均匀、致密。

4.5 加强施工组织设计，减少延迟时间

混凝土从拌合站出机之后，混凝土的含气量一直在不断减少。因此在施工组织设计中要合理安排混凝土的运距，减少运输过程中气泡损失。同时拌合站与摊铺机摊铺速度相一致，运输到场混凝土即使摊铺成型。

5 结语

在路面用水泥混凝土的设计中，通过严格的试验工作确定最佳的引气量是保证混凝土路面工程质量的关键。生产中通过严格把控材料、拌和、运输和摊铺等环节保证混凝土达到理想的含气状态，进而可以大幅提高水泥混凝土的工作、力学和耐久性能。

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1008－3383(2011)12－0013－02

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