寒區水泥混凝土路面引氣混凝土的設計與施工

尚云飛

(1.北黑高速公路建設指揮部;2.黑龍江省公路勘察設計院)

寒區水泥混凝土路面引氣混凝土的設計與施工

尚云飛1，2

(1.北黑高速公路建設指揮部;2.黑龍江省公路勘察設計院)

北黑高速公路水泥混凝土路面使用ZNY－1緩凝性高效引氣減水劑，通過試驗工作確定最佳的混凝土含氣量，以在一定程度上提高混凝土的強度，并大大提高混凝土的抗凍耐久性能。同時結合施工期間特有的材料和氣候條件，制定完整的控制措施以保證混凝土達到預想的引氣狀態。

引氣劑;含氣量;混凝土路面;施工控制

1 北黑高速混凝土路面工程概況

黑龍江省北黑高速公路是黑龍江省重點工程項目，工程建設總里程為242.493 km，其中水泥混凝土路面的總里程為198.705 km，占國內同期施工的高等級水泥混凝土路面總里程的近1/5。水泥混凝土的路面采用的結構是20 cm水泥穩定砂礫+20 cm水泥穩定級配碎石+26 cm水泥混凝土面板的結構。

北黑高速水泥路面建設同時創造了黑龍江省在白色路面領域的三個第一。

(1)黑龍江省首次全線使用世界上最先進的德國維特根SP850攤鋪機，8.25 m主板一次攤鋪成型;

(2)黑龍江省首個橫向縮逢設置傳力桿項目;

(3)黑龍江省首次使用滑模攤鋪DBI傳力桿自動植入裝置。

2 引氣劑的作用

在混凝土當中加入引氣劑可以改變混凝土的工作性能、力學性能、變形性能和耐久性。針對北黑高速公路的特點，使用引氣混凝土主要具有以下兩大作用。

水泥混凝土中加入引氣劑，引入細小致密的氣泡之后可以大大提高水泥混凝土的抗凍性。黑龍江省是全國緯度最高的省份，工程沿線的黑河地區是我國緯度最高的邊境地區之一，年結冰期在200 d以上，零下30℃的嚴寒氣溫達到20 d以上，歷史上記錄的最低氣溫為－48.8℃。國內外很多研究成果都表明在水泥混凝土當中加入引氣劑，能夠在水泥混凝土當中引入細小，致密的氣泡，能夠大幅提高水泥混凝土的抗凍性能。這也是在水泥混凝土路面當中使用引氣劑的初衷。

引氣劑在大幅提高水泥混凝土抗凍性的同時，還提高了水泥混凝土的工作性能。在水泥混凝土路面滑模攤鋪過程中，為保證滑模攤鋪機攤鋪之后，混凝土不出現塌邊，就必須要求混凝土的坍落度不能過大。而在使用DBI傳力桿植入裝置后，為保證傳力桿打入到混凝土面板內的指定深度，就有必須要求混凝土具有較好的流動性。引氣劑一方面具有減水功能，能夠在一定程度上提高坍落度，而另一方面由于引入了細小的氣泡，相當于增加了混凝土材料當中細集料的比表面積，使混凝土的黏聚性增加，從而大大減小了塌邊現象的發生，提高了生產效率，保證了工程質量。

3 混凝土最佳含氣的確定

在實際生產應用過程中，由于針對不同的工程所使用的水泥、集料和外加劑均有所不同，因此需要結合實際的材料狀況，進行細致而認真的試驗分析，從而在保證水泥混凝土抗凍性的同時，得到混凝土的最佳含氣狀態(和易性最好，強度最高)。

根據哈爾濱工業大學的研究成果，水泥混凝土中引入一定量的氣體能夠大幅提高水泥混凝土的抗凍耐久性系數，見表1。

表1 含氣量對水泥混凝土抗凍耐久性的影響

為確定工程使用的最佳含氣量，使用哈爾濱生產的天鵝牌P·O42.5水泥，28 d抗折強度為8.1 MPa;細集料黑龍江省訥謨爾河中砂，細度模數為2.92，碎石為黑龍江省龍門北山產石灰巖，最大粒徑為26.5 mm。使用ZNY－1型緩凝性高效引氣減水劑進行配合比設計試驗并確定最佳施工用含氣量。選擇3.0%、4.5%、5.5%三個目標含氣量進行試驗，試驗結果見表2。

表2 含氣量對水泥混凝土抗折強度的影響

選定0.38水灰比，將不同目標含氣量的強度試驗結果進行分析如圖1，從試驗結果可以看出在當含氣量在4.5%以下的時候隨著含氣量的增加，抗折強度有所增加;而當含氣量超過4.5%時候，抗折強度卻在急劇下降。分析原因認為，在不引氣混凝土當中加入引氣劑，隨著混凝土含氣量的增加混凝土的和易性得到很大程度改善，由于引氣劑具有減水和增大混凝土黏聚性的作用，因此無論是在試驗還是實際施工過程中，都會從很大程度上改善混凝土中骨料分布不均勻，骨料下沉以及泌水等問題，從而使得成型之后的混凝土更加均勻、密實;而當含氣量進一步增加雖然和易性在繼續改善，但由于引入的氣體過多，使得混凝土在受載荷作用時的有效承載面積減小，從而使混凝土的強度降低。

圖1 實測含氣量與抗折強度的關系

4 引氣混凝土的施工控制

在試驗室確定混凝土的最佳含氣量之后，下一步的工作就是要如何保證施工過程中，混凝土能夠達到預想的工作狀態。在混凝土當中引入氣體是引氣劑作為表面活性劑與水、水泥(或者包括粉煤灰)和集料交互作用的復雜過程，水泥混凝土的引氣效果也受到水泥的細度、粗細集料的級配和表面特性、拌和溫度、拌和時間以及運輸等因素的影響。

在北黑高速公路水泥路面板施工過程中，主要采用以下方式來保證水泥混凝土的引氣效果。

4.1 降低混凝土的拌和溫度

由于混凝土的溫度升高會導致水泥當中的礦物成分與水迅速發生反應，水泥的水化產物會吸收氣泡;同時混凝土的拌和溫度升高還會使水泥混凝土的水分蒸發加快，使混凝土變得干硬從而影響氣泡的形成。為降低水泥混凝土的溫度，需要做到:(1)不使用高溫水泥;(2)高溫季節集料要采取一定的遮蓋措施，防止暴曬;(3)可以使用溫度較低的深層地下水進行水泥混凝土的拌和。

4.2 嚴格控制水泥混凝土的坍落度

坍落度是水泥混凝土當中屈服應力和粘度的宏觀表現，如果坍落度過小(小于20 mm)雖然可以通過調節滑模攤鋪機的走行速度和振動頻率使混凝土能夠進行攤鋪。但是由于混凝土的粘度和屈服應力過大會影響氣泡的形成，從而影響引氣效果，在北黑高速公路建設中為保證引氣效果嚴格控制混凝土的坍落度在25～50 mm之間。

4.3 保證碎石的級配和中砂的顆粒組成

使用引氣劑在混凝土當中引入細小致密的氣泡，是水、水泥、集料與引氣劑交互作用的結果。如果碎石的級配不良，那么會增大混凝土當中的剪切力，降低引氣效果。試驗和生產過程中發現如果中砂的細度模數過大(超過3.0)那么同樣會使混凝土變得干硬，混凝土當中的剪切力增大，影響引氣效果。因此在生產中使用 19～26.5 mm、9.5～19 mm，4.75～9.5 mm三檔碎石進行摻配，從而保證碎石級配組成。對于細集料則要求中砂的細度模數應當在2.5～3.0 之間。

4.4 保證拌和能力與拌和時間

攪拌方法也能影響混凝土的含氣量。拌合站的生產能力要與生產需求相匹配，一般要求拌合站的最大拌和量不應超過拌合站額定拌和能力的90%，拌和時間不小于50 s，從而保證混凝土拌和充分均勻。同時引氣劑與混凝土成分的作用充分，分散均勻、致密。

4.5 加強施工組織設計，減少延遲時間

混凝土從拌合站出機之后，混凝土的含氣量一直在不斷減少。因此在施工組織設計中要合理安排混凝土的運距，減少運輸過程中氣泡損失。同時拌合站與攤鋪機攤鋪速度相一致，運輸到場混凝土即使攤鋪成型。

5 結語

在路面用水泥混凝土的設計中，通過嚴格的試驗工作確定最佳的引氣量是保證混凝土路面工程質量的關鍵。生產中通過嚴格把控材料、拌和、運輸和攤鋪等環節保證混凝土達到理想的含氣狀態，進而可以大幅提高水泥混凝土的工作、力學和耐久性能。

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1008－3383(2011)12－0013－02

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