尚云飛

(1.北黑高速公路建設(shè)指揮部;2.黑龍江省公路勘察設(shè)計院)

寒區(qū)水泥混凝土路面引氣混凝土的設(shè)計與施工

尚云飛1，2

(1.北黑高速公路建設(shè)指揮部;2.黑龍江省公路勘察設(shè)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(yàn)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(qiáng)度，并大大提高混凝土的抗凍耐久性能。同時結(jié)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(dá)到預(yù)想的引氣狀態(tài)。

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(diǎn)工程項(xiàng)目，工程建設(shè)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(nèi)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(jié)構(gòu)是20 cm水泥穩(wěn)定砂礫+20 cm水泥穩(wěn)定級配碎石+26 cm水泥混凝土面板的結(jié)構(gòu)。

北黑高速水泥路面建設(shè)同時創(chuàng)造了黑龍江省在白色路面領(lǐng)域的三個第一。

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

(2)黑龍江省首個橫向縮逢設(shè)置傳力桿項(xiàng)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(dāng)中加入引氣劑可以改變混凝土的工作性能、力學(xué)性能、變形性能和耐久性。針對北黑高速公路的特點(diǎn)，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(xì)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(qū)是我國緯度最高的邊境地區(qū)之一，年結(jié)冰期在200 d以上，零下30℃的嚴(yán)寒氣溫達(dá)到20 d以上，歷史上記錄的最低氣溫為－48.8℃。國內(nèi)外很多研究成果都表明在水泥混凝土當(dāng)中加入引氣劑，能夠在水泥混凝土當(dāng)中引入細(xì)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(dāng)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(jī)攤鋪之后，混凝土不出現(xiàn)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(nèi)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(xì)小的氣泡，相當(dāng)于增加了混凝土材料當(dāng)中細(xì)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(xiàn)象的發(fā)生，提高了生產(chǎn)效率，保證了工程質(zhì)量。

3 混凝土最佳含氣的確定

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)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(jié)合實(shí)際的材料狀況，進(jìn)行細(xì)致而認(rèn)真的試驗(yàn)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(tài)(和易性最好，強(qiáng)度最高)。

根據(jù)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(shù)，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(chǎn)的天鵝牌P·O42.5水泥，28 d抗折強(qiáng)度為8.1 MPa;細(xì)集料黑龍江省訥謨爾河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.92，碎石為黑龍江省龍門北山產(chǎn)石灰?guī)r，最大粒徑為26.5 mm。使用ZNY－1型緩凝性高效引氣減水劑進(jìn)行配合比設(shè)計試驗(yàn)并確定最佳施工用含氣量。選擇3.0%、4.5%、5.5%三個目標(biāo)含氣量進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 含氣量對水泥混凝土抗折強(qiáng)度的影響

選定0.38水灰比，將不同目標(biāo)含氣量的強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析如圖1，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出在當(dāng)含氣量在4.5%以下的時候隨著含氣量的增加，抗折強(qiáng)度有所增加;而當(dāng)含氣量超過4.5%時候，抗折強(qiáng)度卻在急劇下降。分析原因認(rèn)為，在不引氣混凝土當(dāng)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(yàn)還是實(shí)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(shí);而當(dāng)含氣量進(jìn)一步增加雖然和易性在繼續(xù)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(qiáng)度降低。

圖1 實(shí)測含氣量與抗折強(qiáng)度的關(guān)系

4 引氣混凝土的施工控制

在試驗(yàn)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(dá)到預(yù)想的工作狀態(tài)。在混凝土當(dāng)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(fù)雜過程，水泥混凝土的引氣效果也受到水泥的細(xì)度、粗細(xì)集料的級配和表面特性、拌和溫度、拌和時間以及運(yùn)輸?shù)纫蛩氐挠绊憽?/p>

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(dǎo)致水泥當(dāng)中的礦物成分與水迅速發(fā)生反應(yīng)，水泥的水化產(chǎn)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(fā)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(jié)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(jìn)行水泥混凝土的拌和。

4.2 嚴(yán)格控制水泥混凝土的坍落度

坍落度是水泥混凝土當(dāng)中屈服應(yīng)力和粘度的宏觀表現(xiàn)，如果坍落度過小(小于20 mm)雖然可以通過調(diào)節(jié)滑模攤鋪機(jī)的走行速度和振動頻率使混凝土能夠進(jìn)行攤鋪。但是由于混凝土的粘度和屈服應(yīng)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(shè)中為保證引氣效果嚴(yán)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(dāng)中引入細(xì)小致密的氣泡，是水、水泥、集料與引氣劑交互作用的結(jié)果。如果碎石的級配不良，那么會增大混凝土當(dāng)中的剪切力，降低引氣效果。試驗(yàn)和生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)如果中砂的細(xì)度模數(shù)過大(超過3.0)那么同樣會使混凝土變得干硬，混凝土當(dāng)中的剪切力增大，影響引氣效果。因此在生產(chǎn)中使用 19～26.5 mm、9.5～19 mm，4.75～9.5 mm三檔碎石進(jìn)行摻配，從而保證碎石級配組成。對于細(xì)集料則要求中砂的細(xì)度模數(shù)應(yīng)當(dāng)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(chǎn)能力要與生產(chǎn)需求相匹配，一般要求拌合站的最大拌和量不應(yīng)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(qiáng)施工組織設(shè)計，減少延遲時間

混凝土從拌合站出機(jī)之后，混凝土的含氣量一直在不斷減少。因此在施工組織設(shè)計中要合理安排混凝土的運(yùn)距，減少運(yùn)輸過程中氣泡損失。同時拌合站與攤鋪機(jī)攤鋪速度相一致，運(yùn)輸?shù)綀龌炷良词箶備伋尚汀?/p>

5 結(jié)語

在路面用水泥混凝土的設(shè)計中，通過嚴(yán)格的試驗(yàn)工作確定最佳的引氣量是保證混凝土路面工程質(zhì)量的關(guān)鍵。生產(chǎn)中通過嚴(yán)格把控材料、拌和、運(yùn)輸和攤鋪等環(huán)節(jié)保證混凝土達(dá)到理想的含氣狀態(tài)，進(jìn)而可以大幅提高水泥混凝土的工作、力學(xué)和耐久性能。

［1］傅智.道路混凝土引氣劑研究［J］.公路，1998，(8):1－8.

［2］哈爾濱工業(yè)大學(xué).水泥混凝土抗凍融耐久性能研究［J］.2008.

［3］Du，L.and K.J.Folliard，Mechanisms of air entrainment in concrete［J］.Cement and Concrete Research，2005，35(8):1463 －1471.

［4］Westerholm，M.，et al.，Influence of fine aggregate characteristics on the rheological properties of mortars［J］.Cement and Concrete Composites，2008，30(4):274 －282.

［5］代明，柯國軍，張春雨.淺談引氣劑在混凝土中的應(yīng)用［J］.工程建設(shè)，2007，39(2):22－25.

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