黑龍江省公路引氣混凝土配合比設計實例

劉士遠

(黑龍江省交通規劃設計研究院集團有限公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

混凝土引氣技術在工程中應用已有近百年的歷史,從20世紀30年代起,引氣劑就在國外的混凝土工程中開始使用。1942年美國率先制定了針對引氣混凝土的技術規程,美國材料與試驗協會(American Society for Testing and Materials,ASTM)也制定了相應的標準,1948年以后,引氣劑和引氣減水劑在美國的道路、橋梁、港口等工程中廣泛應用。在美、日和歐洲等技術發達國家,建設工程中使用引氣混凝土已經形成一套常規操作。目前,英國、日本、澳大利亞、美國、加拿大等國的水泥混凝土路面與橋梁工程材料及施工技術規范中,已明確規定積雪寒冷地區的水泥混凝土必須使用引氣劑。日本則把引氣混凝土以外的混凝土視為特殊混凝土,可見引氣混凝土推廣力度之大[1]。

我國從20世紀50年代開始著手水泥混凝土引氣劑的研發,首先研制成功的是松香熱聚物類引氣劑,并在天津、安徽等地的港口、水利工程中成功應用,使國內港口和水利工程引氣混凝土的技術應用迅速普及。20世紀90年代,伴隨國內高等級公路規?；ㄔO的迅速發展,引氣混凝土在公路工程中的應用前景逐漸明朗。尤其是1996年為舉辦哈爾濱亞洲冬季運動會(第三屆亞洲冬季運動會)而升級修筑的哈綏高等級公路,經過一個冬季的運營后,因除冰鹽的廣泛使用導致路面表層大面積剝蝕損壞,從而推動了國內公路工程領域混凝土引氣劑的正式使用。1999年竣工的黑龍江省哈同公路集賢至佳木斯段首次采用引氣混凝土,成為我國開展混凝土抗凍耐久性設計的第一條高等級公路[1-3]。此后,引氣混凝土在公路橋梁工程和市政建筑工程中也逐漸普及,有關技術標準和技術規程陸續頒布實施。目前,混凝土結構的抗凍耐久性問題已受到工程界的高度重視,再次修訂頒布的國家標準《混凝土結構耐久性設計標準》(GB/T 50476—2019)已于2019年12月1日起實施。相關規范對不同使用環境下有關混凝土抗凍性的含氣量、氣泡間距系數、耐久性指數等技術指標提出了明確要求。以下結合“吉林—黑河高速公路北安至黑河段”引氣混凝土的應用作具體分析。

1 依托工程概況

“吉林—黑河高速公路北安至黑河段”是黑龍江省重點工程建設項目,路段里程242.5 km,其中水泥混凝土路面198.7 km,混凝土應用量巨大。

該段高速公路自北安市至黑河市愛輝區,地處黑龍江省北部。所在區域屬寒溫帶大陸性季風氣候,春季比較干旱,升溫較快;夏季高溫多雨;秋季降溫快且晝夜溫差較大;冬季相對漫長,干燥酷寒。年均降水量450～560 mm,年均風速2.3～4.0 m/s,歷史極端最高氣溫曾達40 ℃。受西伯利亞寒流影響,歷史極端最低氣溫-48.1 ℃,最大凍深3.0 m。高溫、嚴寒交替的自然條件對工程混凝土的抗凍耐久性提出了更高的要求,采用引氣混凝土勢在必行。

2 水泥混凝土原材料的選用

引氣混凝土與普通混凝土相比,不論是在工作性、流變性等物理特性方面,還是在力學性能方面都表現出較大的不同。為了保證引氣混凝土的質量,采用適合的原材料是基礎性的關鍵環節。

2.1 水泥

2.1.1 水泥種類

公路建設材料的選用原則是就地取材、就近取料。我國是水泥生產大國,水泥生產廠家分布廣泛、供應充足、品種較多,采用水泥混凝土進行工程建設有著前提性的供給和運輸保障。

一般而言,若在水泥混凝土中實現相同的含氣量,采用粉煤灰水泥所需要的引氣劑摻量最大,礦渣水泥稍少,普通硅酸鹽水泥需要的引氣劑摻量較小,硅酸鹽水泥所需最低。在公路常用的普通硅酸鹽水泥中,摻加的混合材料種類、細度和堿含量對混凝土的含氣量也有顯著影響?；鹕交?、粉煤灰、黏土等細度大、雜質多的混合材料將增大引氣劑的用量。若要達到相同的含氣量,細度較高的早強型普通硅酸鹽水泥要比相同礦物組成的較粗的水泥使用的引氣劑摻量多1～2倍;高堿度水泥則比低堿度水泥使用的引氣劑摻量減少約50%[2-3]。

因此,為了保證引氣混凝土中的外加劑對水泥具有良好且穩定的適應性,采用普通硅酸鹽水泥來生產公路工程引氣混凝土更為適合。

2.1.2 水泥用量

普通水泥混凝土的單位水泥用量一般在200～450 kg/m3之間。因為混凝土的含氣量會隨著水泥用量的增減而改變,所以要達到相同的含氣量,需要根據單位水泥用量來相應調整引氣劑的摻量。在低坍落度的道路水泥混凝土中,單位水泥用量在250～400 kg/m3時,如果引氣劑的摻量保持不變,在水泥用量較大和較小時,混凝土的含氣量均較低,單位水泥用量在320 kg/m3左右時混凝土的含氣量較高。說明在低坍落度的貧漿和富漿水泥混凝土中,要達到規定的含氣量,均需增加引氣劑的摻量。

2.1.3 水泥的主要技術指標

北安至黑河高速公路采用了哈爾濱水泥廠生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,其物理力學性能指標如表1所示。

表1 水泥主要物理力學性能指標

2.2 粗集料

2.2.1 粗集料對含氣量的影響

現有研究表明,在引氣劑摻量保持不變的前提下,粗集料粒徑的增大將導致混凝土含氣量迅速減小;而伴隨粗集料粒徑的減小,混凝土含氣量明顯增大。此外,相同引氣劑摻量之下,相較破碎礫石、礫石,碎石混凝土的含氣量最小,破碎礫石含氣量居中,礫石混凝土含氣量最大,即達到同樣的含氣量,碎石混凝土需要的引氣劑摻量最大。另外,集料中含泥量的增加,也會導致混凝土含氣量的減少。

2.2.2 粗集料的性能指標

北安至黑河高速公路使用的粗集料各項性能指標如表2所示,篩分結果和級配如表3所示。

表2 粗集料主要性能指標

表3 各檔粗集料篩分及摻配后的通過百分率

2.3 細集料

2.3.1 細集料對水泥混凝土含氣量的影響

如果細度模數、引氣劑摻量等保持不變,混凝土的含氣量將隨著砂率的增大呈線性增長、隨細度模數的增大而相應減小。砂率越大,細度模數的增長對降低混凝土含氣量的效果越明顯。有研究表明,粒徑在0.625～0.15 mm的砂的裹氣效果較好,在此粒徑范圍之外,尤其是粉砂含量較高時,會顯著降低混凝土的含氣量。

此外,砂的粒形、雜質含量等對混凝土的含氣量也有一定影響。一般而言,使用多棱角、表面粗糙的砂,混凝土的含氣量較小;相比天然砂,使用人工砂,尤其是花崗巖人工砂時,混凝土的含氣量較大。

2.3.2 細集料主要技術指標

使用黑龍江省訥謨爾河中砂,細度模數2.93[1,4]。細集料的主要技術指標試驗結果如表4所示,篩分試驗結果如表5所示。

表4 細集料主要技術指標

表5 細集料篩分試驗結果

2.4 外加劑

2.4.1 外加劑對混凝土含氣量的影響

(1)減水劑

當混凝土含氣量不變時,減水劑會導致氣泡直徑的增大,使氣泡間距系數減小,故應稍微增加引氣劑摻量。同時,因為高效減水劑的減水率較大,對混凝土強度的提高效果明顯,所以混凝土的含氣量可以適當降低,而不會影響混凝土的路用性能。

(2)緩凝劑

緩凝劑單獨使用時,往往會稍微增大混凝土的坍落度,有利于提高引氣劑的引氣效率。木質素類緩凝減水劑具有引入大氣泡的效果,能夠提高含氣量,但大氣泡對混凝土的強度影響較大,故不宜使用。建議采用葡萄糖系列、六偏磷酸鈉等,不但緩凝效果較好,而且與引氣劑、高效減水劑同時使用時,還能夠增強引氣效果。

(3)防凍劑和促凝劑

一般不建議在引氣混凝土中使用防凍劑和促凝劑,如果有必要摻加防凍劑或促凝劑時,需要將引氣劑與其他外加劑分開摻入,避免不同的外加劑之間發生化學反應,影響引氣劑的效果[5]。

2.4.2 項目使用的外加劑

本項目采用哈爾濱出產的ZJ—8型液體復合外加劑,兼有引氣、高效減水和緩凝效果。其引氣組份為松香熱聚物,減水組份為萘系減水劑,緩凝組份為六偏磷酸鈉,20 ℃的固含量為28%。摻量范圍2.8%～3.0%。對應的試驗結果如表6所示。

表6 外加劑試驗結果

3 引氣混凝土配合比設計

遵照《公路水泥混凝士路面施工技術細則》及《公路水泥混凝土路面滑模施工技術規程》的規定,進行引氣混凝土配合比設計。

3.1 引氣混凝土參數選擇

重交通高等級公路水泥混凝土路面設計抗彎拉強度一般為5.0 MPa。

通常情況下,當混凝土中的含氣量大于3%時,其抗凍融耐久性有明顯的改善。計入運輸、振搗過程中的含氣量損失,試驗室試配及拌和機出口混凝土的含氣量不應小于5%。

添加復合型外加劑后,混凝土的工作性能和流變特性將有所改變,黏聚性、坍落度損失的變化尤其明顯。需要在室內模擬施工條件,進行坍落度損失試驗等操作確認調整參數。

混凝土的抗凍耐久性一般以抗凍等級表示,高等級公路引氣混凝土的抗凍等級以F300以上為宜[6]。

綜合分析,項目采用的引氣混凝土設計參數為:(1)設計抗彎拉強度≥5.0 MPa;(2)含氣量5.5%±0.5%;(3)水灰比≤0.40;(4)落地坍落度25～50 mm;(5)抗彎拉彈性模量≥30 000 MPa;(6)抗凍等級≥F300。

3.2 配合比設計參數選擇

(1)保證率系數t。

本項目為高速公路,樣本數按9組計,根據規范規定,高速公路9組樣本對應的保證率系數t取0.61。

(2)彎拉強度試驗樣本標準差s。

依據規范規定,高速公路彎拉強度試驗樣本標準差s的取值范圍為0.25～0.50 MPa,本項目取中間值0.40 MPa。

(3)彎拉強度變異系數cν。

高速公路彎拉強度變異系數cν的允許變化范圍為0.05～0.10,本項目取0.05。

(4)砂率。

根據有關研究,砂率在32%～38%之間時混凝土含氣量受砂率變化影響較小,且保水性較好。按細度模數2.93,依據規范規定可取37%。

3.3 配合比設計

根據規范規定的計算方法和公式,計算得出引氣混凝土的初步配合比,通過試拌檢驗混凝土拌和物是否符合坍落度要求。在水灰比不變的前提下,調節外加劑摻量使混凝土拌和物的工作性符合要求,最后確定試驗室基準配合比。

保持單位用水量不變,將水灰比上下浮動0.01,以此三種配合比制備試件,測定28 d抗彎拉強度。繪制“強度-水灰比”曲線,確定試驗室最終配合比,如表7所示。

表7 試驗室最終配合比

4 引氣混凝土物理力學性能試驗

根據上述配合比,進行引氣混凝土拌和物的物理性能試驗,可知混凝土含氣量為5.6%,落地坍落度為30～50 mm,泌水率為2.6%,初凝、終凝時間等其他各項物理性能指標也全部符合規范要求。

引氣混凝土配合比調整完成后,進行硬化混凝土的有關技術指標試驗。配制抗彎拉強度5.52 MPa、28 d養生試件的抗壓強度試驗結果為44.2 MPa,抗彎拉強度為6.05 MPa,抗彎拉彈性模量為34 581.9 MPa。

為驗證引氣混凝土的抗凍融耐久性,采用快凍法進行試驗,試驗結果表明該配合比的引氣混凝土的抗凍等級為F300,符合規范及設計要求。

5 結 語

為提高寒冷地區公路工程混凝土結構的抗凍耐久性,采用引氣混凝土是行之有效的主要技術措施之一。通過引氣,能夠降低水灰比、增強混凝土的抗凍耐久性、減輕堿集料反應帶來的膨脹破壞、改善混凝土的和易性。尤其是在有除冰鹽等鹽侵蝕的地區,還能夠改善混凝土的抗鹽腐蝕能力,提高混凝土結構抵抗表層鹽凍剝蝕的能力?！凹帧诤痈咚俟繁卑仓梁诤佣巍惫こ讨械囊龤饣炷劣昧烤薮?通過在生產過程中嚴格控制原材料品質、優化配合比設計、穩定混凝土拌和質量、規范運輸和改進攤鋪養護細節等,大幅度提高了引氣混凝土的物理力學性能和抗凍性能,工程使用效果良好。