黑龙江省公路引气混凝土配合比设计实例

刘士远

(黑龙江省交通规划设计研究院集团有限公司,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 前 言

混凝土引气技术在工程中应用已有近百年的历史,从20世纪30年代起,引气剂就在国外的混凝土工程中开始使用。1942年美国率先制定了针对引气混凝土的技术规程,美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)也制定了相应的标准,1948年以后,引气剂和引气减水剂在美国的道路、桥梁、港口等工程中广泛应用。在美、日和欧洲等技术发达国家,建设工程中使用引气混凝土已经形成一套常规操作。目前,英国、日本、澳大利亚、美国、加拿大等国的水泥混凝土路面与桥梁工程材料及施工技术规范中,已明确规定积雪寒冷地区的水泥混凝土必须使用引气剂。日本则把引气混凝土以外的混凝土视为特殊混凝土,可见引气混凝土推广力度之大[1]。

我国从20世纪50年代开始着手水泥混凝土引气剂的研发,首先研制成功的是松香热聚物类引气剂,并在天津、安徽等地的港口、水利工程中成功应用,使国内港口和水利工程引气混凝土的技术应用迅速普及。20世纪90年代,伴随国内高等级公路规模化建设的迅速发展,引气混凝土在公路工程中的应用前景逐渐明朗。尤其是1996年为举办哈尔滨亚洲冬季运动会(第三届亚洲冬季运动会)而升级修筑的哈绥高等级公路,经过一个冬季的运营后,因除冰盐的广泛使用导致路面表层大面积剥蚀损坏,从而推动了国内公路工程领域混凝土引气剂的正式使用。1999年竣工的黑龙江省哈同公路集贤至佳木斯段首次采用引气混凝土,成为我国开展混凝土抗冻耐久性设计的第一条高等级公路[1-3]。此后,引气混凝土在公路桥梁工程和市政建筑工程中也逐渐普及,有关技术标准和技术规程陆续颁布实施。目前,混凝土结构的抗冻耐久性问题已受到工程界的高度重视,再次修订颁布的国家标准《混凝土结构耐久性设计标准》(GB/T 50476—2019)已于2019年12月1日起实施。相关规范对不同使用环境下有关混凝土抗冻性的含气量、气泡间距系数、耐久性指数等技术指标提出了明确要求。以下结合“吉林—黑河高速公路北安至黑河段”引气混凝土的应用作具体分析。

1 依托工程概况

“吉林—黑河高速公路北安至黑河段”是黑龙江省重点工程建设项目,路段里程242.5 km,其中水泥混凝土路面198.7 km,混凝土应用量巨大。

该段高速公路自北安市至黑河市爱辉区,地处黑龙江省北部。所在区域属寒温带大陆性季风气候,春季比较干旱,升温较快;夏季高温多雨;秋季降温快且昼夜温差较大;冬季相对漫长,干燥酷寒。年均降水量450～560 mm,年均风速2.3～4.0 m/s,历史极端最高气温曾达40 ℃。受西伯利亚寒流影响,历史极端最低气温-48.1 ℃,最大冻深3.0 m。高温、严寒交替的自然条件对工程混凝土的抗冻耐久性提出了更高的要求,采用引气混凝土势在必行。

2 水泥混凝土原材料的选用

引气混凝土与普通混凝土相比,不论是在工作性、流变性等物理特性方面,还是在力学性能方面都表现出较大的不同。为了保证引气混凝土的质量,采用适合的原材料是基础性的关键环节。

2.1 水泥

2.1.1 水泥种类

公路建设材料的选用原则是就地取材、就近取料。我国是水泥生产大国,水泥生产厂家分布广泛、供应充足、品种较多,采用水泥混凝土进行工程建设有着前提性的供给和运输保障。

一般而言,若在水泥混凝土中实现相同的含气量,采用粉煤灰水泥所需要的引气剂掺量最大,矿渣水泥稍少,普通硅酸盐水泥需要的引气剂掺量较小,硅酸盐水泥所需最低。在公路常用的普通硅酸盐水泥中,掺加的混合材料种类、细度和碱含量对混凝土的含气量也有显著影响。火山灰、粉煤灰、黏土等细度大、杂质多的混合材料将增大引气剂的用量。若要达到相同的含气量,细度较高的早强型普通硅酸盐水泥要比相同矿物组成的较粗的水泥使用的引气剂掺量多1～2倍;高碱度水泥则比低碱度水泥使用的引气剂掺量减少约50%[2-3]。

因此,为了保证引气混凝土中的外加剂对水泥具有良好且稳定的适应性,采用普通硅酸盐水泥来生产公路工程引气混凝土更为适合。

2.1.2 水泥用量

普通水泥混凝土的单位水泥用量一般在200～450 kg/m3之间。因为混凝土的含气量会随着水泥用量的增减而改变,所以要达到相同的含气量,需要根据单位水泥用量来相应调整引气剂的掺量。在低坍落度的道路水泥混凝土中,单位水泥用量在250～400 kg/m3时,如果引气剂的掺量保持不变,在水泥用量较大和较小时,混凝土的含气量均较低,单位水泥用量在320 kg/m3左右时混凝土的含气量较高。说明在低坍落度的贫浆和富浆水泥混凝土中,要达到规定的含气量,均需增加引气剂的掺量。

2.1.3 水泥的主要技术指标

北安至黑河高速公路采用了哈尔滨水泥厂生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥,其物理力学性能指标如表1所示。

表1 水泥主要物理力学性能指标

2.2 粗集料

2.2.1 粗集料对含气量的影响

现有研究表明,在引气剂掺量保持不变的前提下,粗集料粒径的增大将导致混凝土含气量迅速减小;而伴随粗集料粒径的减小,混凝土含气量明显增大。此外,相同引气剂掺量之下,相较破碎砾石、砾石,碎石混凝土的含气量最小,破碎砾石含气量居中,砾石混凝土含气量最大,即达到同样的含气量,碎石混凝土需要的引气剂掺量最大。另外,集料中含泥量的增加,也会导致混凝土含气量的减少。

2.2.2 粗集料的性能指标

北安至黑河高速公路使用的粗集料各项性能指标如表2所示,筛分结果和级配如表3所示。

表2 粗集料主要性能指标

表3 各档粗集料筛分及掺配后的通过百分率

2.3 细集料

2.3.1 细集料对水泥混凝土含气量的影响

如果细度模数、引气剂掺量等保持不变,混凝土的含气量将随着砂率的增大呈线性增长、随细度模数的增大而相应减小。砂率越大,细度模数的增长对降低混凝土含气量的效果越明显。有研究表明,粒径在0.625～0.15 mm的砂的裹气效果较好,在此粒径范围之外,尤其是粉砂含量较高时,会显著降低混凝土的含气量。

此外,砂的粒形、杂质含量等对混凝土的含气量也有一定影响。一般而言,使用多棱角、表面粗糙的砂,混凝土的含气量较小;相比天然砂,使用人工砂,尤其是花岗岩人工砂时,混凝土的含气量较大。

2.3.2 细集料主要技术指标

使用黑龙江省讷谟尔河中砂,细度模数2.93[1,4]。细集料的主要技术指标试验结果如表4所示,筛分试验结果如表5所示。

表4 细集料主要技术指标

表5 细集料筛分试验结果

2.4 外加剂

2.4.1 外加剂对混凝土含气量的影响

(1)减水剂

当混凝土含气量不变时,减水剂会导致气泡直径的增大,使气泡间距系数减小,故应稍微增加引气剂掺量。同时,因为高效减水剂的减水率较大,对混凝土强度的提高效果明显,所以混凝土的含气量可以适当降低,而不会影响混凝土的路用性能。

(2)缓凝剂

缓凝剂单独使用时,往往会稍微增大混凝土的坍落度,有利于提高引气剂的引气效率。木质素类缓凝减水剂具有引入大气泡的效果,能够提高含气量,但大气泡对混凝土的强度影响较大,故不宜使用。建议采用葡萄糖系列、六偏磷酸钠等,不但缓凝效果较好,而且与引气剂、高效减水剂同时使用时,还能够增强引气效果。

(3)防冻剂和促凝剂

一般不建议在引气混凝土中使用防冻剂和促凝剂,如果有必要掺加防冻剂或促凝剂时,需要将引气剂与其他外加剂分开掺入,避免不同的外加剂之间发生化学反应,影响引气剂的效果[5]。

2.4.2 项目使用的外加剂

本项目采用哈尔滨出产的ZJ—8型液体复合外加剂,兼有引气、高效减水和缓凝效果。其引气组份为松香热聚物,减水组份为萘系减水剂,缓凝组份为六偏磷酸钠,20 ℃的固含量为28%。掺量范围2.8%～3.0%。对应的试验结果如表6所示。

表6 外加剂试验结果

3 引气混凝土配合比设计

遵照《公路水泥混凝士路面施工技术细则》及《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程》的规定,进行引气混凝土配合比设计。

3.1 引气混凝土参数选择

重交通高等级公路水泥混凝土路面设计抗弯拉强度一般为5.0 MPa。

通常情况下,当混凝土中的含气量大于3%时,其抗冻融耐久性有明显的改善。计入运输、振捣过程中的含气量损失,试验室试配及拌和机出口混凝土的含气量不应小于5%。

添加复合型外加剂后,混凝土的工作性能和流变特性将有所改变,黏聚性、坍落度损失的变化尤其明显。需要在室内模拟施工条件,进行坍落度损失试验等操作确认调整参数。

混凝土的抗冻耐久性一般以抗冻等级表示,高等级公路引气混凝土的抗冻等级以F300以上为宜[6]。

综合分析,项目采用的引气混凝土设计参数为:(1)设计抗弯拉强度≥5.0 MPa;(2)含气量5.5%±0.5%;(3)水灰比≤0.40;(4)落地坍落度25～50 mm;(5)抗弯拉弹性模量≥30 000 MPa;(6)抗冻等级≥F300。

3.2 配合比设计参数选择

(1)保证率系数t。

本项目为高速公路,样本数按9组计,根据规范规定,高速公路9组样本对应的保证率系数t取0.61。

(2)弯拉强度试验样本标准差s。

依据规范规定,高速公路弯拉强度试验样本标准差s的取值范围为0.25～0.50 MPa,本项目取中间值0.40 MPa。

(3)弯拉强度变异系数cν。

高速公路弯拉强度变异系数cν的允许变化范围为0.05～0.10,本项目取0.05。

(4)砂率。

根据有关研究,砂率在32%～38%之间时混凝土含气量受砂率变化影响较小,且保水性较好。按细度模数2.93,依据规范规定可取37%。

3.3 配合比设计

根据规范规定的计算方法和公式,计算得出引气混凝土的初步配合比,通过试拌检验混凝土拌和物是否符合坍落度要求。在水灰比不变的前提下,调节外加剂掺量使混凝土拌和物的工作性符合要求,最后确定试验室基准配合比。

保持单位用水量不变,将水灰比上下浮动0.01,以此三种配合比制备试件,测定28 d抗弯拉强度。绘制“强度-水灰比”曲线,确定试验室最终配合比,如表7所示。

表7 试验室最终配合比

4 引气混凝土物理力学性能试验

根据上述配合比,进行引气混凝土拌和物的物理性能试验,可知混凝土含气量为5.6%,落地坍落度为30～50 mm,泌水率为2.6%,初凝、终凝时间等其他各项物理性能指标也全部符合规范要求。

引气混凝土配合比调整完成后,进行硬化混凝土的有关技术指标试验。配制抗弯拉强度5.52 MPa、28 d养生试件的抗压强度试验结果为44.2 MPa,抗弯拉强度为6.05 MPa,抗弯拉弹性模量为34 581.9 MPa。

为验证引气混凝土的抗冻融耐久性,采用快冻法进行试验,试验结果表明该配合比的引气混凝土的抗冻等级为F300,符合规范及设计要求。

5 结 语

为提高寒冷地区公路工程混凝土结构的抗冻耐久性,采用引气混凝土是行之有效的主要技术措施之一。通过引气,能够降低水灰比、增强混凝土的抗冻耐久性、减轻碱集料反应带来的膨胀破坏、改善混凝土的和易性。尤其是在有除冰盐等盐侵蚀的地区,还能够改善混凝土的抗盐腐蚀能力,提高混凝土结构抵抗表层盐冻剥蚀的能力。“吉林—黑河高速公路北安至黑河段”工程中的引气混凝土用量巨大,通过在生产过程中严格控制原材料品质、优化配合比设计、稳定混凝土拌和质量、规范运输和改进摊铺养护细节等,大幅度提高了引气混凝土的物理力学性能和抗冻性能,工程使用效果良好。