高寒地区水泥混凝土路面抗冻技术研究

高寒地区水泥混凝土路面抗冻技术研究

李平

李平

天津宏鑫混凝土有限公司天津300380

摘要：近年来，诸多学者针对路面的修筑施工技术，进行了更深层次的探讨，从而推进水泥混凝土路面获得了迅猛的稳定发展，尤其是在高等级交通道路方面，更为重视该材料的实际应用。水泥混凝土在寒冷条件下，内部孔隙水逐步结冰，发生膨胀，使混凝土产生裂纹甚至造成结构破坏。本文在分析水泥混凝土冻害机理的基础上，探究了水泥混凝土路面的抗冻技术。

关键词：高寒地区；水泥混凝土路面；抗冻技术

一、水泥混凝土受冻破坏机理

1、温度应力理论

温度应力理论是一种力学方法。由于不同粒级骨料和水泥石的热膨胀系数不同，温度降低时，体系中会产生内应力，导致混凝土发生破坏。此外，盐蚀环境中的混凝土受冻破坏还存在盐胀的作用。在快速冻融循环试验中，低温时混凝土孔隙溶液中的盐溶解度降低，导致盐溶液过度饱和，促使盐结晶并增长，在混凝土孔壁产生巨大盐结晶压力，使混凝土产生破坏。

2、渗透压理论

渗透压理论认为，水泥混凝土受冻破坏不仅与水泥石的受冻行为有关，与骨料的受冻行为也有密切关系。冰冻开始时，水泥石中大孔与小孔存在溶液压差，会产生渗透压力，小孔的未结冰孔溶液会向先结冰大孔中的冰晶迁移，致使水泥石膨胀开裂。对于骨料来说，孔隙尺寸较大，冰冻过程中会在骨料内或界面处产生静水压，使混凝土产生露石与石子剥落现象，且骨料粒径越大，破坏作用越强。

3、静水压理论

静水压理论认为，水泥混凝土中的孔溶液发生冻结产生体积膨胀，压迫未结冰的孔溶液向外迁移，在受限的孔结构中产生静水压，形成破坏应力。孔结构中的静水压力随孔溶液流程长度的增加而增加，如果流程长度过大，则产生的静水压力将超过材料的抗拉强度而造成破坏。混凝土受冻时受到的静水压力与降温速率呈正比，与水泥石渗透性、孔溶液结冰量、冰冻速率、气孔分布等参数具有定量关系。

二、高寒地区水泥混凝土路面抗冻技术分析研究

1、加强高寒地区水泥混凝土的施工控制

1.1原材料的保温与加热

由于高寒地区环境温度较低，因此当混凝土拌合物温度无法满足要求时，优先采用加热水的方法，当只有热水还不能满足要求时，采用骨料同时加热的方法。按照热工计算公式进行热工计算和实际试拌，以确定水或骨料需要加热的温度。水泥、外加剂在使用前运入暖棚进行预热。

1.2混凝土的拌和

混凝土拌和在拌和楼中进行，采用自动计量上料系统的强制式搅拌机搅拌。在拌和楼开始工作以前，应检查各工序的施工机械和工具，对于有问题的机械和工具立即进行修理或更换。混凝土搅拌时间一般控制在2min～3min，比内地常温施工延长50%，但最长不得超过5min。混凝土拌合物出搅拌机的坍落度按照施工方式进行控制，滑模摊铺方式为3cm～5cm，三辊轴机组施工时为2cm～4cm。施工控制坍落度由实际气温和运距下的坍落度损失确定，最终摊铺时的拌合物坍落度要求达到：滑模摊铺施工2cm～3cm，三辊轴机组施工1cm～2cm。当坍落度不适宜时，可采用两种方法进行调整：①采用适当增加减水剂提高坍落度的方法，不增加单位用水量；②若增大单位用水量，应同时增加水泥用量，保持水灰比不变。

1.3水泥混凝土路面的摊铺

当采用滑模摊铺机进行摊铺时，除了严格按《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程》的要求摊铺外，在摊铺过程中，还应注意加快各道工序的速度，以不使混凝土的热量损失过大应在混凝土拌合物初凝以前完成；但摊铺速度以0.5m/s～1m/s为宜。当混凝土拌合物中的胶凝材料较多时，尤其是掺加硅灰以后，混凝土拌合物会比较黏稠，此时应适当提高振捣棒的振动频率，振动频率一般控制在150Hz～200Hz。当采用三辊轴机组施工时，应尽量避免振捣棒组在混凝土拌合物中拖行，可以以0.5m～0.8m为单位距离进行移动，间歇式插入振动；若因摊铺速度过慢而导致拌合物干涩，可在拌合物上喷雾保塑，禁止水。在一天摊铺完成后或摊铺过程因事故而停止时，应留施工缝。

2、改进抗冻性水泥混凝土配合比设计方法

2.1掺加矿物掺合料

掺加矿物掺合料主要是发挥其火山灰效应和微集料效应，改变混凝土化学成分和孔结构、渗透性、界面特征等方面性质。掺入矿物混合材，可以填充硬化水泥浆体孔隙，提高混凝土的密实性；同时通过火山灰反应降低混凝土的碱含量，提高混凝土密实性和抗渗性，从而有效提高其抗冻性能。硅灰对非引气、低水泥含量碾压混凝土性能的影响，发现硅烟增加了碾压混凝土抗压强度和抗冻性，对新拌混凝土的和易性有负面影响。采用体积较小的骨料、硅灰和超塑化剂制备了透水混凝土，其抗压强度可达50MPA，抗弯强度为6MPA，抗冻融循环性能良好。掺粉煤灰的混凝土，粉煤灰质量对抗冻性影响较大，应注意控制掺量，推荐使用粉煤灰活性激发和“双掺”技术。

2.2添加外加剂

水泥混凝土中掺入减水剂，可以发挥其分散作用，改善混凝土的工作性，明显减少用水量，使混凝土更密实，强度显著提高，对抗冻性的改善效果也较好。引气剂对混凝土抗冻性的改善作用十分显著。掺入引气剂可以引入大量稳定而封闭的微小气泡，阻断混凝土中的毛细孔通道，削弱混凝土中微裂缝端部的应力集中，抑制裂缝延伸和发展。引气剂还具有一定的减水作用，减少混凝土中连通的大毛细孔，提高混凝土的密实性，缓解自由水迁移的渗透压力，使混凝土抗冻性得到提高。在实际操作中，应尽量选用离子型（尤其是阴离子型）引气剂，根据引入气泡的数量、大小和形状确定引气剂品种和用量。添加早强剂或抗冻剂，可防止混凝土早期受冻。早强剂、防冻剂目前以氯盐、亚硝酸盐为主，三乙醇胺复合早强剂使用也较普遍，推荐使用不含氯盐的早强剂或抗冻剂，防止钢筋锈蚀。

3、加强养护方法

鉴于高寒区特殊的气候环境，以及室内试验结果，在该地区修筑水泥混凝土路面中应采用蓄热保温保湿法进行养护，具体的养护方法是：1）在摊铺后的混凝土路面软表面应喷洒表面加速硬化的水玻璃基养生剂，既防止塑性收缩开裂，又加速表面硬化，加快保温保湿覆盖，待表面覆盖不出现影响平整度的印记时，立即进行保温保湿覆盖养生。2）保温保湿养护的方法是混凝土上下两面覆盖塑料薄膜，中间铺加保温材料（泡沫塑料、破棉花、毛毡、土工毡、草袋或草帘等）。上塑料薄膜是为了防止暴风雪、冰雹或冻雨浸湿保温材料，下部的塑料薄膜是为了路面表面保持足够的湿度。3）蓄热保温保湿覆盖养护天数：具体撤除蓄热保温保湿养生天数，应以实测混凝土路面弯拉强度达到4.0MPa（抗压强度大致在25MPa）而定，一般不得少于14d。4）混凝土路面保温保湿覆盖养护期间，混凝土受冻时的弯拉强度不得低于1.0MPa的抗冻临界弯拉强度，抗冻临界抗压强度≥5MPa。

3结语

综上所述，在今后的研究与工程中，建议深入研究形成不同气温等级下的水泥混凝土路面抗冻技术和材料工艺要求，进一步探索水泥混凝土冻害机理并研究引气剂对混凝土孔结构的改善机理，优化水泥混凝土路面施工过程保温控制和早期冻害防治技术，为高寒地区水泥混凝土路面修筑提供技术支撑。

参考文献：

［1］骆思颖．公路水泥混凝土路面病害问题及施工预防探讨［J］．低碳世界，2018，（6）：276－277．

［2］谭诗樵．共振碎石化技术在公路水泥混凝土路面再生利用中的应用［J］．公路交通科技（应用技术版），2018，14（1）：163－165．

［3］李建军．浅析我国水泥混凝土路面碎石化技术研究［J］．黑龙江交通科技，2011，（10）：54．