水泥混凝土路面低温施工技术研究与应用
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摘要： 在寒冷地区通过掺加减水组分、早强组分、引气组分、防冻组分等复合外加剂使混凝土在受冻前达到抗冻临界强度，确保水泥混凝土在低温条件下强度继续增长并达到设计强度和耐久性要求，达到了延长施工时间、缩短施工周期的目的。
Abstract： It makes the concrete reach frost-resisting critical strength before freezing to add the composite admixture including water reducing components， early strength components， air-entraining agents and antifreeze components in the cold area， ensuring that the strength of concrete at low temperatures can continue to grow and reach the design value of strength and meet the requirement of durability，which can extend the construction time and shorten the construction period.
关键词： 水泥混凝士；低温施工；复合外加剂；强度；耐久性
Key words： cement concrete；low temperature construction；composite admixture；strength；durability
中图分类号：U416.04 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）09-0146-02
0 引言
针对寒冷地区水泥混凝士施工周期较短的现状，系统研究冬末春初和秋末冬初等低温季节条件下水泥混凝土低温施工技术研究，不掺加防冻剂或防冻型外加剂，或不采取足够的保温防护措施，普通混凝土是不能直接用于低温或负温条件下施工的。通过掺加防冻的复合外加剂使混凝土在受冻前达到抗冻临界强度，确保水泥混凝土在低温条件下强度继续增长并达到设计强度和耐久性要求，研究复合外加剂对低温条件水泥混凝土力学性能和耐久性能的影响规律，确定出了满足低温施工条件的水泥混凝土路面施工配合比，并成功应用于路面工程，达到了延长施工时间、缩短施工周期的目的，具有明显的技术、经济和社会效益。
冬季施工时在混凝土中掺入防冻剂，能够降低液相冰点，使水泥能够在负温条件下继续水化硬化，并在规定的龄期达到足够的强度，使混凝土最终达到与常温养护的相同水平，这是混凝土冬季施工中最常用的一种方法。冬季施工用常用的混凝土外加剂一般包括减水组分、早强组分、引气组分、防冻组分等。
1.1 早强组分的确定 在混凝土拌合物中掺入适量的早强组分，可使混凝土的ld～3d强度提高20%～50%，而对后期强度无不良影响。
1.2 减水组分的确定 当混凝土拌合物中掺入减水剂后，在相同坍落度的条件下，可以减少混凝土的拌和用水量。减少用水量对冬期施工混凝土具有重要的意义。当拌和水较少时，防冻剂的掺量可以相应的减少，这样不仅具有经济意义，而且可以减少防冻剂本身对混凝土质量的不利影响。因此，在混凝土冬季施工中，使用高效减水剂，使混凝土中的用水量减少到最低限度。
1.3 引气组分的确定 优质引气剂的加入能显著改善混凝土拌合物的和易性，提高混凝土的抗冻耐久性。含气量增加1%，水灰比可以减少2%～4%，水泥用量越少的混凝土，和易性的改善越显著；但随着含气量增加，混凝土的强度逐渐下降。适当增加混凝土的含气量，能显著提高混凝土的耐久性，特别是抗水冻性能、抗盐冻剥蚀性能及抗盐类腐蚀性能。一般来说，混凝土拌合物的含气量控制在3.5%～6%的范围内较合适。其用量以满足混凝土拌合物含气量达到（5士0.5）%为宜。
1.4 防冻组分的确定 防冻组分的掺量随混凝土浇筑温度和养护温度的不同而不同。浇筑温度和养护温度越低，防冻组分的掺量越大。本研究正是以此为出发点，采用冰点理论进行防冻组分配方的设计。在确定了早强组分、减水组分和引气组分的基础上，再混合不同掺量的防冻组分，其用量为冰点降低到-10度。
2 试验室复合外加剂的配合比设计
常温施工水泥混凝土路面配合比为：水灰比W/C=0.40，砂率为36%，大小碎石比例为60：40，水泥350kg/m3，水140kg/m3，砂677kg/m3，大碎石（2-3cm）723kg/m3，小碎石（0.5-2）482kg/m3，复合外加剂ENC（水泥用量的2%）。
低温施工水泥混凝土路面配合比为加水灰比W/C=0.40，砂率为36%，大小碎石比例为60：40，水泥350kg/m3，水140kg/m3，砂677kg/m3，大碎石（2-3cm）723kg/m3，小碎石（0.5-2）482kg/m3，掺防冻的复合外剂（水泥用量的3.5%）见表1。
3 低温施工水泥混凝土路面的应用
低温水泥混凝土施工在黑龙江省绥满公路中应用，施工用混凝土在100型拌合站集中搅拌，采用自卸翻斗汽车运输至浇注现场。混凝土设计弯拉强度为5.0MPa，设计拌合物坍落度为30mm～50mm，含气量为（5±0.5）%。施工时，随时检测混凝土拌合物的出机口坍落度和含气量，并随车测定混凝土运至摊铺现场后的坍落度和含气量。
实测混凝土拌合物的出机坍落度为45mm～70mm，含气量为4.2%～5.6%；摊铺现场混凝土坍落度为40mm～50mm，含气量为4.3%～5.3%，拌合物的粘聚性和保水性良好，拌合物性能满足施工要求。主板浇注时间为9月26日～28日，长800M宽8.5M；边板浇注时间为9月30日～10月1日，长800M宽2.5M。施工操作期间实测室外最低气温2℃～一9℃，砂石料堆温度9℃左右，拌合水温度为70℃，施工方法与常温施工完全相同，养护措施与正温施工混凝土的养护方法相同，即成型后立即用湿麻袋片覆盖，硬化后覆盖草帘并定期浇水进行养护，直至规定龄期。
3.1 低温施工混凝土的强度性能 由于工程要求和现场钻芯取样数量的限制，施工时现场预留混凝土试件，部分预留混凝土试件放在施工现场与依托工程同条件自然养护，部分试件在标准养护室养护，作为自然养护混凝土的对比。各组混凝土的强度发展规律见表2。
负温养护条件下，掺加复合外加剂的混凝土的抗压和弯拉强度均持续发展，虽然其强度值较同龄期标准养护的试件有所降低，但其28d弯拉强度均能满足5.0MPa的设计要求，特别是掺加复合外加剂的各组混凝土，现场养护的混凝土7d弯拉强度已经超过5.0MPa，强度发展速度与标准养护混凝土相当，达到了常温施工混凝土28d弯拉强度的设计指标，完全能够满足提前开放交通的要求。
表3则为钻芯取样的测试结果。从试验结果可以看出：试验路段主板和边板混凝土现场钻芯取样试件的抗压强度均达到了C40混凝土的要求，换算小梁抗折强度均达到了高等级公路5.OMPa弯拉强度的设计指标，完全能够达到常温施工混凝土的指标要求。
3.2 低温施工混凝土的耐久性能
3.2.1 抗氯离子渗透性能 抗渗性是混凝土耐久性的一个重要指标，它还直接影响混凝土的抗冻性及抗侵蚀性等。影响混凝土氯离子扩散系数的因素很多，其中水灰比起决定性的作用。水灰比增大，混凝土的密实度降低，氯离子扩散系数增大。见表4。
混凝土的氯离子扩散系数均（100～500）×l0-14ffl2/S混凝土渗透性较低的范围内，且数值较小，说明掺入复合外加剂后各组混凝土的抗渗性良好。
3.2.2 抗冻性能 抗冻性也是评定混凝土耐久性的主要指标，也是寒冷地区道路水泥混凝土最重要的耐久性指标，影响混凝土抗冻性的因素很多，包括含气量、水灰比、外加剂、原材料质量、施工工艺、配合比、环境条件等。
表5为不同养护条件下混凝土冻融300次后动弹性模量和质量损失变化情况，复合外加剂的加入对混凝土的抗冻性没有不利影响。
4 技术经济分析
目前，水泥、砂、碎石的实际价格分别为415元/吨、37元/m3、30元/m3，常温外加剂、低温外加剂分别为2200元/吨、2500元/吨、夏季施工用混凝土的配合比为水泥：水：砂：碎石：外加剂=350：140：677：1205：7，低温施工用混凝土配合比为水泥：水：砂：碎石：外加剂：350：140：677：1205：10.5。则夏季施工混凝土的原材料成本为：
（350×415+677/1.46×37+1205/1.49×30+350×2%×2200）/1000=202.07元/m3
若复合外加剂的价格分别为2500元/吨，掺量分别为水泥质量的3.5%，则低温施工混凝土的原材料成本为：
掺加外加剂的混凝土：
（350×415+677/1.46×37+1205/1.49×30+350×3.5%×2500）/1000=217.3元/m3
原材料成本增加比例分别为（217.3-202.07）/202.07=7.5%
如果考虑到采用低温施工技术可以缩短施工周期、减少施工设备的存放、转运费用，同时提前开放交通产生的经济和社会效益，采取低温施工技术的综合成本要明显低于常温施工混凝土，因此具有明显的技术经济效益和极大的实际推广价值。
5 结论
现场应用试验证明，在秋末冬初和冬末春初季节，采用低温施工技术进行水泥混凝土路面的摊铺是完全可行的，所施工的混凝土不仅具有良好的负温强度增长，28d混凝土的力学性能完全能够达到常温施工混凝土的设计指标要求，而且混凝土的抗冻性能、抗渗性能良好，具有优良的耐久性能。
从工程应用来看，复合外加剂适宜于秋末冬初季节和冬末春初季节水泥混凝土路面的施工。
掺加复合外加剂后，单方混凝土的原材料成本增加高于常温施工混凝土的7.5%，但综合施工成本低于采用常温施工技术费用。
采用低温施工技术对部分路段进行施工，其总体费用比传统施工方法降低，且能起到缩短施工周期、提前开放交通的作用，具有明显的技术、经济和社会效益。
总之，水泥混凝土路面的低温施工技术是完全可行的，具有明显的经济和社会效益，具有很好的推广应用价值。
参考文献：
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