市政道路工程水泥混凝土材料抗凍耐久性研究

羅森洪

泉州城建工程管理咨詢有限公司（泉州市城建國有資產投資有限公司），福建 泉州 362000）

1 市政道路水泥混凝土材料抗凍耐久性影響因素分析

水泥混凝土材料受凍損害是目前大部分市政道路工程老化病害都存在的問題，特別是在我國北方地區(qū)，因氣候寒冷，以水泥混凝土瀝青等為主要材料的市政道路路面很容易出現(xiàn)受凍損害現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為路面凸凹不平，裂縫、斷板較多，骨料暴露在外等，嚴重影響了市政道路工程的長期使用和安全運行。為了保證市政道路正常運行，相關建設單位每年要耗費巨資來修復路面，但難以根除此類問題。以下對市政道路水泥混凝土材料抗凍耐久性影響因素進行分析。

1.1 路面設計因素分析

路面設計因素是市政道路項目水泥混凝土路面抗凍耐久性的關鍵影響因素，主要包括路面厚度設計、道路排水設計和路面尺寸設計等方面。市政道路的路面平面尺寸設計直接影響水泥混凝土路面暴露在大氣中的面積。排水設計則關系著道路上的積水能否及時排除，如若不能及時排水，水結晶也會對道路造成破壞。路面厚度與道路的使用壽命有正相關關系，厚度的把控與設計要與項目成本、當?shù)貧夂驙顩r相適應。

1.2 路基施工因素分析

路基施工因素是市政道路水泥混凝土材料耐久性的重要影響因素，路基施工及回填材料的選擇對水泥混凝土路面的耐久性有直接影響。例如，腐殖土和沼澤土，其液限都大于50%，塑限指數(shù)也在25%以上，這些一般不能用于路基施工及回填。另外，包括有機質含量超過3%的材料也不能用于路基回填施工。這些材料的應用可能會導致臺背沉陷或錯臺等問題的出現(xiàn)，也會對市政道路的路基穩(wěn)定產生不利影響。

1.3 混凝土凍融破壞

凍融破壞是水泥混凝土材料抗凍耐久性差的重要體現(xiàn)之一。混凝土結構主要由水泥砂漿和各種砂石料組合而成，其本身所含的骨料一般較為密實，孔隙率較低，反之含水率較高，孔隙率也對水分的擴散造成了影響。同時，骨料的飽水程度會對水泥混凝土材料的容水空間造成影響，在水泥混凝土材料拌制過程中會加入大量的水分，若這些水分超過設計量就會大范圍占據骨料毛細孔，而在水遇冷結冰后就會引發(fā)毛細孔體積擴大以至其破裂，影響混凝土結構的穩(wěn)定性，這也是混凝土凍融破壞的主要原因。

1.4 混凝土鹽凍破壞

鹽凍破壞主要是指水泥混凝土鹽凍剝蝕破壞，在凍融循環(huán)條件下，使用除冰鹽等材料而引發(fā)的水泥混凝土材料表層開裂、剝落、起皮等破壞。鹽凍破壞與普通的凍融破壞不同，因為鹽材料的存在，水泥混凝土材料內部所產生的滲透壓會更大，再加上其有較高的飽水度，結冰壓力也更大，因此，其對水泥混凝土材料產生的受凍破壞就更大。

2 提升市政道路工程水泥混凝土材料抗凍耐久性的措施

市政道路工程水泥混凝土材料本身抗凍耐久性存在很多的影響因素，要想從根本上防控、解決此類問題，就必須分析其產生的原因，并通過試驗調查研究來找出適合的解決方法，以下提出一些提升水泥混凝土材料抗凍耐久性的措施。

2.1 有效控制原材料及現(xiàn)場標高、平整度

對于市政道路工程來說，要提升水泥混凝土材料的抗凍耐久性，必須從設計出發(fā)，加強設計、施工到驗收全過程的技術研究。針對道路設計層面的因素，施工企業(yè)必須有效控制原材料、現(xiàn)場標高及平整度。當前，市政道路水泥混凝土路面基層大多采用水泥穩(wěn)定類集料，對集配要求和有機質含量要求比較高，一般有機質含量要控制在2%以內。另外，要注意混凝土骨料中不得含有腐殖質、土塊和其他有害物質。基層標高和平整度是路面厚度的基礎，要注意做好標高設計及平整度檢測，兩側之間的任何誤差都會導致路面板厚度不同，因此，必須很好地控制平整度，一般可以采用攤鋪機械進行專業(yè)化的攤鋪作業(yè)。標高方面要嚴格按照設計方案進行，嚴禁為了節(jié)約成本有意抬高或降低標高。此外，要做好道路清潔的基礎性工作，以保證不會影響其抗凍耐久性。

2.2 做好市政道路水泥混凝土的抗凍控制工作

2.2.1 有效應用引氣原理

通過使用引氣劑來提升水泥混凝土本身的抗凍耐久性，是當前市政道路工程中針對道路凍害問題普遍采取的措施之一。引氣劑作為一種表面活性劑，通過引氣原理可以顯著提升水泥混凝土材料的耐久性和抗凍性。在水泥混凝土的實際攪拌和施工中，會引入許多不連通的微小氣泡，在硬化水泥混凝土材料中，它們可以在一定程度上緩解凍融過程中產生的毛細水的滲透壓，也可以降低冰的膨脹壓力，從而提高水泥混凝土材料的抗凍融性能。實際上，在水泥混凝土材料沒有添加引氣劑的情況下，也會有約1%的含氣量，但是，這種氣泡一般存在形狀不規(guī)則、大小不均勻、易破裂等問題，對混凝土結構強度起反作用。而添加引氣劑能較為明顯地對溶液表面張力進行控制，從而使得混凝土內部產生的氣泡更加均勻、細膩，且形狀一般呈球形，不易破裂，與混凝土中的其他細集料顆粒相結合，組成網格似的支撐氣泡網絡，如果用量適當可把對混凝土結構強度的影響降到最低。另外，需要注意的是，使用引氣劑材料所產生的孔洞是密閉孔，其孔內一般都不含水分，與其他連通孔且允許水自由流轉的孔洞不同，其不是可凍孔，在凍融循環(huán)作用下不會對水泥混凝土材料結構造成破壞；反之，能釋放冰凍作用下混凝土結構體積膨脹的壓力，以減輕凍融作用對水泥混凝土材料的破壞。

2.2.2 有效應用抗凍理論

在市政道路施工技術研究如火如荼的當下，我國對水泥混凝土材料抗凍耐久性研究也有了發(fā)展，很多抗凍理論在經過實踐驗證后開始被廣泛應用，以下主要分三個方面進行分析。

①使用防凍劑時，在新拌水泥混凝土中加入一定量的防凍劑，降低其內部水溶液的凝固點，以此來提升水泥混凝土材料的抗凍耐久性。防凍劑的使用會在一定程度上干擾水泥混凝土材料中冰晶的出現(xiàn)，尤其是在新拌水泥混凝土中，可以有效保護未成熟水泥混凝土材料，防止其發(fā)生凍脹破壞問題，防凍劑可在低溫條件下能使水泥混凝土材料持續(xù)保持水化。

②制作不含可凍水的混凝土構件。主要是在水泥混凝土材料配合比設計中，采用高效減水劑降低水泥混凝土材料中水量與水泥量的比值，在充分水化后，含少量或不含毛細水的混凝土構件就會因為凝膠中的空間少而產生毛細水結晶困難的現(xiàn)象，以此來防止凍融循環(huán)作用下的毛細水結晶問題。但是，要注意此種方式不能結合其他摻和料使用，例如粉煤灰等材料，會相互作用進而影響到混凝土材料的質量。

③做好骨料選擇。要盡量選擇巖石吸水率低、可凍水少的骨料，選擇不受冰凍害的材料作為輔助，包括小顆粒石料等，以獲取較好的抗凍效果。

2.3 有效添加摻合料

近年來，我國在通過摻合料提升水泥混凝土抗凍耐久性方面有了一些新研究成果，結合當前市政道路建設實際，以下主要對礦渣、硅粉及粉煤灰等摻合料的應用進行分析。

2.3.1 適當加入礦渣材料

礦渣材料是當前市政道路項目應用較多的一種摻合料。研究表明，磨細礦渣與混凝土材料中水泥水化而成的氫氧化鈣相結合能夠產生一定的活性，在一定程度上可以提升水泥混凝土材料內部抗凍耐久屬性。我國學者成秀珍和張德思通過試驗研究得出相應結論，在礦渣摻和量增加的基礎上，水泥混凝土材料的抗融屬性會變差，在摻和比例合適時能有效提升混凝土材料的抗凍性能。

2.3.2 適當加入硅粉材料

硅粉材料是當前市政道路項目應用較多的一種摻合料，硅粉混凝土材料在當前土建、建筑、路橋及市政道路等項目建設領域中得到廣泛應用。在膠凝材料總量和坍落度不變的情況下，非引氣硅粉混凝土材料比基準水泥混凝土材料具有更高的抗凍性。我國學者范沈撫通過試驗研究得出相應結論，通過控制含氣量，保證其相同或相近，在基準混凝土中摻和15%的硅粉材料能有效改善水泥混凝土材料的氣孔結構，在一定程度上提升水泥混凝土材料抗凍耐久性。但硅粉相比礦渣材料成本更高且產量有限，在實際應用中需要注意成本的管控，綜合考慮選擇摻合料。

2.3.3 適當加入粉煤灰材料

粉煤灰材料也是當前市政道路項目應用較多的一種摻合料，其與硅粉和礦粉相比產量更高、成本造價更低，對水泥混凝土材料的抗寒耐久性提升也有一定的作用。我國學者繆昌文和游有鯤通過試驗研究得出相應結論，將水膠比控制在0.25～0.27，在粉煤灰摻和量不斷提高且不加引氣劑的情況下，水泥混凝土材料的抗凍耐久性與粉煤灰摻和量的增加呈正比例關系，但粉煤灰材料在一定程度上會影響到水泥混凝土結構本身的穩(wěn)固性，考慮到水泥混凝土本身的質量，最佳的粉煤灰摻和量在30%左右。

3 做好冬季水泥混凝土道路施工工作

冬季是市政道路工程水泥混凝土材料凍傷害問題的集中發(fā)生時節(jié)，做好冬季水泥混凝土道路的施工工作主要包括以下三個方面。

3.1 做好水泥混凝土材料的保溫工作

在進入冬季后，水泥混凝土原材料包括砂石料等在運輸過程中難免會出現(xiàn)受凍等問題。所以，施工單位要做好規(guī)劃，盡量在入冬前先將不耐凍的重要材料運到施工現(xiàn)場，并適當鋪蓋草袋和棉氈，在防冰雪的同時也能保證其溫度在零度以上。此外，主要水泥材料和各種外加劑材料應存放在倉庫或溫室內，禁止直接加熱處理。提前預留水源，保證其濕度?；炷涟韬衔锏募訜崽幚?，應通過攪拌一定溫度的水進行間接加熱處理，以免損壞其內部結構。

3.2 合理安排水泥混凝土拌料的投料順序

合理安排水泥混凝土攪拌作業(yè)中各種材料的投料順序。先將砂石投入攪拌機，加入約90%的水攪拌約1min；然后，將外加劑和水泥材料投入攪拌機攪拌1.5min以上，并在混合過程中加入剩余10%的水，以防止在攪拌過程中發(fā)生水泥假凝現(xiàn)象，影響水泥混凝土材料的質量。水泥混凝土拌料的投料順序對混凝土凝結后的穩(wěn)固性、耐久性等屬性有直接影響，所以，在冬季施工中，一定要按照設計技術要求來執(zhí)行。

3.3 做好水泥混凝土材料的運輸及澆筑作業(yè)

由于冬季氣候較為寒冷，所以，在實際投入使用之前，要先對混凝土材料所涉及的各項生產設備進行加熱濕潤處理，包括運輸車、輸送泵體和管道等，這樣能在一定程度上提升澆筑順暢性。在實際澆筑前，要先對舊的混凝土殘料進行沖洗加溫，對模板和鋼筋材料也要進行適當加溫處理，保證與水泥混凝土材料相接觸的材料溫度在10℃以上。在實際澆筑中要做好對水泥混凝土材料溫度的觀察控制，要構建溫度檢測系統(tǒng)，并在整個過程中做好各時段的檢測記錄，指定專人負責對混凝土材料進行測溫記錄。

4 結語

綜上所述，水泥混凝土材料是當前市政道路工程建設施工中廣泛應用的施工主材，也是影響市政道路工程整體質量的關鍵因素。在大部分地區(qū)，特別是氣候寒冷的區(qū)域，對市政道路本身的抗凍耐久性有更高的要求，提升市政道路工程水泥混凝土材料抗凍耐久性成為市政道路工程質量技術工藝革新的重要研究方向，市政道路建設企業(yè)要提高對水泥混凝土材料抗凍耐久性研究的重視程度，以不斷提高技術水平。