市政道路工程水泥混凝土材料抗冻耐久性研究

罗森洪

泉州城建工程管理咨询有限公司（泉州市城建国有资产投资有限公司），福建 泉州 362000）

1 市政道路水泥混凝土材料抗冻耐久性影响因素分析

水泥混凝土材料受冻损害是目前大部分市政道路工程老化病害都存在的问题，特别是在我国北方地区，因气候寒冷，以水泥混凝土沥青等为主要材料的市政道路路面很容易出现受冻损害现象，具体表现为路面凸凹不平，裂缝、断板较多，骨料暴露在外等，严重影响了市政道路工程的长期使用和安全运行。为了保证市政道路正常运行，相关建设单位每年要耗费巨资来修复路面，但难以根除此类问题。以下对市政道路水泥混凝土材料抗冻耐久性影响因素进行分析。

1.1 路面设计因素分析

路面设计因素是市政道路项目水泥混凝土路面抗冻耐久性的关键影响因素，主要包括路面厚度设计、道路排水设计和路面尺寸设计等方面。市政道路的路面平面尺寸设计直接影响水泥混凝土路面暴露在大气中的面积。排水设计则关系着道路上的积水能否及时排除，如若不能及时排水，水结晶也会对道路造成破坏。路面厚度与道路的使用寿命有正相关关系，厚度的把控与设计要与项目成本、当地气候状况相适应。

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响因素，路基施工及回填材料的选择对水泥混凝土路面的耐久性有直接影响。例如，腐殖土和沼泽土，其液限都大于50%，塑限指数也在25%以上，这些一般不能用于路基施工及回填。另外，包括有机质含量超过3%的材料也不能用于路基回填施工。这些材料的应用可能会导致台背沉陷或错台等问题的出现，也会对市政道路的路基稳定产生不利影响。

1.3 混凝土冻融破坏

冻融破坏是水泥混凝土材料抗冻耐久性差的重要体现之一。混凝土结构主要由水泥砂浆和各种砂石料组合而成，其本身所含的骨料一般较为密实，孔隙率较低，反之含水率较高，孔隙率也对水分的扩散造成了影响。同时，骨料的饱水程度会对水泥混凝土材料的容水空间造成影响，在水泥混凝土材料拌制过程中会加入大量的水分，若这些水分超过设计量就会大范围占据骨料毛细孔，而在水遇冷结冰后就会引发毛细孔体积扩大以至其破裂，影响混凝土结构的稳定性，这也是混凝土冻融破坏的主要原因。

1.4 混凝土盐冻破坏

盐冻破坏主要是指水泥混凝土盐冻剥蚀破坏，在冻融循环条件下，使用除冰盐等材料而引发的水泥混凝土材料表层开裂、剥落、起皮等破坏。盐冻破坏与普通的冻融破坏不同，因为盐材料的存在，水泥混凝土材料内部所产生的渗透压会更大，再加上其有较高的饱水度，结冰压力也更大，因此，其对水泥混凝土材料产生的受冻破坏就更大。

2 提升市政道路工程水泥混凝土材料抗冻耐久性的措施

市政道路工程水泥混凝土材料本身抗冻耐久性存在很多的影响因素，要想从根本上防控、解决此类问题，就必须分析其产生的原因，并通过试验调查研究来找出适合的解决方法，以下提出一些提升水泥混凝土材料抗冻耐久性的措施。

2.1 有效控制原材料及现场标高、平整度

对于市政道路工程来说，要提升水泥混凝土材料的抗冻耐久性，必须从设计出发，加强设计、施工到验收全过程的技术研究。针对道路设计层面的因素，施工企业必须有效控制原材料、现场标高及平整度。当前，市政道路水泥混凝土路面基层大多采用水泥稳定类集料，对集配要求和有机质含量要求比较高，一般有机质含量要控制在2%以内。另外，要注意混凝土骨料中不得含有腐殖质、土块和其他有害物质。基层标高和平整度是路面厚度的基础，要注意做好标高设计及平整度检测，两侧之间的任何误差都会导致路面板厚度不同，因此，必须很好地控制平整度，一般可以采用摊铺机械进行专业化的摊铺作业。标高方面要严格按照设计方案进行，严禁为了节约成本有意抬高或降低标高。此外，要做好道路清洁的基础性工作，以保证不会影响其抗冻耐久性。

2.2 做好市政道路水泥混凝土的抗冻控制工作

2.2.1 有效应用引气原理

通过使用引气剂来提升水泥混凝土本身的抗冻耐久性，是当前市政道路工程中针对道路冻害问题普遍采取的措施之一。引气剂作为一种表面活性剂，通过引气原理可以显著提升水泥混凝土材料的耐久性和抗冻性。在水泥混凝土的实际搅拌和施工中，会引入许多不连通的微小气泡，在硬化水泥混凝土材料中，它们可以在一定程度上缓解冻融过程中产生的毛细水的渗透压，也可以降低冰的膨胀压力，从而提高水泥混凝土材料的抗冻融性能。实际上，在水泥混凝土材料没有添加引气剂的情况下，也会有约1%的含气量，但是，这种气泡一般存在形状不规则、大小不均匀、易破裂等问题，对混凝土结构强度起反作用。而添加引气剂能较为明显地对溶液表面张力进行控制，从而使得混凝土内部产生的气泡更加均匀、细腻，且形状一般呈球形，不易破裂，与混凝土中的其他细集料颗粒相结合，组成网格似的支撑气泡网络，如果用量适当可把对混凝土结构强度的影响降到最低。另外，需要注意的是，使用引气剂材料所产生的孔洞是密闭孔，其孔内一般都不含水分，与其他连通孔且允许水自由流转的孔洞不同，其不是可冻孔，在冻融循环作用下不会对水泥混凝土材料结构造成破坏；反之，能释放冰冻作用下混凝土结构体积膨胀的压力，以减轻冻融作用对水泥混凝土材料的破坏。

2.2.2 有效应用抗冻理论

在市政道路施工技术研究如火如荼的当下，我国对水泥混凝土材料抗冻耐久性研究也有了发展，很多抗冻理论在经过实践验证后开始被广泛应用，以下主要分三个方面进行分析。

①使用防冻剂时，在新拌水泥混凝土中加入一定量的防冻剂，降低其内部水溶液的凝固点，以此来提升水泥混凝土材料的抗冻耐久性。防冻剂的使用会在一定程度上干扰水泥混凝土材料中冰晶的出现，尤其是在新拌水泥混凝土中，可以有效保护未成熟水泥混凝土材料，防止其发生冻胀破坏问题，防冻剂可在低温条件下能使水泥混凝土材料持续保持水化。

②制作不含可冻水的混凝土构件。主要是在水泥混凝土材料配合比设计中，采用高效减水剂降低水泥混凝土材料中水量与水泥量的比值，在充分水化后，含少量或不含毛细水的混凝土构件就会因为凝胶中的空间少而产生毛细水结晶困难的现象，以此来防止冻融循环作用下的毛细水结晶问题。但是，要注意此种方式不能结合其他掺和料使用，例如粉煤灰等材料，会相互作用进而影响到混凝土材料的质量。

③做好骨料选择。要尽量选择岩石吸水率低、可冻水少的骨料，选择不受冰冻害的材料作为辅助，包括小颗粒石料等，以获取较好的抗冻效果。

2.3 有效添加掺合料

近年来，我国在通过掺合料提升水泥混凝土抗冻耐久性方面有了一些新研究成果，结合当前市政道路建设实际，以下主要对矿渣、硅粉及粉煤灰等掺合料的应用进行分析。

2.3.1 适当加入矿渣材料

矿渣材料是当前市政道路项目应用较多的一种掺合料。研究表明，磨细矿渣与混凝土材料中水泥水化而成的氢氧化钙相结合能够产生一定的活性，在一定程度上可以提升水泥混凝土材料内部抗冻耐久属性。我国学者成秀珍和张德思通过试验研究得出相应结论，在矿渣掺和量增加的基础上，水泥混凝土材料的抗融属性会变差，在掺和比例合适时能有效提升混凝土材料的抗冻性能。

2.3.2 适当加入硅粉材料

硅粉材料是当前市政道路项目应用较多的一种掺合料，硅粉混凝土材料在当前土建、建筑、路桥及市政道路等项目建设领域中得到广泛应用。在胶凝材料总量和坍落度不变的情况下，非引气硅粉混凝土材料比基准水泥混凝土材料具有更高的抗冻性。我国学者范沈抚通过试验研究得出相应结论，通过控制含气量，保证其相同或相近，在基准混凝土中掺和15%的硅粉材料能有效改善水泥混凝土材料的气孔结构，在一定程度上提升水泥混凝土材料抗冻耐久性。但硅粉相比矿渣材料成本更高且产量有限，在实际应用中需要注意成本的管控，综合考虑选择掺合料。

2.3.3 适当加入粉煤灰材料

粉煤灰材料也是当前市政道路项目应用较多的一种掺合料，其与硅粉和矿粉相比产量更高、成本造价更低，对水泥混凝土材料的抗寒耐久性提升也有一定的作用。我国学者缪昌文和游有鲲通过试验研究得出相应结论，将水胶比控制在0.25～0.27，在粉煤灰掺和量不断提高且不加引气剂的情况下，水泥混凝土材料的抗冻耐久性与粉煤灰掺和量的增加呈正比例关系，但粉煤灰材料在一定程度上会影响到水泥混凝土结构本身的稳固性，考虑到水泥混凝土本身的质量，最佳的粉煤灰掺和量在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冻伤害问题的集中发生时节，做好冬季水泥混凝土道路的施工工作主要包括以下三个方面。

3.1 做好水泥混凝土材料的保温工作

在进入冬季后，水泥混凝土原材料包括砂石料等在运输过程中难免会出现受冻等问题。所以，施工单位要做好规划，尽量在入冬前先将不耐冻的重要材料运到施工现场，并适当铺盖草袋和棉毡，在防冰雪的同时也能保证其温度在零度以上。此外，主要水泥材料和各种外加剂材料应存放在仓库或温室内，禁止直接加热处理。提前预留水源，保证其湿度。混凝土拌合物的加热处理，应通过搅拌一定温度的水进行间接加热处理，以免损坏其内部结构。

3.2 合理安排水泥混凝土拌料的投料顺序

合理安排水泥混凝土搅拌作业中各种材料的投料顺序。先将砂石投入搅拌机，加入约90%的水搅拌约1min；然后，将外加剂和水泥材料投入搅拌机搅拌1.5min以上，并在混合过程中加入剩余10%的水，以防止在搅拌过程中发生水泥假凝现象，影响水泥混凝土材料的质量。水泥混凝土拌料的投料顺序对混凝土凝结后的稳固性、耐久性等属性有直接影响，所以，在冬季施工中，一定要按照设计技术要求来执行。

3.3 做好水泥混凝土材料的运输及浇筑作业

由于冬季气候较为寒冷，所以，在实际投入使用之前，要先对混凝土材料所涉及的各项生产设备进行加热湿润处理，包括运输车、输送泵体和管道等，这样能在一定程度上提升浇筑顺畅性。在实际浇筑前，要先对旧的混凝土残料进行冲洗加温，对模板和钢筋材料也要进行适当加温处理，保证与水泥混凝土材料相接触的材料温度在10℃以上。在实际浇筑中要做好对水泥混凝土材料温度的观察控制，要构建温度检测系统，并在整个过程中做好各时段的检测记录，指定专人负责对混凝土材料进行测温记录。

4 结语

综上所述，水泥混凝土材料是当前市政道路工程建设施工中广泛应用的施工主材，也是影响市政道路工程整体质量的关键因素。在大部分地区，特别是气候寒冷的区域，对市政道路本身的抗冻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冻耐久性成为市政道路工程质量技术工艺革新的重要研究方向，市政道路建设企业要提高对水泥混凝土材料抗冻耐久性研究的重视程度，以不断提高技术水平。