高性能引气混凝土的配制
2015-02-24
目次
前言...................…………………………………………………II
1范围......................…………………………………………………1
2规范性引用文件......................………………………………………1
3术语和定义.....................……………………………………………1
4配制技术指标......................…………………………………………1
5原材料.......................………………………………………………1
6高性能引气混凝土配合比的设计和调整......................…………………2
7高性能引气混凝土的路面施工.......................…………………………4
8高性能引气混凝土的质量检验和管理......................……………………5
9附录(条文说明)高性能引气混凝土的配制及路面施工......................……6
前言
随着运输事业的发展，交通流量的迅速增加，对所使用的路面要求也越来越高，不但要质量好，而且要寿命长。作为混凝土路面，即是意味着提高强度，增加耐久性。特别是省道和国道，C30级的混凝土基本上不被使用，C40的混凝土将会随着技术的发展，路用量也越来越少。代之而来的将是高强度、高流动性、高耐久性的高性能引气混凝土。因此，编制《高性能引气混凝土的配制及路面施工》是顺应发展，提高公路质量和彻底改变寒冷地区混凝土路面使用年限的有效措施。
高性能引气混凝土作为新技术、新材料，由于我们经验不多，编制中不足之处在所难免，请各位专家和同业者批评指正。
望广大技术人员在应用中，有问题及时联系，有意见及时提出，有经验多加积累。让我们共同携手，把寒区的公路建好!
黑龙江省交通科学研究所编写组
2006年11月10日
高性能引气混凝土的配制及路面施工（试行）
1范围
高性能引气混凝土目前仅适用于自流平的水泥混凝土路面、钢筋混凝土路面及混凝土路面的修复，尤其适用于桥面和桥墩工程的施工。
2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。
JTGF30-2003公路水泥混凝土路面施工技术规范
JTGE30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程
3术语和定义
下列术语和定义适用于本标准。
高性能引气混凝土
凡坍落度不小于18cm，水胶比不大于0.40,28天抗压强度达到40Mpa以上的引气混凝土，称为高性能引气混凝土。为确保耐久性，高性能引气混凝土中必须掺有高效减水剂和适材适量的超细矿粉。
4配制技术指标
根据目前高性能引气混凝土在公路上的应用情况及当地实际情况，高性能引气混凝土的配制技术暂定为下述指标：
表1高性能引气混凝土的配制技术指标
项目
范围
混凝土强度(Mpa)
C40～C80
水泥用量(Kg/m3)
375～600
水胶比
0.25～0.40
坍落度(cm)
≥18
含气量(%)
3～7
5原材料
5.1水泥
高性能引气混凝土宜使用42.5以上的道路硅酸盐水泥，中、低热硅酸盐水泥。标号低的混凝土也可采用普通硅酸盐水泥，水泥中的铝酸三钙含量要小于5%。若能使用球状水泥，调粒水泥及活化水泥更好，可以降低水泥用量。
5.2中砂
高性能引气混凝土必须采用Ⅰ级河砂，砂的视比重不应小于2600kg/m3，吸水率不应大于2.50%。
5.3碎石
高性能引气混凝土宜采用Ⅰ级硬质碎石，骨料最大粒径不应大于31.5mm，最好在26.5mm以下，细度模量为6～8。
粗骨料的细度模量Mz按下式计算：
-------------------------------------------------------------------（1）
式中：
A1＝a1，A2＝a1+a2，A3＝a1+a2+a3，A4＝a1+a2+a3+a4
A5＝A6＝A7＝A8＝A9＝a1+a2+a3+a4
其中：a1，a2，a3，a4分别为31.5mm，19mm，9.5mm和4.75mm筛孔上的累计筛余量，因为粗骨料的粒径都大于4.75mm，所以2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm、和0.15mm筛上的筛余全为零。故A5=A6=A7=A8=A9＝a1+a2+a3+a4。
5.4粉煤灰
超细矿粉掺合料是高性能引气混凝土的必要组份。在没有硅灰和磨细矿渣的地方，可掺用电收尘或I级磨细粉煤灰，粉煤灰中SiO2+Al2O3的含量必须大于60%。并采用超量取代法，取代系数为1.2～1.4。
5.5高效减水剂
高效减水剂也是高性能引气混凝土的重要组份。应选择那些不但分散性好，且分散维持性好的新型高效减水剂，作为高性能引气混凝土的配制原材料。减水剂的减水率必须大于20%。
5.6引气剂
高性能引气混凝土对引气剂的选择十分严格，不但要求所引气泡细密，孔径、孔形好，一般情况下，每增加1/万（占水泥重量）的掺量，引气量的增加值要大于0.5%。
6高性能引气混凝土配合比的设计和调整
高性能引气混凝土配合比的设计是一件比较复杂的工作，目前还没有统一的方法。因此，可以采用多种形式，既可以把所有按计算得到的原材料一起进行试拌、试配和调整，直接得出高性能引气混凝土的配合比；也可以先设计出高性能混凝土的配合比，然后再调整成为引气混凝土。
6.1高性能引气混凝土配合比的设计计算
6.1.1试配强度fc的确定
表2混凝土抗弯拉与抗压强度对照表
混凝土28天设计抗弯拉强度fr(Mpa)
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
混凝土试件28天抗压强度fcu(Mpa)
35
40
46
52.5
60
68
由表2的设计抗弯拉强度fr，查出与之相对应的抗压强度fcu，作为设计基准强度。然后乘以试配提高系数1.15，即是试配强度fc：
fc＝1.15fcu----------------------（2）
式中：
fc——高性能引气混凝土的试配强度（Mpa）；
fcu——高性能引气混凝土的设计基准强度（Mpa）。
6.1.2水胶比的计算
高性能引气混凝土的水胶比，不但与胶结料的用量、混凝土坍落度有关，且还受混凝土强度的制约及混凝土含气量的影响。可按式（3）进行计算，但结果不能大于表3的规定。
-------------------------------------------------------------------（3）
式中：
fc——混凝土试配强度（Mpa）；
——混凝土胶结料与用水量之比；
fce——水泥28天实际抗压强度（Mpa）。
fce原则上应由实际试验确定，在无条件试验时，可按下式计算：
fce=r·fcek--------------------------------------------------------（4）
式中：
fcek——水泥标号（抗压强度Mpa）；
r——水泥标号富余系数，可取1.13试算。
表3混凝土强度及含气量与水胶比的关系
混凝土强度等级(Mpa)
水胶比
混凝土含气量(%)
C40～C50
C50～C60
C60～C70
C70～C80
3～4
0.40
0.37
0.34
0.31
4～5
0.39
0.36
0.33
0.30
5～6
0.38
0.35
0.32
0.29
6～7
0.36
0.33
0.30
0.28
6.1.3水泥或胶结料用量的选择
混凝土的耐久性与混凝土的强度和含气量有关，而耐久性和强度又与混凝土中水泥的水化生成物及其数量有关。因此，水泥用量是耐久性的基本保证。高性能引气混凝土的水泥或胶结料用量在用公式（5）计算出后，其胶结料与砂、石骨料之比不应小于表4的规定：
-------------------------------------------------（5）
式中：
C＋F——水泥或胶结料用量（Kg/m3）；
——水胶比。
表4混凝土不同强度及含气量的胶骨比
混凝土强度等级(Mpa)
最小胶骨比
混凝土含气量(%)
C40～C50
C50～C60
C60～C70
C70～C80
3～4
0.25
0.27
0.30
0.32
4～5
0.27
0.29
0.32
0.34
5～6
0.29
0.31
0.34
0.36
6～7
0.31
0.33
0.36
0.38
6.1.4用水量
高性能引气混凝土的用水量可以根据水胶比及胶结料用量计算得到，但结果不能大于表5的规定。如果满足不了，可以通过试拌试配，增加高效减水剂的用量解决。并且，为了提高耐久性，在满足坍落度的条件下，应尽量减少用水量。
表5高性能引气混凝土的最大单位用水量
混凝土强度等级(Mpa)
C40～C50
C50～C60
C60～C70
C70～C80
每m3混凝土用水量(Kg/m3)
165
160
160
155
6.1.5骨料用量的计算
假定高性能混凝土的湿容重为2500Kg/m3，则从中减去胶结料用量及用水量，剩余的基本是骨料用量。根据经验，砂率一般是32%～38%，可按高性能混凝土的流动性和强度通过试拌、试配确定砂率和水胶比。
6.1.6掺合料（粉煤灰）
一般情况下，我们使用的掺合料为粉煤灰。粉煤灰的取代水泥量不应大于25%和小于15%。当混凝土标号较高（大于C70）和含气量较大（大于6.5%）时，取代量可降为10%，当含气量较小或标号较低时，取代量可适当放宽。
6.1.7引气剂和高效减水剂
在试拌时，引气剂可先不掺或少掺，等选定砂率和水胶比后再掺足量。但减水剂一开始就应掺入，先按1%试拌，待粉煤灰、引气剂掺量确定后，再调整为最大量。
6.2配合比的试拌、试配
6.2.1选择合理砂率
按计算配合比，再上下各选1～2个砂率，计算并称量原材料（可先不加引气剂），拌制混凝土，依流动性大小选择合理砂率。
6.2.2确定实际水灰(胶)比
以合理砂率，按计算配合比，再上、下各选1～2个水灰比(或水胶比)，计算并称量材料，配制混凝土试件，按抗压强度与混凝土水胶比的关系曲线，决定实际水灰比(或水胶比)。
6.2.3最佳水泥用量的选择
利用合理砂率、实际水灰(胶)比，按计算配合比，再选3～4个水泥用量（间隔为15～20Kg）进行试拌和试配。测定坍落度、湿容重、含气量，并制作试件进行强度测试。依据坍落度、容重和强度的大小以及水泥用量的多少，选择最佳水泥用量。
6.3配合比的调整
6.3.1含气量及混凝土容重的调整
根据试拌、试配所测得的混凝土容重及含气量，用拟定含气量的大小减去已有含气量，即是引气量的增加；用测得的混凝土容重减去引气后容重的降低（即引气量增大的比率），即为引气后的混凝土容重。并根据试验，计算掺量掺加引气剂。
6.3.2坍落度及减水剂掺量的调整
在保证水胶比的情况下，根据坍落度的大小，调节高效减水剂的掺量，以满足和易性要求和尽量减少单位用水量。并配制混凝土，测定坍落度、容重、含气量和强度。
6.3.3强度和粉煤灰掺量的调整
根据上节试验所测得坍落度和混凝土强度的大小，调整减水剂、粉煤灰的掺量，强度低时，粉煤灰取代量减小；坍落度小时，粉煤灰取代量增大。
6.3.4引气剂掺量的再调整
由于减水剂掺量的增加，粉煤灰取代量的变化，会给混凝土的含气量带来影响。要再次调整引气剂掺量，达到适宜含气量。
6.4高性能引气混凝土配合比的确定
经过反复调整和试验，按最终确定的配合比称量材料，进行试验，并测量所有应实测数据。若有任一项不合格，再经过调整，直到适宜为止。并进行数字修正，确定最终配合比。
7高性能引气混凝土的路面施工
7.1搅拌
高性能引气混凝土的搅拌必须采用强制式搅拌机。投料顺序及拌合程序为：首先投入细集料和胶结料，拌合20s，再投入引气剂、减水剂，加水，拌合30s，最后加入粗集料，拌合60s后出罐。总搅拌时间不能大于180s，也不应低于90s。
7.2运输
高性能引气混凝土的运输宜采用搅拌罐车，当运距较近时，也可采用翻斗车，但必须在车厢底部采取适当的隔离措施，防止因混凝土粘度大而导致的卸车困难。要注意措施得当，不能污染混凝土，如车厢浇水、撒砂子、刷油或隔离剂等。
7.3摊铺
7.3.1高性能引气混凝土当坍落度在18cm及其以上时，自流平能力较强，一般可以自行流平。除边角需轻振外，基本不用振捣。此时，模板可超高0.3cm。
7.3.2当摊铺转弯和上下坡路段时，混凝土要降低坍落度到15～18cm，以防流淌出模板，并注意高低处的路面板厚度。
7.3.3高性能引气混凝土路面板的抹面，宜从低处向高处推抹。不能反复抹压，不能撒水或者水泥。注意保持混凝土的含气量。
7.3.4对于自流平的路面板，骨料凸露；另一方面由于高性能引气混凝土的自身粘聚力较大，不易拉毛，防滑构造宜采取刻槽的方法。
7.3.5高性能引气混凝土由于强度增长较快，其路面板的切缝和拆模要根据经验并实地观察，准确掌握合适的时间，防止断板的产生。
7.3.6高性能引气混凝土路面板拆模后，应立即进行覆盖养护（如覆盖草袋、喷洒养护剂），并一直保持潮湿养护28天。
8高性能引气混凝土的质量检验和管理
8.1高性能引气混凝土的原材料必须经检验合格，并保持一进料一检验，保证质量相对稳定。如有产地及检验数据超出规定范围时，都要修正混凝土配合比。
8.2高性能引气混凝土路面施工，每天应至少取样两次，测定新拌混凝土的坍落度、湿容重和含气量，并制作抗弯拉试件各一组，龄期为28天。
8.3高性能引气混凝土路面的评比、验收，除采用正常标准外，要增加混凝土气泡间距系数的检测和取芯进行抗冻融试验。
附录
A(条文说明)
高性能引气混凝土的配制及路面施工
A·1定义
按国外资料和发展技术，所谓高性能混凝土，是指抗压强度大于50Mpa(C50)，水胶比小于0.38，坍落度在18～21cm的高强度、高流动性和高耐久性的混凝土。但根据我国和我省的目前实际情况，水泥混凝土路面的设计抗弯拉强度一般在4.0～5.0Mpa之间，个别特重交通的特殊路段，才能使用标准值为5.5Mpa的抗弯拉强度。与其相对应的混凝土抗压强度也都在C50以下。即使考虑到将来的发展，在未来相当长的一段时间内，我们的水泥混凝土路面也只不过是普及5.5和6.0Mpa的抗弯拉强度。所使用的混凝土抗压强度也只不过是C50、C60乃至C70，不会有大量的混凝土超过C70。因此，我们把高性能引气混凝土定义在C40～C80，对于引气混凝土的普及和提高都有指导意义。
A·2应用范围
根据目前情况，我国水泥混凝土路面以素混凝土为主，寿命较短，特别是寒冷地区，断裂破坏较为严重。为了提高其耐久性，首先就要提高混凝土的抗弯拉强度。但当混凝土超过C50以后，折压比相对变小，用素混凝土提高抗弯拉强度无疑很不经济。因此，发展钢筋混凝土路面势在必行。另外，在桥墩和桥面工程中，耐久性要求较高。这些都需要使用高性能引气混凝土。因此，高性能引气混凝土的发展，前景可观。
A·3配制技术
由定义可知，在目前和今后相当长一段时间内，我国的水泥混凝土路面大量使用的将是C40、C50和C60的混凝土，个别的能达到C70以上。因此，能配制到C80，引气混凝土基本够用。
另外，在国外，C40的混凝土早已被看作是普通混凝土。而在我国，特别是在公路建设方面，C40的混凝土正是目前用量最大的部分。因此，我们把它定义在高性能引气混凝土中，具有现实意义。同样的道理，考虑到经济性，高性能引气混凝土的水胶比也从0.38放宽到0.40(目前国际上把0.38的水胶比作为高性能混凝土的最大水胶比)。
A·4原材料
因为高性能引气混凝土配制技术较难，所以对原材料的要求较为严格，以免造成浪费和损失。
A·4·1水泥要求必须是硅酸盐水泥，铝酸三钙的含量要低于5%，否则将会导致过量掺加引气剂和减水剂；砂的要求为I级河砂，并对视比重和吸水率作了限制，目的也是为了提高强度和耐久性。
A·4·2首次提出粗骨料细度模量Mz，目的是便于了解和掌握骨料质量系数K：
K＝Mz·(50-P)
式中：K－骨料质量系数，
Mz－骨料的细度模量，
P－骨料的空隙体积百分率。
K值大，骨料质量高、级配好。因为根据我省情况，骨料一般粒径较大，如果级配再不好，将难以配制合格的高性能引气混凝土。
A·4·3粉煤灰要求为I级(磨细、分选)粉煤灰，并对SiO2和Al2O3的含量作了规定，也是为了提高混凝土的耐久性。高效减水剂要求减水率大于20%；引气剂要求每增加1/万的掺量，引气量的增加值要大于0.5%。
A·4·4其他未作规定，即按当前国家有关标准施行。
A·5高性能引气混凝土配合比设计
A·5·1由前所述可知，我们把高性能引气混凝土定义在C40～C80。据分析，真正常用的是C40、C50和C60混凝土。根据国内外资料和我们的试验结果，当混凝土不超过C80，特别是在C70及其以下时，基本遵从普通混凝土的水灰比与强度的线形关系。这就给我们配合比的设计带来方便。因此，我们仍然用经验式的线形关系计算式来计算水胶比和水泥用量。当然，它们遵从的程度及范围和普通混凝土不同。为此，我们又做了一些限制，即把计算结果限定在必要的范围之内。例如水胶比、胶结材料用量及用水量等。
A·5·2关于计算水胶比和胶结材料用量的两个关系式，是我们根据试验，自己推导出来的。虽然它不是十分理想，但对我们定义的主要部分，例如水胶比在0.38～0.30之间；水泥用量在380～620Kg/m3之间较为适宜。
A·5·3据了解，高性能混凝土配合比的设计，国内外都是靠试拌、试配和调整来解决。我们也主要是通过试拌、试配解决。在国外，粗骨料的用量很大，占混凝土体积的0.44～0.71；国内的推荐值为混凝土密实体积的0.4。我们没有采用这种作法，我们认为，既然这一部分高性能引气混凝土遵从普通混凝土的一些规律，就不如还利用普通混凝土配合比设计的一些作法来解决。例如利用试拌选取合理砂率；利用试配选取实际水胶比以及粗骨料的计算等。
A·5·4粉煤灰的掺量或取代量是按国内的统一标准，高效减水剂和引气剂的掺量，要经过几次反复试验才能解决，不能仅依靠原材料说明书中列出的推荐用量，因为它们不但对混凝土的强度、坍落度及含气量有影响，且互相之间也有影响。
A·6高性能引气混凝土的路面施工
高性能引气混凝土的搅拌、运输基本同普通引气混凝土，只是摊铺有所区别，因其坍落度大，易于流淌，施工时要十分注意。如果处理得当，充分利用其自流平、自密实的特点，施工倒也简单。它也同普通引气混凝土一样，不宜强振和过振，一般情况下，不用振捣，即使需要振捣的地方，也只能轻轻一振既可。高性能引气混凝土强度增长快，但抹平、拉毛较难，养护时间长。
总之，高性能引气混凝土的路面施工，我们经验也不多，只是通过两次试验路的施工总结出来的，更切合实际的条文要在今后的应用中产生。之所以提前出规程，也正是为了抛砖引玉，推广应用高性能引气混凝土。
