[0001] 本发明涉及一种混凝土，尤其涉及一种使用引气剂的混凝土。 背景技术

[0002] 我国寒冷地区路面混凝土存在着不同程度的耐久性不良现象，不少公路、城市道路和立交桥工程等达不到设计使用年限，即产生如冻胀脱皮、局部剥落、表面磨损等耐久性破坏现象，不得不进行频繁的修补和翻修，势必花费巨额维修和重建费用，造成了能源和资源的极大浪费。

[0003] 寒冷地区的水泥混凝土路面在冰雪冻融作用下，往往过早地断裂和破坏，远远达不到设计指标的使用年限。据专家分析，缩短寒冷地区公路服务年限的主要原因之一是路基冻胀和路面的冻融破坏。另一方面，近年来随着生活水平的提高，公用及民用汽车大量增加，为保障冬季公路行车安全，防止冰雪致滑，公路管理部门在下雪天时要在路上撒盐除冰雪。由于盐的冰点低、浸蚀性强，盐冻剥蚀破坏较之普通冰水冻融严酷得多，仅一两个冬天就可使路面层破坏。美国联邦公路局（FHWA）强调提高路面公程的综合耐久性，实现“长寿命、低维护”，降低全寿命成本，最主要的技术手段便是使用高性能的引气混凝土。 [0004] 影响混凝土耐久性的因素是多方面的， 如设计、原材料， 有关规范对混凝土耐久性指标考虑不够等等。但许多专家认为，混凝土施工中引气剂未能普及应用也是一项不可低估的因素。虽然许多国家已将引气剂的应用订入规范，并将使用引气剂的混凝土定为特种混凝土，而我国当时只有水工系统(03版路面施工规范加入相关内容)在混凝土结构规范中明确要求必须掺用引气剂。甚至许多人将混凝土含气视为禁区。将有一定引气量的外加剂定为不可使用产品。

[0005] 影响引气剂广泛应用的主要因素是许多工程技术人员对使用引气剂的重大技术经济效益认识不清， 甚至存在一定误区，总认为掺用引气剂会降低混凝土强度，引气剂对混凝土耐久性能的影响却很少考虑。中科院院士，清华大学陈肇元教授发表的《混凝土结构耐久性设计方法》一文中，反复强调“耐久性好的混凝土应该是引气、低水胶比混凝土”、“应将耐久性指标作为检测混凝土质量的首要指标， 一定要重视引气剂在混凝土中的推广应用”。

[0006] 引气混凝土的重要特征是具有优良的耐久性，而冻融破坏是混凝土耐久性中最重要的问题之一。

[0007] 为了提高水泥混凝土路面的抗冻融耐久性和抗盐剥蚀能力，最经济简便的方法，就是铺筑引气混凝土路面。由于在混凝土拌和时使用引气剂而在混凝土中增加大量而均匀微小的汽泡，提高了混凝土的含气量，一方面能在混凝土中自由水受冻结冰时，及时吸纳受冻区的过冷水，减缓结冰压力，减轻混凝土的冻胀破坏；另一方面又能将混凝土的毛细管道隔断，阴止外来盐溶液和水分的渗人，减少混凝土内部的解冻水，从而提高其抗冻和抗盐剥蚀的能力。

[0008] 一般路面混凝土中掺加的多为复合型外加剂，其主要作用包括减水、引气及缓凝，其中引气功能是提高混凝土耐久性的最重要手段。掺加引气剂后，将显著改善道路混凝土的工作性、抗弯拉强度、变形性能及耐久性等诸多性能指标， 有利于提高混凝土的路用品质，提高路面的使用年限。

[0009] 经过上面的研究分析，在寒冷地区的水泥混凝土路面施工中使用引气剂是提高路面耐久性的重要手段。

[0018] 具体实施方式一：本实施方式的引气混凝土的配合比设计过程如下（样例）： 一、确定设计指标及设计参数取值：1) 拌和物及硬化混凝土物理力学指标
引气混凝土设计抗弯拉强度：≥5.0MPa；
引气混凝土含气量： 5.5±0.5 %；
引气混凝土水灰比(W/C)：≤0.40；
引气混凝土拌和物坍落度：25~50mm；
引气混凝土抗冻等级：≥F300；
引气混凝土抗弯拉弹性模量：≥30000MPa。

[0019] 2) 配合比设计参数取值－28混凝土配制弯拉强度的均值，计算结果；
－设计抗弯拉强度标准值，5.0MPa；
t －保证率系数，取高速公路9组样本对应的0.61；
s －弯拉强度试验样本标准差，取高速公路0.40MPa；
－弯拉强度变异系数，取高速公路0.05。

[0020] 坍落度－滑模施工，取5cm；砂率－根据细度模数2.93查表取37%。

[0021] 二、配合比计算1)计算水泥混凝土配制抗弯拉强度
。

[0022] 2)计算水灰比按碎石混凝土的公式：
*
，
式中： －水灰比；
－水泥28d抗弯拉强度(MPa)。

[0023] * 耐久性校核：根据《公路自然区划标准》JTJ 003-86，同时参照《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004附录A的相关规定，本项目气候分区应为Ⅱ-1-2，即夏热区-冬严寒区-湿润区。根据《公路水泥混凝土路面施工技术规范》JTG F30-2003必须满足耐久性设计要求。本引气混凝土设计拌和站出口含气量为5.0±0.5%，由规范可知最大水灰比为0.42，因此按照强度计算的水灰比结果符合耐久性要求。

[0024] 3)计算用水量按碎石混凝土的公式计算用水量：
(2-2)；
(2-3)；
式中： －不掺外加剂混凝土的单位用水量（kg）；
－设计坍落度（mm），取50mm；
－砂率（%），取37%；
－灰水比，水灰比之倒数；
－掺外加剂混凝土的单位用水量（kg）；
－所用外加剂剂量的实测减水率15（%）。

[0025] 将数据代入上述公式，计算得出：，
。
3

[0026] 路面混凝土用滑模摊铺时的最大单位用水量为156Kg/m，此处取单位用水量为3
146kg/m。

[0027] 4)计算水泥用量3
kg/m (2-4)，
3
式中： －单位水泥用量（kg/m）。

[0028] 满足耐久性要求的最小水泥用量为300kg/m3，由此取计算水泥用量为370kg/m3。 [0029] 5)确定粗集料、中砂用量采用假定密度法，因设计为引气混凝土，按摊铺前含气量4%计定密度为：2450×(1－
3
0.04)=2352≈2350kg/m。

[0030] 计算外加剂用量：374×3.0%＝11.22kg/m3；3
计算砂、石总量：2350－374－146－11.22≈1819kg/m ；
3
计算砂用量：1819×37%＝673 kg/m ；
3 *
计算碎石用量：1819－673＝1146 kg/m ；
* 各档碎石用量：根据最佳比例的碎石比计算得出。

[0031] 6)提出初步配合比综合以上数据，得出初步配合比见表5：
表5初步配合比数据表
7) 配合比验证及调整
按初步配合比进行试拌，试验混凝土拌和物是否满足坍落度要求，在保证水灰比不变的前提下，调整外加剂掺量使混凝土拌和物工作性满足要求，最后提出试验室基准配合比。

[0032] 8) 提出最终试验室配合比在保证单位用水量不变的情况下，水灰比上下浮动0.01，制备混凝土抗弯拉试件，测定三个配合比的28d强度。绘制强度－水灰比曲线，最终选定试验室最终配合比见表6：
表6 试验室最终配合比数据表
三、混凝土拌和物性能试验
根据调整完成的配合比，进行引气混凝土的拌和物性能试验，试验结果见表7：
表7 混凝土拌和物性能试验结果
四、硬化混凝土性能试验
引气混凝土配合比调整完成后，即开始进行硬化混凝土的物理力学性能指标试验。

[0033] 1、无侧限抗弯拉强度试件采用15×15×15cm抗压及15×15×55cm抗弯拉二种规格，养护期最长28d，养护条件为温度20±2℃，相对湿度95%以上。试验数据见表8。

[0034] 表8 混凝土无侧限抗弯拉强度试验结果2、抗弯拉弹性模量
采用与抗弯拉强度同步制作的试件，经5次加卸载循环，测得试验数据并计算抗弯拉弹性模量如表9：
表9 引气混凝土抗弯拉弹性模量试验结果
3、抗冻性能(快冻法)
为验证引气混凝土的抗冻融耐久性能，我们采用快冻法进行了抗冻性试验，试验结果见表10~表12：
表10 基准混凝土抗冻试验结果
质量损失率(%)
表11 引气混凝土抗冻试验结果
质量损失率(%)
表12 引气混凝土抗冻试验后的强度损失
试验数据表明：引气混凝土最大抗冻融循环次数达到了最大值300次，其抗冻等级达到F300，满足设计要求。

[0035] 具体实施方式二：本实施方式以某一级公路水泥混凝土路面所采用的引气混凝土配合比设计为例，详细计算及试验调整如下：假设某一级公路设计弯拉强度为5.0MPa，为满足抗冻性要求，含气量为（5±0.5）%，采用滑膜摊铺，摊铺坍落度控制为3~5cm。

[0036] 一、原材料：1、水泥：哈尔滨亚泰P·O42.5级水泥。

[0037] 2、碎石：选用三档复合而成的4.75~26.5cm连续级配碎石。

[0038] 3、砂：中砂，细度模数3.0。

[0039] 4、水：饮用水。

[0040] 5、外加剂：引气、高效减水及缓凝的复合型，液态，掺量≤3.0%。 [0041] 二、配合比计算过程1、计算水泥混凝土配制抗弯拉强度
引气混凝土的配制弯拉强度的计算的公式如公式(B-1)所示：
(B-1)；
式中：
－28混凝土配制弯拉强度的均值(Mpa)；
－设计抗弯拉强度标准值(Mpa)；
t －抗弯拉强度试验样本的标准差(Mpa)；
s －保证率系数；
－弯拉强度变异系数。

[0042] 取值说明：－按设计文件取5.0Mpa；
t －保证率系数应按表B-1取值，取一级公路9组样本对应的0.46；
s －弯拉强度试验样本标准差，参照表B-2取值，取一级公路0.25Mpa；
－弯拉强度变异系数，参照表B-2取值，取一级公路0.11。

[0043] 将上述各值代入计算公式，得出配制抗弯拉强度：。

[0044] 表B-1 保证率系数t表B-2各级公路混凝土路面弯拉强度试验样本标准差s与变异系数
2、计算水灰比
按碎石混凝土的公式：
，
式中： －水灰比；
－水泥28d抗弯拉强度(Mpa)。

[0045] 耐久性校核：根据《公路自然区划标准》JTJ 003-86，同时参照《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004附录A的相关规定，本项目气候分区应为Ⅱ-1-2，即夏热区-冬严寒区-湿润区。根据《公路水泥混凝土路面施工技术规范》JTG F30-2003必须满足耐久性设计要求。本引气混凝土设计拌和站出口含气量为5.0±0.5%，由规范可知最大水灰比为0.42，因此按照强度计算的水灰比结果符合耐久性要求。

[0046] 3、确定砂率由砂的细度模数3.0，查表B-3，取碎石混凝土砂率为36%。

[0047] 表B-3砂的细度模数与最优砂率关系4、确定单位用水量
按碎石混凝土的公式(B-2)及公式(B-3)计算用水量：
(B-2)；
(B-3)；
式中： －不掺外加剂混凝土的单位用水量（Kg）；
－设计坍落度（mm），取45mm；
－砂率（%），取36%；
－灰水比，水灰比之倒数；
－掺外加剂混凝土的单位用水量（Kg）；
－所用外加剂剂量的实测减水率（%），取18%。

[0048] 将数据代入上述公式，计算得出：，
。

[0049] 路面混凝土用滑模摊铺时的最大单位用水量为156Kg/m3，此处取单位用水量为3
141Kg/m。

[0050] 5、确定单位水泥用量按公式(B-4)直接代入数值计算：
3
Kg/m (B-4)。
3 3

[0051] 满足耐久性要求的最小水泥用量为300Kg/m，由此取计算水泥用量为370Kg/m。 [0052] 6、确定粗集料、中砂用量采用假定密度法，因设计为引气混凝土，按摊铺前含气量4%计算，假定密度为：
3
2450×(1－0.04)=2352≈2350Kg/m。
3

[0053] 计算外加剂用量：370×2.5%＝9.25Kg/m ；3
计算砂、石总量：2350－370－141－9.25≈1830 Kg/m ；
3
计算砂用量：1830×36%＝658.8 Kg/m ；
3
计算碎石用量：1830－658.8＝1171.2 Kg/m ；
大、小碎石用量：根据各标段大小碎石比计算得出。

[0054] 7、提出初步配合比综合以上数据，得出初步配合比如表13：
表13 初步配合比数据表
　 水泥(kg/m3) 砂(kg/m3) 碎石(kg/m3) 水(kg/m3) 外加剂(Kg/m3) 容重(kg/m3) 水灰比配合比 370 658.8 1171.2 141 9.25 2350 0.38
百分比 15.90% 27.99% 49.75% 5.96% 0.40% 砂率 外加剂
质量比 1.000 1.760 3.129 0.375 0.025 36% 2.5%
8、配合比验证及调整
按初步配合比进行试拌，试验混凝土拌和物是否满足坍落度要求，在保证水灰比不变的前提下，调整外加剂掺量使混凝土拌和物工作性满足要求，最后提出试验室基准配合比。

[0055] 9、提出最终试验室配合比在保证单位用水量不变的情况下，水灰比上下浮动0.01，制备混凝土抗弯拉试件，测定三个配合比的28d强度。绘制强度－水灰比曲线，最终选定试验室最终配合比。

[0056] 10、施工配合比确定施工配合比需根据现场情况测定砂、石含水率以及外加剂含固量，在用水量中扣