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摘 要：本文就北方地区高速公路水泥混凝土路面如何合理的抗冻、防腐，延长水泥混凝土路面的寿命提出了一些相关的措施，为北方严寒地区高速公路水泥混凝土路面耐久性设计提供参考依据。
关键词：水泥混凝土路面；耐久性设计；基本措施；附加措施
引言：高速公路水泥混凝土路面主要用于收费广场及服务区加油广场、汽修广场、停车场内，水泥混凝土路面面层是水泥混凝土路面结构的主要承重层，同时也是与车辆荷载直接接触的表面层，因而一方面要求面层具有足够的承载能力，表面抗滑、耐磨、平整，同时必须具有结构耐久性。北方地区气候特点是冬冷夏热、冬季下雪频繁且雪量较大、寒冷期长，水泥混凝土路面既受到交通荷载的反复作用，又受到温度变化、冻融循环等恶劣天气的影响，同时由于路面积雪较厚，出于交通运输安全的考虑，常使用除雪剂对道路积雪进行处理，导致冰雪融水中氯离子含量急剧增大，使得部分水泥混凝土路面侵蚀严重，达不到使用寿命便面层剥落破坏的现象。这不仅需要投入大量的资金进行养护、维修，也给国家造成巨大的经济损失，而且带来交通不便、造成不良的社会影响，因此，北方严寒地区高速公路水泥混凝土路面耐久性设计已成为最近几年备受关注的话题。
1、耐久性设计目标
以在项目设计使用寿命周期内，按规定的安全等级（一级）和目标可靠度（95%）要求在设计基准期（30年）内承受预期的交通荷载作用，适应所处的自然环境，满足预定的使用性能要求为目标。
2、水泥混凝土路面耐久性设计对混凝土的要求
3、耐久性设计技术措施
（1）基本措施：主要以抗冻耐久性指数为控制参数，在原材料选择方面，主要考虑使混凝土具备抗冻性能及高工作性能。具体措施为在混凝土中掺加引气剂，这一措施也是《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）中强制执行的措施。
（2）附加措施：
附加措施一：在掺加引气剂的水泥混凝土中再加入防腐型抗裂防水剂，两种添加剂的共同作用提高混凝土的耐久性。
附加措施二：通过表面防腐涂装措施增强结构防腐性能。
4、基本措施之掺加引气剂的引气混凝土
（1）引气剂：在混凝土拌和过程中引入空气而形成大量微小、封闭而稳定的气泡的外加剂。
（2）引气混凝土的优点
1）可提高混凝土抗盐冻性
混凝土的含气量增加，则混凝土的热扩散系数和热传导系数减小，可以改善路面结构的耐冻性，同时，随含气量增加，混凝土的气泡间距系数减小，引气产生的大量微小气泡截断了毛细管通道，使水分迁移更加困难，对混凝土的抗盐冻性能有利，延长了水泥混凝土路面的使用寿命。
2）混凝土的均质性好
微珠作用使较快地振捣密实，有利防止混凝土路面出现麻面现象。同时，混凝土的均质性将更好，使其内在应力均匀一致，只要切缝及时，一般不会出现断板，并且有助于改善硬化后的混凝土力学性能、提高路面板的抗破坏能力和耐久性。
3）提高道路的行车舒适性
随着含气量的增加，混凝土的抗折弹性模量下降较快，当荷载应力一定时，抗折弹性模量小，弯拉应变大，路面的柔性好，有利于降低材料脆性、混凝土路面刚度，提高道路的行车舒适性。
4）减少道路混凝土干缩变形
由于干缩是由于水泥浆体中毛细管失水产生的，干缩的大小取决于毛细孔水份逸出量的多少和速度。混凝土引入大量的微小气泡后，可显著改善混凝土的工作性、提高拌合物内聚性，离折和泌水明显减小，浆体和集料界面结构也得到改善，大量微小气泡堵塞了毛细孔通道，混凝土的抗渗性提高，使毛细孔中散失的水分速度降低，从而减小干缩。
5）和易性好，摊铺速度快
引气混凝土中有大量微米量级的微氣泡，气泡间距系数L<250μm，平均气泡半径r<150μm，气泡比表面积a>250㎝2，具有润滑作用，增加了混凝土的和易性，因为和易性好，摊铺速度快。
（3）设计、施工、质检过程应注意的事项
1）质量管理比普通水泥混凝土复杂
引气混凝土其含气量大小除决定于引气剂的掺量外，还与砂石量的多少及其粒形，水灰比的大小及搅拌工艺等有关，甚至连天气温度都对其有影响，由于影响因素较多，引气混凝土的质量控制相对较难，仅用一般混凝土的检测手段远远满足不了引气混凝土质量控制的要求。如：过去路面施工时，搅拌站只对出罐混凝土进行塌落度检测和强度试件的测试，而引气混凝土除了测试这些指标外，还要对混凝土的含气量进行监控，要增加混凝土拌合料的毛体积密度和含气量及摊铺施工前含气量损失等，这样才能保证混凝土有适宜塌落度的同时，又有合理的含气量，使铺在路上的混凝土有足够的耐久性。
2）对施工单位要求更高
含气量过大后（>7.0%），孔与孔隙相互连通，反而不利于抗渗性提高，造成毛细管中水分散失速度加快，干缩增大，混凝土强度降低，硬化混凝土中含气量每增加1%，抗压强度降低3%～5%，含气量宜控制在3.5%～5.5%之间；目前市场上引气剂五花八门，性能有较大差异，劣质引气剂，很容易形成联通性大气泡，气泡不稳定，易破裂，或施工中振捣时间控制不合理，振捣时间不足，混凝土不能充分密实，过度振捣而引起含气量过分损失，反而降低水泥混凝土性能。因此施工单位需要有更高的责任心，根据现场施工材料，通过大量试验，选择相应的优质引气剂，通过试拌试铺，做好本项目工作。
5、附加措施
附加措施一：在掺加引气剂的水泥混凝土中再加入防腐型抗裂防水剂
（1）抗裂防水剂防腐原理
1）对混凝土的塑性收缩进性补偿：与膨胀剂一样，在约束的状态下，硬化后的混凝土产生微膨胀，补偿混凝土的干缩和冷缩。2）掺加了减缩组分和密实防水组分，进一步改善了混凝土的收缩性，可降低混凝土的后期收缩，提高混凝土的密实性和防水性。3）有机防水组分通过成膜原理，有效封闭混凝土的毛细孔隙，阻断了有害介质向混凝土内部渗透，混凝土的抗渗性比膨胀剂混凝土的抗渗性得到进一步的提高。 （2）防腐型抗裂防水剂混凝土防腐目标
1）抗蚀系数k≥0.9；
2）电通量56天龄期低于1000（C）；
3）盐冻剥落量≤1500（g/m2）；
即防水抗裂混凝土的防腐目标均满足防腐规范要求。
（3）防腐型抗裂防水剂混凝土优点
1）施工简单：防腐型抗裂防水剂在新拌混凝土搅拌时直接加入内掺取代部分掺合料。
2）防腐型抗裂防水剂混凝土具有防水抗裂、耐酸碱、耐腐蚀、高强、高性能、高耐久性。
（4）设计、施工、质检过程应注意的事项
1）抗裂防水剂目前市场上品种很多，质量存在参差不齐，防腐抗裂防水混凝土的工作性能和使用性能除与防腐抗裂防水剂有关还与原材料性能等因素有关，因此，使用优良的现场材料通过系列试验选择高性能的防腐抗裂防水剂。
2）防腐抗裂防水剂使用适量
防腐抗裂防水剂掺量不足膨胀率偏低时，所产生的少量的钙矶石晶体起填充混凝土的毛细孔的作用，仅提高了混凝土的抗渗性，所产生的微膨胀非常小，补偿混凝土收缩的能力远远不够，只有掺加到合适剂量才能生成较多的钙矶石晶体产物时，混凝土才会产生良好的微膨胀性，抵抗水泥混凝土的收缩变形能力，即良好的抗裂能力；掺加量过多又会使水泥混凝土发生涨裂破坏。一般低标号的混凝土开裂较轻，防腐抗裂防水剂掺量较少，高标号的混凝土开裂较重，防腐抗裂防水剂掺量较大。
3）防腐抗裂防水混凝土养护精心方法得当
掺加防腐抗裂防水剂的水泥混凝土，必须严格控制混凝土的降温速率和混凝土的内
外温差，做好养护工作，如果养护不好，防腐抗裂防水混凝土会与普通混凝土-样也会产生裂缝，失去耐久性性能。
附加措施二：硅烷浸渍防腐混凝土
（1）硅烷浸渍防腐原理
硅烷浸渍防腐即采用扇形喷嘴的低压泵等方式将硅烷浸渍液喷涂于水泥混凝土路面表面，液体渗透至混凝土内部，在酸性和碱性环境中在空气及路面中的水汽产生化学反应，产生羟基团，这些羟基团在混凝土碱性环境催化条件下继续交形成网状互穿结构硅氧烷结构，形成一个斥水处理层，从而大大提高混凝土的防水性、耐盐碱性、抗氯离子渗透、抗冻融性等性能，延长混凝土的使用寿命，硅烷浸渍后保留混凝土原有的外观。
（2）硅烷浸渍混凝土防腐目标
1） 吸水率平均值不应大于0.01mm/min1/2。
2） 浸漬深度应达到3至4mm。
3） 氯化物吸收量的降低效果平均值不小于90%。
4） 吸水系数比<7.5%（不同时间制备的两批混凝土试件，浸渍硅烷后的吸水率平均值与未浸渍硅烷相比，应小于7.5%）。
5） 在碱性介质中的吸水系数比< 10%（不同时间制备的两批混凝土试件，浸渍硅烷后暴露于碱液的吸水率平均值与未浸渍硅烷相比，应小于10%）。
6） 干燥系数>30% （浸渍硅烷后的干燥系数与未浸渍硅烷的相比，其比值应>30% ）。
防腐目标均满足防腐规范要求。
（3）硅烷浸渍混凝土应用于水泥混凝土路面的缺点
硅烷浸渍混凝土是表面渗透形成混凝土防护膜，随汽车轮胎与水泥混凝土的摩擦，薄膜厚度变薄，防护膜有效保护混凝土时间约为10年左右；水泥混凝土路面设计使用年限30年，这样需要在保护层失效后重新涂刷，增加维护造价。
6、结语
引气混凝土路面具有综多的优越性，寒冷地区的水泥混凝土路面在冰雪冻融作用下，不被过早地断裂破坏，起到了积极有效的作用，引气水泥混凝土在国内使用比较普遍，通过查阅的资料表明黑龙江省对引气混凝土在道路中的应用有具体的施工指导细则。防腐型抗裂防水剂的掺入或表层硅烷浸渍更加加强了水泥混凝土路面的诸多抗冻、抗腐蚀性能，保证了混凝土路面的质量和寿命，可给我们带来显著的社会效益和经济效益。
关键词：水泥混凝土路面；耐久性设计；基本措施；附加措施
引言：高速公路水泥混凝土路面主要用于收费广场及服务区加油广场、汽修广场、停车场内，水泥混凝土路面面层是水泥混凝土路面结构的主要承重层，同时也是与车辆荷载直接接触的表面层，因而一方面要求面层具有足够的承载能力，表面抗滑、耐磨、平整，同时必须具有结构耐久性。北方地区气候特点是冬冷夏热、冬季下雪频繁且雪量较大、寒冷期长，水泥混凝土路面既受到交通荷载的反复作用，又受到温度变化、冻融循环等恶劣天气的影响，同时由于路面积雪较厚，出于交通运输安全的考虑，常使用除雪剂对道路积雪进行处理，导致冰雪融水中氯离子含量急剧增大，使得部分水泥混凝土路面侵蚀严重，达不到使用寿命便面层剥落破坏的现象。这不仅需要投入大量的资金进行养护、维修，也给国家造成巨大的经济损失，而且带来交通不便、造成不良的社会影响，因此，北方严寒地区高速公路水泥混凝土路面耐久性设计已成为最近几年备受关注的话题。
1、耐久性设计目标
以在项目设计使用寿命周期内，按规定的安全等级（一级）和目标可靠度（95%）要求在设计基准期（30年）内承受预期的交通荷载作用，适应所处的自然环境，满足预定的使用性能要求为目标。
2、水泥混凝土路面耐久性设计对混凝土的要求
3、耐久性设计技术措施
（1）基本措施：主要以抗冻耐久性指数为控制参数，在原材料选择方面，主要考虑使混凝土具备抗冻性能及高工作性能。具体措施为在混凝土中掺加引气剂，这一措施也是《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011）中强制执行的措施。
（2）附加措施：
附加措施一：在掺加引气剂的水泥混凝土中再加入防腐型抗裂防水剂，两种添加剂的共同作用提高混凝土的耐久性。
附加措施二：通过表面防腐涂装措施增强结构防腐性能。
4、基本措施之掺加引气剂的引气混凝土
（1）引气剂：在混凝土拌和过程中引入空气而形成大量微小、封闭而稳定的气泡的外加剂。
（2）引气混凝土的优点
1）可提高混凝土抗盐冻性
混凝土的含气量增加，则混凝土的热扩散系数和热传导系数减小，可以改善路面结构的耐冻性，同时，随含气量增加，混凝土的气泡间距系数减小，引气产生的大量微小气泡截断了毛细管通道，使水分迁移更加困难，对混凝土的抗盐冻性能有利，延长了水泥混凝土路面的使用寿命。
2）混凝土的均质性好
微珠作用使较快地振捣密实，有利防止混凝土路面出现麻面现象。同时，混凝土的均质性将更好，使其内在应力均匀一致，只要切缝及时，一般不会出现断板，并且有助于改善硬化后的混凝土力学性能、提高路面板的抗破坏能力和耐久性。
3）提高道路的行车舒适性
随着含气量的增加，混凝土的抗折弹性模量下降较快，当荷载应力一定时，抗折弹性模量小，弯拉应变大，路面的柔性好，有利于降低材料脆性、混凝土路面刚度，提高道路的行车舒适性。
4）减少道路混凝土干缩变形
由于干缩是由于水泥浆体中毛细管失水产生的，干缩的大小取决于毛细孔水份逸出量的多少和速度。混凝土引入大量的微小气泡后，可显著改善混凝土的工作性、提高拌合物内聚性，离折和泌水明显减小，浆体和集料界面结构也得到改善，大量微小气泡堵塞了毛细孔通道，混凝土的抗渗性提高，使毛细孔中散失的水分速度降低，从而减小干缩。
5）和易性好，摊铺速度快
引气混凝土中有大量微米量级的微氣泡，气泡间距系数L<250μm，平均气泡半径r<150μm，气泡比表面积a>250㎝2，具有润滑作用，增加了混凝土的和易性，因为和易性好，摊铺速度快。
（3）设计、施工、质检过程应注意的事项
1）质量管理比普通水泥混凝土复杂
引气混凝土其含气量大小除决定于引气剂的掺量外，还与砂石量的多少及其粒形，水灰比的大小及搅拌工艺等有关，甚至连天气温度都对其有影响，由于影响因素较多，引气混凝土的质量控制相对较难，仅用一般混凝土的检测手段远远满足不了引气混凝土质量控制的要求。如：过去路面施工时，搅拌站只对出罐混凝土进行塌落度检测和强度试件的测试，而引气混凝土除了测试这些指标外，还要对混凝土的含气量进行监控，要增加混凝土拌合料的毛体积密度和含气量及摊铺施工前含气量损失等，这样才能保证混凝土有适宜塌落度的同时，又有合理的含气量，使铺在路上的混凝土有足够的耐久性。
2）对施工单位要求更高
含气量过大后（>7.0%），孔与孔隙相互连通，反而不利于抗渗性提高，造成毛细管中水分散失速度加快，干缩增大，混凝土强度降低，硬化混凝土中含气量每增加1%，抗压强度降低3%～5%，含气量宜控制在3.5%～5.5%之间；目前市场上引气剂五花八门，性能有较大差异，劣质引气剂，很容易形成联通性大气泡，气泡不稳定，易破裂，或施工中振捣时间控制不合理，振捣时间不足，混凝土不能充分密实，过度振捣而引起含气量过分损失，反而降低水泥混凝土性能。因此施工单位需要有更高的责任心，根据现场施工材料，通过大量试验，选择相应的优质引气剂，通过试拌试铺，做好本项目工作。
5、附加措施
附加措施一：在掺加引气剂的水泥混凝土中再加入防腐型抗裂防水剂
（1）抗裂防水剂防腐原理
1）对混凝土的塑性收缩进性补偿：与膨胀剂一样，在约束的状态下，硬化后的混凝土产生微膨胀，补偿混凝土的干缩和冷缩。2）掺加了减缩组分和密实防水组分，进一步改善了混凝土的收缩性，可降低混凝土的后期收缩，提高混凝土的密实性和防水性。3）有机防水组分通过成膜原理，有效封闭混凝土的毛细孔隙，阻断了有害介质向混凝土内部渗透，混凝土的抗渗性比膨胀剂混凝土的抗渗性得到进一步的提高。 （2）防腐型抗裂防水剂混凝土防腐目标
1）抗蚀系数k≥0.9；
2）电通量56天龄期低于1000（C）；
3）盐冻剥落量≤1500（g/m2）；
即防水抗裂混凝土的防腐目标均满足防腐规范要求。
（3）防腐型抗裂防水剂混凝土优点
1）施工简单：防腐型抗裂防水剂在新拌混凝土搅拌时直接加入内掺取代部分掺合料。
2）防腐型抗裂防水剂混凝土具有防水抗裂、耐酸碱、耐腐蚀、高强、高性能、高耐久性。
（4）设计、施工、质检过程应注意的事项
1）抗裂防水剂目前市场上品种很多，质量存在参差不齐，防腐抗裂防水混凝土的工作性能和使用性能除与防腐抗裂防水剂有关还与原材料性能等因素有关，因此，使用优良的现场材料通过系列试验选择高性能的防腐抗裂防水剂。
2）防腐抗裂防水剂使用适量
防腐抗裂防水剂掺量不足膨胀率偏低时，所产生的少量的钙矶石晶体起填充混凝土的毛细孔的作用，仅提高了混凝土的抗渗性，所产生的微膨胀非常小，补偿混凝土收缩的能力远远不够，只有掺加到合适剂量才能生成较多的钙矶石晶体产物时，混凝土才会产生良好的微膨胀性，抵抗水泥混凝土的收缩变形能力，即良好的抗裂能力；掺加量过多又会使水泥混凝土发生涨裂破坏。一般低标号的混凝土开裂较轻，防腐抗裂防水剂掺量较少，高标号的混凝土开裂较重，防腐抗裂防水剂掺量较大。
3）防腐抗裂防水混凝土养护精心方法得当
掺加防腐抗裂防水剂的水泥混凝土，必须严格控制混凝土的降温速率和混凝土的内
外温差，做好养护工作，如果养护不好，防腐抗裂防水混凝土会与普通混凝土-样也会产生裂缝，失去耐久性性能。
附加措施二：硅烷浸渍防腐混凝土
（1）硅烷浸渍防腐原理
硅烷浸渍防腐即采用扇形喷嘴的低压泵等方式将硅烷浸渍液喷涂于水泥混凝土路面表面，液体渗透至混凝土内部，在酸性和碱性环境中在空气及路面中的水汽产生化学反应，产生羟基团，这些羟基团在混凝土碱性环境催化条件下继续交形成网状互穿结构硅氧烷结构，形成一个斥水处理层，从而大大提高混凝土的防水性、耐盐碱性、抗氯离子渗透、抗冻融性等性能，延长混凝土的使用寿命，硅烷浸渍后保留混凝土原有的外观。
（2）硅烷浸渍混凝土防腐目标
1） 吸水率平均值不应大于0.01mm/min1/2。
2） 浸漬深度应达到3至4mm。
3） 氯化物吸收量的降低效果平均值不小于90%。
4） 吸水系数比<7.5%（不同时间制备的两批混凝土试件，浸渍硅烷后的吸水率平均值与未浸渍硅烷相比，应小于7.5%）。
5） 在碱性介质中的吸水系数比< 10%（不同时间制备的两批混凝土试件，浸渍硅烷后暴露于碱液的吸水率平均值与未浸渍硅烷相比，应小于10%）。
6） 干燥系数>30% （浸渍硅烷后的干燥系数与未浸渍硅烷的相比，其比值应>30% ）。
防腐目标均满足防腐规范要求。
（3）硅烷浸渍混凝土应用于水泥混凝土路面的缺点
硅烷浸渍混凝土是表面渗透形成混凝土防护膜，随汽车轮胎与水泥混凝土的摩擦，薄膜厚度变薄，防护膜有效保护混凝土时间约为10年左右；水泥混凝土路面设计使用年限30年，这样需要在保护层失效后重新涂刷，增加维护造价。
6、结语
引气混凝土路面具有综多的优越性，寒冷地区的水泥混凝土路面在冰雪冻融作用下，不被过早地断裂破坏，起到了积极有效的作用，引气水泥混凝土在国内使用比较普遍，通过查阅的资料表明黑龙江省对引气混凝土在道路中的应用有具体的施工指导细则。防腐型抗裂防水剂的掺入或表层硅烷浸渍更加加强了水泥混凝土路面的诸多抗冻、抗腐蚀性能，保证了混凝土路面的质量和寿命，可给我们带来显著的社会效益和经济效益。