摘 要: 介紹了交通部2006 年新頒布的《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應(yīng)用技術(shù)指南》(簡稱指南) 中編寫的早強劑在公路水泥混凝土工程中的應(yīng)用技術(shù), 特別介紹了早強劑在快通水泥混凝土路面和橋梁的快速施工及修復(fù)中的應(yīng)用, 以加強業(yè)內(nèi)人士廣泛應(yīng)用早強劑的自覺性, 不僅要確保公路水泥混凝土工程的質(zhì)量和使用耐久性, 而且要提高公路工程中水泥混凝土結(jié)構(gòu)施工和修復(fù)的速度, 減少交通堵塞, 實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益和社會效益。
關(guān)鍵詞: 公路工程; 水泥混凝土; 早強劑; 應(yīng)用技術(shù)
早強劑是一種專門解決工程中需要盡快或盡早獲得水泥混凝土強度問題的專用外加劑, 在公路水泥混凝土工程中主要使用在下述場合。
(1) 快通水泥混凝土路面或橋面鋪裝層, 特別是一、二、三級公路的平交道口。當一個方向的水泥混凝土路面攤鋪施工時, 不僅正在施工的路面不能通車, 而且平面交叉的其他方向的車輛也不能通車。在一些寬度較窄的路面上, 施工單位可以使用施工便橋, 給其他交叉方向的車流提供通道, 但在路面寬度較大的一級公路上, 便橋跨度很大, 便橋的制造難度和造價也隨之增大。此時, 最好使用早強水泥混凝土在夜間施工, 并在最短時間內(nèi)提供車輛通行便利。
(2) 最低溫度不低于- 5℃的低溫環(huán)境中水泥混凝土結(jié)構(gòu)的施工, 一般需要使用早強劑加速水泥混凝土的凝結(jié)硬化, 以防止更低溫度下水泥混凝土產(chǎn)生凍害, 并加速模板的周轉(zhuǎn), 提高施工效率。
(3) 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 例如預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁低溫下的張拉或正常溫度下的提早張拉,均需要使用早強劑加快預(yù)應(yīng)力張拉時間, 提高構(gòu)件的制作速度。
(4) 水泥混凝土路面及橋梁的快速修復(fù)。修復(fù)時, 不得不縮窄行車道, 造成交通堵塞、斷交或迫使交通流繞行其他道路, 特別是在高速公路或其他效益很好或較好的收費公路上, 能夠早1 h 通車, 帶來的收費效益就很可觀。此時的水泥混凝土路面及橋梁等結(jié)構(gòu)修復(fù), 應(yīng)該使用早強劑加速修復(fù)速度, 盡快開放交通, 通車收費, 努力提高經(jīng)濟效益、交通效益和社會效益。
總而言之, 早強劑是建設(shè)者手中的一項提高施工效率和速度的武器, 它在一定程度上克服了水泥混凝土凝結(jié)硬化速度過慢、強度發(fā)揮作用時間較長的致命弱點。最理想的水泥混凝土結(jié)構(gòu)施工應(yīng)該是澆注時工作性很好, 一旦澆注施工完成, 馬上能夠凝結(jié)硬化、具有結(jié)構(gòu)強度, 達到盡早開放交通, 盡快獲得經(jīng)濟效益、交通效益和社會效益的目的。這種絕對的理想狀態(tài)是不可能做到的, 只有正確地、積極地在適宜的水泥混凝土結(jié)構(gòu)施工時, 使用早強劑, 才能使水泥混凝土逐步接近這個理想狀態(tài)。
1 主要早強劑品種
( 1) 強電解質(zhì)無機鹽類: 硫酸鹽、硫酸復(fù)鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、碳酸鹽、硅酸鹽、氯鹽等。其中, 氯鹽已基本不允許在公路水泥混凝土結(jié)構(gòu)中使用; 亞硝酸鹽有劇毒, 使用的也較少。
(2) 水溶性有機物: 三乙醇胺、尿素、甲酸鹽、乙酸鹽、丙酸鹽等。三乙醇胺、尿素等易揮發(fā)損失。
(3) 其他: 有機化學(xué)成份、無機鹽復(fù)合物等。采用上述各類早強劑與普通減水劑、高效減水劑,可以復(fù)配制得早強型減水劑和早強型高效減水劑。
2 早強劑的適用范圍
(1) 早強劑、早強型減水劑和早強型高效減水劑適用于公路工程需要快速形成強度的快通水泥混凝土結(jié)構(gòu), 蒸養(yǎng)水泥混凝土構(gòu)件, 最低溫度不低于- 5℃的低溫環(huán)境中施工的有早強要求的水泥混凝土、鋼筋混凝土及需要提前張拉和放張的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件。炎熱環(huán)境條件下不宜使用早強型外加劑。
(2) 摻入水泥混凝土后對人體產(chǎn)生危害或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生污染的化學(xué)物質(zhì)嚴禁用作早強劑。含有六價鉻鹽、亞硝酸鹽、硫氰酸鹽等有害成份的早強劑嚴禁用于飲水工程及與食物相接觸的工程, 這是嚴防入口中毒的規(guī)定。為了防止有害氣體危害人體健康, 銨鹽、硝銨類或尿素等遇堿釋出氨氣或易揮發(fā)出有害氣體的早強劑嚴禁用于辦公、居住、洞室等密閉工程。
(3) 氯鹽類早強劑及其與氯鹽復(fù)配的早強型減水劑和早強型高效減水劑, 嚴禁用于下列公路工程水泥混凝土結(jié)構(gòu):
?、兕A(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件, 防止應(yīng)力腐蝕;
②相對濕度大于80% 環(huán)境中使用的露天、水淋、水沖刷、水位變動區(qū)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件, 暴露在海水浪濺區(qū)和水位變動區(qū)、處于海風環(huán)境范圍內(nèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件;
?、鄞篌w積水泥混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);
?、苤苯咏佑|酸、堿或其他腐蝕性介質(zhì)的水泥混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);
?、萁?jīng)常處在使用溫度達60℃以上的水泥混凝土和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 以及需經(jīng)蒸養(yǎng)的鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件, 防止鋼筋加速銹蝕;
⑥表面有裝飾(含金屬裝飾) 要求或要求色彩一致的水泥混凝土、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件;
?、弑”阡摻罨炷两Y(jié)構(gòu), 橋梁上部主梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 承受中、重、特重交通量的橋梁下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);
?、嗍褂美淅摻罨蚶浒蔚吞间摻z的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 防止應(yīng)力腐蝕;
?、峒暇哂袎A活性的水泥混凝土結(jié)構(gòu)。
(4) 含有強電解質(zhì)無機鹽類的早強劑、早強型減水劑和早強型高效減水劑, 嚴禁用于下列公路工程水泥混凝土結(jié)構(gòu)中:
①有照明和排風設(shè)施的隧道鋼筋混凝土襯砌,使用陰極防護措施的橋梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu), 埋置照明線路、使用直流電以及距離直流電源100 m 以內(nèi)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);
②有鍍鋅鋼材或與鋁鐵相接觸部位的結(jié)構(gòu), 以及有外露鋼筋預(yù)埋鐵件而無防護措施的結(jié)構(gòu);
?、酆Ｋ?、鹵水及地下含有酸、堿腐蝕介質(zhì)中的墩、橋墩、樁、橋樁、系梁等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。因為公路工程中水泥混凝土結(jié)構(gòu)是處在車輪沖擊、振動和疲勞動載或超載作用下的結(jié)構(gòu)物, 疲勞應(yīng)力和瞬間沖擊振動應(yīng)力值很高, 對鋼筋、鋼絲的應(yīng)力腐蝕和銹蝕造成的水泥混凝土微裂縫、裂縫及截面損失極其敏感, 會加速結(jié)構(gòu)的破壞。第(3) 條和第(4) 條的規(guī)定與國標《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50119- 2003) 規(guī)定是一致的。
(5) 含鉀、鈉離子的早強劑及其復(fù)合早強劑, 用于與水接觸或潮濕環(huán)境中的公路工程水泥混凝土結(jié)構(gòu)時, 當集料具有堿活性, 由外加劑帶入的堿含量(N a2O + 0. 658 K2O ) 不宜超過1. 0 kg/m 3, 由外加劑、摻合料及水泥帶入水泥混凝土中的總含堿量不應(yīng)超過3. 0 kg/m 3。含鉀、鈉離子的是強堿性早強劑,為了防止堿集料反應(yīng), 在潮濕環(huán)境中的水泥混凝土結(jié)構(gòu)必須限制堿含量, 同時不得使用堿活性集料。
(6) 含三乙醇胺類的早強劑、早強型減水劑和早強型高效減水劑不宜用于蒸汽養(yǎng)生或干熱養(yǎng)生的水泥混凝土預(yù)制構(gòu)件, 原因是干熱和蒸養(yǎng)條件下, 三乙醇胺類早強劑將很快分解或揮發(fā)損失掉, 喪失其早強作用; 若靜停時間過短, 蒸養(yǎng)溫度過高或溫升過快時, 水泥混凝土會產(chǎn)生爆皮現(xiàn)象, 影響水泥混凝土構(gòu)件的質(zhì)量, 因此要加以限制。其他早強劑可用于蒸汽養(yǎng)生或干熱養(yǎng)生的水泥混凝土預(yù)制構(gòu)件。
3 早強水泥混凝土施工
(1) 早強型減水劑進入工地或攪拌站的檢驗項目應(yīng)滿足指南中4. 1. 11 條和表1 的規(guī)定, 同時應(yīng)包括密度或細度指標, 1 d、3 d 抗壓強度或彎拉強度及對鋼筋銹蝕作用的說明。早強型減水劑和早強型高效減水劑應(yīng)增測減水率。有飾面要求的水泥混凝土或?qū)Ρ砻嫔钣幸蟮那逅炷? 還應(yīng)觀測硬化后的水泥混凝土表面是否析鹽。早強劑經(jīng)檢驗符合要求后方可入庫、使用。
注: (1) 試驗時, 檢驗一種外加劑的2 批水泥混凝土應(yīng)在同一天內(nèi)完成; (2) 試驗齡期參照指南中表4. 1. 3 試驗項目欄; (3) 水泥混凝土中總堿量通過各種原材料含堿量實測值和單位體積用量計算得到; (4) 減水率檢驗使用于早強型減水劑和早強型高效減水劑。
在摻早強型外加劑的水泥混凝土中, 當含有硫酸鈉(純度≥98% ) 且摻量超過0. 8% 時即會有表面析晶現(xiàn)象, 必須用水沖洗表面, 方可裝飾表面, 否則極易脫落。摻早強型外加劑使清水混凝土表面析晶部位呈白色, 不析晶部位呈黑青色, 導(dǎo)致表面色差增大。因此, 有飾面要求的水泥混凝土或?qū)Ρ砻嫔钣幸蟮那逅炷列枰孪攘私庥不笏嗷炷帘砻媸欠裎鳆}。析鹽時, 可采用更換早強劑品種的方法來滿足工程要求。
摻早強型外加劑的混凝土應(yīng)注意長期強度的倒縮和防止水泥混凝土開裂, 一般采用的技術(shù)措施是在配合比設(shè)計時, 使用較大的配制強度放大系數(shù)。施工中可使用早強型高效減水劑, 降低水灰(膠) 比, 以利補償長期強度的倒縮和防裂; 不宜采用增大水泥用量的方法, 此法雖能提高強度, 但不利于抗裂。
(2) 常用早強劑摻量限值按結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)類型應(yīng)符合表2 的規(guī)定, 最佳摻量應(yīng)根據(jù)試驗確定。
表2 中的早強劑化學(xué)種類不全, 僅為使用了多年、有相當使用經(jīng)驗的早強劑建議摻量。早強劑最佳摻量應(yīng)根據(jù)廠家推薦摻量并由試驗最終確定。這不僅指表2 中列入的早強劑, 而且包括未列入表2 的早強劑。
這里著重說明, 表2 中對硫酸鈉摻量做了限制性的規(guī)定。硫酸鈉是我國早強劑的主要原料, 也是復(fù)合早強劑的重要組分。硫酸鈉在水泥混凝土中與水泥水化生成的氫氧化鈣反應(yīng), 生成氫氧化鈉和硫酸鈣。硫酸鈣顆粒很細, 活性比石膏還高, 快速與鋁酸三鈣反應(yīng)生成水化硫鋁酸鈣, 同時氫氧化鈉亦加速這一反應(yīng)的速度, 水化硫鋁酸鈣是促使水泥混凝土早強的關(guān)鍵。但這一反應(yīng)必須在適宜摻量下、確保其在硬化前發(fā)生, 如果摻量過大, 硬化后還在繼續(xù)反應(yīng), 會因其繼續(xù)膨脹, 導(dǎo)致水泥混凝土開裂、強度和耐久性降低, 動載特性嚴重損失。所以, 干燥環(huán)境下的硫酸鈉的摻量不得大于2%; 當摻入緩凝劑時, 推遲了水泥混凝土的凝結(jié)硬化時間, 水化硫鋁酸鈣將有較長反應(yīng)生成時間處在塑性階段, 不至于引起有害的內(nèi)應(yīng)力, 同時摻緩凝劑時, 在干燥環(huán)境下, 硫酸鈉摻量最大可增至3%; 為了確保其水化硫鋁酸鈣造成的水泥混凝土自生內(nèi)應(yīng)力不致過大, 預(yù)應(yīng)力混凝土硫酸鈉摻量不得大于1%。
(3) 摻加液態(tài)早強劑的水泥混凝土, 攪拌時間宜適當延長。粉劑早強劑直接摻入公路工程水泥混凝土時, 應(yīng)先與水泥、集料干拌均勻后, 再加水, 加水后的攪拌時間應(yīng)延長30 s。這是保證粉劑早強劑在水泥混凝土中均勻分布的措施。早強劑可使用粉劑, 原因: 一是其摻量較大, 可達到或接近5%; 二是大多數(shù)早強劑在常溫下溶解度較低, 使用全部拌和用水量都不能將其溶解, 不得不使用粉劑干摻。但對于某些本身是溶液或可全溶的早強劑, 仍應(yīng)使用其溶液, 溶液比干粉拌和的勻質(zhì)性及其使用效果均強得多。
( 4) 各類早強劑中的含堿量應(yīng)折算為(N a2O +0.658K2O ) 氧化鈉當量。由早強劑帶入每m 3 水泥混凝土的含堿量, 可參照表3 給出的常用無機鹽類早強劑每kg 含堿量, 乘以其每m 3 水泥混凝土外加劑用量(kg) 計算得出。
表3 給出了常用無機鹽類早強劑每kg 含堿量,用于計算每m 3 水泥混凝土外加劑含堿量(kg)。處在淡水、海水及潮濕環(huán)境中的水泥混凝土, 在硫酸鈉摻量過大時, 會殘存在硬化的水泥混凝土中, 在長期潮濕的條件, 除了堿集料反應(yīng)問題外, 會繼續(xù)反應(yīng)生成膨脹性的水化硫鋁酸鈣, 不僅產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力, 嚴重時還會導(dǎo)致水泥混凝土局部剝落和開裂。因此, 在水下或潮濕環(huán)境中的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土、鋼筋混凝土, 硫酸鈉摻量必須符合規(guī)定。
(5) 公路工程預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件使用早強劑時, 其張拉工藝應(yīng)按試驗確定。公路工程快通水泥混凝土結(jié)構(gòu)的開放交通時間, 應(yīng)按達到設(shè)計強度90% 以上時的試驗確定。即: 公路工程快通水泥混凝土結(jié)構(gòu)的開放交通時間, 應(yīng)按與結(jié)構(gòu)相同養(yǎng)生條件下, 摻早強劑水泥混凝土試件達到設(shè)計強度的90% 以上的試驗確定。例如水泥混凝土路面, 如果設(shè)計彎拉強度為5.0M Pa, 則90% 是4.5M Pa, 高于彎拉強度評定方法中規(guī)定的一組最小值85% 的要求,且留有一定強度的儲備, 使快通無快速破損的問題。其他結(jié)構(gòu)水泥混凝土在抗壓強度上, 均應(yīng)留有一定的安全儲備。
(6) 使用早強劑的水泥混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)加強早期保溫保濕養(yǎng)生, 終凝后立即澆水養(yǎng)生, 并應(yīng)使用保濕膜、土工氈等覆蓋養(yǎng)生或噴灑養(yǎng)生劑。摻早強劑水泥混凝土的養(yǎng)生天數(shù)可比表4 的規(guī)定縮短3～ 5 d。最低氣溫在0℃左右時, 應(yīng)使用保溫材料覆蓋, 且最少養(yǎng)生天數(shù)不少于25 d。在最低氣溫接近或達到- 5℃時, 早強劑已不足以防止凍害和保證強度增長, 應(yīng)改用防凍劑施工。
(7) 使用早強劑、早強型減水劑和早強型高效減
水劑并有飾面要求的現(xiàn)澆水泥混凝土和蒸養(yǎng)水泥混凝土構(gòu)件, 其養(yǎng)生工藝和蒸養(yǎng)制度應(yīng)根據(jù)早強劑、水泥品種、澆注溫度等條件通過試驗確定。
摻硫酸鈉早強劑的水泥混凝土在蒸養(yǎng)及失水量較大的情況下, 溶解于水泥混凝土水中的硫酸鈉會隨水分蒸發(fā)向外擴散, 在水泥混凝土結(jié)構(gòu)表面析出泛白晶體, 且在濕度較低、風力較大時最易發(fā)生, 這層白霜會影響表面裝飾層及與底層的粘結(jié)。因此, 有飾面要求和蒸養(yǎng)的水泥混凝土構(gòu)件, 應(yīng)注意表面飽水覆蓋, 避免構(gòu)件內(nèi)水分大量蒸發(fā)析晶。發(fā)生析晶時, 一般通過限制硫酸鈉摻量在0.8% 以內(nèi)或更換早強劑品種的方法加以解決。
4 結(jié)語
本文介紹了交通部2006 年新頒布的《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應(yīng)用技術(shù)指南》中編寫的早強劑在公路水泥混凝土工程中的應(yīng)用技術(shù), 特別介紹了早強劑在快通水泥混凝土路面、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件和橋梁的快速施工和修復(fù)中的應(yīng)用, 以加強公路工程技術(shù)人員廣泛應(yīng)用早強劑的自覺性, 不僅要確保公路水泥混凝土工程的質(zhì)量和使用耐久性, 而且要提高公路工程中水泥混凝土結(jié)構(gòu)施工和修復(fù)的速度, 實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益、交通效益和社會效益。
參考文獻:
[1] 交通部公路科學(xué)研究院. 公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應(yīng)用技術(shù)指南[S ].
[2] JTG F30- 2003, 公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范[S ].
[3] JT/T 523- 2004, 公路工程混凝土外加劑[S ].
[4] GB 8076- 1997, 混凝土外加劑[S ].
[5] DL /T 5100- 1999, 水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程[S ].
