公路工程混凝土早強(qiáng)劑應(yīng)用技術(shù)

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(jiǎn)稱指南) 中編寫的早強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)業(yè)內(nèi)人士廣泛應(yīng)用早強(qiáng)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(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞: 公路工程; 水泥混凝土; 早強(qiáng)劑; 應(yīng)用技術(shù)

　　早強(qiáng)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(qiáng)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(chǎng)合。

　　(1) 快通水泥混凝土路面或橋面鋪裝層, 特別是一、二、三級(jí)公路的平交道口。當(dāng)一個(gè)方向的水泥混凝土路面攤鋪施工時(shí), 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(jí)公路上, 便橋跨度很大, 便橋的制造難度和造價(jià)也隨之增大。此時(shí), 最好使用早強(qiáng)水泥混凝土在夜間施工, 并在最短時(shí)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(qiáng)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(qiáng)劑加快預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)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(shí), 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(fèi)公路上, 能夠早1 h 通車, 帶來的收費(fèi)效益就很可觀。此時(shí)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(qiáng)劑加速修復(fù)速度, 盡快開放交通, 通車收費(fèi), 努力提高經(jīng)濟(jì)效益、交通效益和社會(huì)效益。

　　總而言之, 早強(qiáng)劑是建設(shè)者手中的一項(xiàng)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(qiáng)度發(fā)揮作用時(shí)間較長(zhǎng)的致命弱點(diǎn)。最理想的水泥混凝土結(jié)構(gòu)施工應(yīng)該是澆注時(shí)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(qiáng)度, 達(dá)到盡早開放交通, 盡快獲得經(jīng)濟(jì)效益、交通效益和社會(huì)效益的目的。這種絕對(duì)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(shí), 使用早強(qiáng)劑, 才能使水泥混凝土逐步接近這個(gè)理想狀態(tài)。

1　主要早強(qiáng)劑品種

　　(1) 強(qiáng)電解質(zhì)無機(jī)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(jī)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(jī)化學(xué)成份、無機(jī)鹽復(fù)合物等。采用上述各類早強(qiáng)劑與普通減水劑、高效減水劑,可以復(fù)配制得早強(qiáng)型減水劑和早強(qiáng)型高效減水劑。

2　早強(qiáng)劑的適用范圍

　　(1) 早強(qiáng)劑、早強(qiáng)型減水劑和早強(qiáng)型高效減水劑適用于公路工程需要快速形成強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)型外加劑。

　　(2) 摻入水泥混凝土后對(duì)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(yán)禁用作早強(qiáng)劑。含有六價(jià)鉻鹽、亞硝酸鹽、硫氰酸鹽等有害成份的早強(qiáng)劑嚴(yán)禁用于飲水工程及與食物相接觸的工程, 這是嚴(yán)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(qiáng)劑嚴(yán)禁用于辦公、居住、洞室等密閉工程。

　　(3) 氯鹽類早強(qiáng)劑及其與氯鹽復(fù)配的早強(qiáng)型減水劑和早強(qiáng)型高效減水劑, 嚴(yán)禁用于下列公路工程水泥混凝土結(jié)構(gòu):

　　①預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件, 防止應(yīng)力腐蝕;

　?、谙鄬?duì)濕度大于80% 環(huán)境中使用的露天、水淋、水沖刷、水位變動(dòng)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(dòng)區(qū)、處于海風(fēng)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(dá)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;

　?、薇砻嬗醒b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;

　　⑨集料具有堿活性的水泥混凝土結(jié)構(gòu)。

　　(4) 含有強(qiáng)電解質(zhì)無機(jī)鹽類的早強(qiáng)劑、早強(qiáng)型減水劑和早強(qiáng)型高效減水劑, 嚴(yán)禁用于下列公路工程水泥混凝土結(jié)構(gòu)中:

　?、儆姓彰骱团棚L(fēng)設(shè)施的隧道鋼筋混凝土襯砌,使用陰極防護(hù)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);

　?、谟绣冧\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(hù)措施的結(jié)構(gòu);

　?、酆ＫⅪu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?yàn)楣饭こ讨兴嗷炷两Y(jié)構(gòu)是處在車輪沖擊、振動(dòng)和疲勞動(dòng)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(dòng)應(yīng)力值很高, 對(duì)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(huì)加速結(jié)構(gòu)的破壞。第(3) 條和第

　　(4) 條的規(guī)定與國(guó)標(biāo)《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(qiáng)劑及其復(fù)合早強(qiáng)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(shí), 當(dāng)集料具有堿活性, 由外加劑帶入的堿含量(Na₂O + 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(qiáng)堿性早強(qiáng)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(shí)不得使用堿活性集料。

　　(6) 含三乙醇胺類的早強(qiáng)劑、早強(qiáng)型減水劑和早強(qiáng)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(qiáng)劑將很快分解或揮發(fā)損失掉, 喪失其早強(qiáng)作用; 若靜停時(shí)間過短, 蒸養(yǎng)溫度過高或溫升過快時(shí), 水泥混凝土?xí)a(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(qiáng)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(qiáng)水泥混凝土施工

　　(1) 早強(qiáng)型減水劑進(jìn)入工地或攪拌站的檢驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)滿足指南中4. 1. 11 條和表1 的規(guī)定, 同時(shí)應(yīng)包括密度或細(xì)度指標(biāo), 1 d、3 d 抗壓強(qiáng)度或彎拉強(qiáng)度及對(duì)鋼筋銹蝕作用的說明。早強(qiáng)型減水劑和早強(qiáng)型高效減水劑應(yīng)增測(cè)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(cè)硬化后的水泥混凝土表面是否析鹽。早強(qiáng)劑經(jīng)檢驗(yàn)符合要求后方可入庫(kù)、使用。

　　注: (1) 試驗(yàn)時(shí), 檢驗(yàn)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(yàn)齡期參照指南中表4. 1. 3 試驗(yàn)項(xiàng)目欄;

　　(3) 水泥混凝土中總堿量通過各種原材料含堿量實(shí)測(cè)值和單位體積用量計(jì)算得到; (4) 減水率檢驗(yàn)使用于早強(qiáng)型減水劑和早強(qiáng)型高效減水劑。

在摻早強(qiáng)型外加劑的水泥混凝土中, 當(dāng)含有硫酸鈉(純度≥98% ) 且摻量超過0. 8% 時(shí)即會(huì)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(qiáng)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(shí), 可采用更換早強(qiáng)劑品種的方法來滿足工程要求。

　　摻早強(qiáng)型外加劑的混凝土應(yīng)注意長(zhǎng)期強(qiáng)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(jì)時(shí), 使用較大的配制強(qiáng)度放大系數(shù)。施工中可使用早強(qiáng)型高效減水劑, 降低水灰(膠) 比, 以利補(bǔ)償長(zhǎng)期強(qiáng)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(qiáng)度, 但不利于抗裂。

　　(2) 常用早強(qiáng)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(yàn)確定。

　　表2 中的早強(qiáng)劑化學(xué)種類不全, 僅為使用了多年、有相當(dāng)使用經(jīng)驗(yàn)的早強(qiáng)劑建議摻量。早強(qiáng)劑最佳摻量應(yīng)根據(jù)廠家推薦摻量并由試驗(yàn)最終確定。這不僅指表2 中列入的早強(qiáng)劑, 而且包括未列入表2 的早強(qiáng)劑。

　　這里著重說明, 表2 中對(duì)硫酸鈉摻量做了限制性的規(guī)定。硫酸鈉是我國(guó)早強(qiáng)劑的主要原料, 也是復(fù)合早強(qiáng)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(xì), 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(shí)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(qiáng)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(huì)因其繼續(xù)膨脹, 導(dǎo)致水泥混凝土開裂、強(qiáng)度和耐久性降低, 動(dòng)載特性嚴(yán)重?fù)p失。所以, 干燥環(huán)境下的硫酸鈉的摻量不得大于2%; 當(dāng)摻入緩凝劑時(shí), 推遲了水泥混凝土的凝結(jié)硬化時(shí)間, 水化硫鋁酸鈣將有較長(zhǎng)反應(yīng)生成時(shí)間處在塑性階段, 不至于引起有害的內(nèi)應(yīng)力, 同時(shí)摻緩凝劑時(shí), 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(qiáng)劑的水泥混凝土, 攪拌時(shí)間宜適當(dāng)延長(zhǎng)。粉劑早強(qiáng)劑直接摻入公路工程水泥混凝土?xí)r, 應(yīng)先與水泥、集料干拌均勻后, 再加水, 加水后的攪拌時(shí)間應(yīng)延長(zhǎng)30 s。這是保證粉劑早強(qiáng)劑在水泥混凝土中均勻分布的措施。早強(qiáng)劑可使用粉劑, 原因: 一是其摻量較大, 可達(dá)到或接近5%; 二是大多數(shù)早強(qiáng)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(duì)于某些本身是溶液或可全溶的早強(qiáng)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(qiáng)得多。

　　(4) 各類早強(qiáng)劑中的含堿量應(yīng)折算為(Na₂O +01658K₂O ) 氧化鈉當(dāng)量。由早強(qiáng)劑帶入每m³ 水泥混凝土的含堿量, 可參照表3 給出的常用無機(jī)鹽類早強(qiáng)劑每kg 含堿量, 乘以其每m 3 水泥混凝土外加劑用量(kg) 計(jì)算得出。

　　表3 給出了常用無機(jī)鹽類早強(qiáng)劑每kg 含堿量,用于計(jì)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(shí), 會(huì)殘存在硬化的水泥混凝土中, 在長(zhǎng)期潮濕的條件, 除了堿集料反應(yīng)問題外, 會(huì)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(yán)重時(shí)還會(huì)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(qiáng)劑時(shí), 其張拉工藝應(yīng)按試驗(yàn)確定。公路工程快通水泥混凝土結(jié)構(gòu)的開放交通時(shí)間, 應(yīng)按達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90% 以上時(shí)的試驗(yàn)確定。即: 公路工程快通水泥混凝土結(jié)構(gòu)的開放交通時(shí)間, 應(yīng)按與結(jié)構(gòu)相同養(yǎng)生條件下, 摻早強(qiáng)劑水泥混凝土試件達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90% 以上的試驗(yàn)確定。例如水泥混凝土路面, 如果設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度為510M Pa, 則90% 是415M Pa, 高于彎拉強(qiáng)度評(píng)定方法中規(guī)定的一組最小值85% 的要求,且留有一定強(qiáng)度的儲(chǔ)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(qiáng)度上, 均應(yīng)留有一定的安全儲(chǔ)備。

　　(6) 使用早強(qiáng)劑的水泥混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)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(qiáng)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(shí), 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(dá)到- 5℃時(shí), 早強(qiáng)劑已不足以防止凍害和保證強(qiáng)度增長(zhǎng), 應(yīng)改用防凍劑施工。

　　(7) 使用早強(qiáng)劑、早強(qiáng)型減水劑和早強(qiáng)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(qiáng)劑、水泥品種、澆注溫度等條件通過試驗(yàn)確定。

　　摻硫酸鈉早強(qiáng)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(huì)隨水分蒸發(fā)向外擴(kuò)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(fēng)力較大時(shí)最易發(fā)生, 這層白霜會(huì)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(shí), 一般通過限制硫酸鈉摻量在018% 以內(nèi)或更換早強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)公路工程技術(shù)人員廣泛應(yīng)用早強(qiáng)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(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)效益、交通效益和社會(huì)效益。

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