摘 要: 概略地介绍了2006 年由交通部公路科学研究院编制完成、交通部交公便字[ 2006 ]02 号文批准发布的公路行业推荐性标准《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南》编制的指导思想, 外加剂应用中的共同技术要求、粉煤灰的应用技术等, 希望起到对该指南的宣贯作用。
关键词: 公路工程; 水泥混凝土; 外加剂; 掺合料; 应用技术; 指南
1 前言
1．1 任务来源
随着我国公路基础设施建设的加快, 对应用于公路工程中的水泥混凝土提出了更高的要求。为适应这一要求, 目前在公路工程的水泥混凝土中已大量使用水泥混凝土外加剂与掺合料。这带动了水泥混凝土外加剂与掺合料产业的蓬勃发展, 外加剂与掺合料的新品种不断涌现。为指导水泥混凝土外加剂与掺合料的工程应用, 提高公路工程使用外加剂与掺合料的技术水平, 根据交通部公路司(交公路发[ 1999 ]739 号)《关于下达1999 年度公路建设标准、规范、定额等编制、修订工作计划的通知》第14 项,编制《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术规范》, 又依据2002 年6 月24 日交通部公路司(交公便字[ 2002 ]125 号)《关于印发(公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术规范) 审查会议纪要的函》本规范改称为指南, 并由交通部公路司颁布,作为推荐性行业标准。本指南由交通部公路科学研究院主持编制, 南京水利水电科学研究院参与编制。
1．2 指南编制的必要性
随着公路建设技术的不断进步, 对水泥混凝土的要求也越来越高, 不仅要求水泥混凝土可调凝、早强、高强、低水化热、大流动性、轻质、高密实和高耐久性, 而且要求制备成本低、成型容易、养护简便, 等等。为达到这些目的, 水泥混凝土外加剂和掺合料起着不可或缺的作用。使用外加剂与掺合料的普及程度是衡量一个国家水泥混凝土技术水平高低的重要标志。水泥混凝土工程中使用外加剂与掺合料的“双掺技术”是现代高性能水泥混凝土结构材料制备中的“高新技术”。
我国公路水泥混凝土工程建设规模很大、发展迅速, 水泥混凝土路面、钢筋混凝土桥梁、涵洞、隧道、挡土墙、排水沟管、防护工程、收费站、服务区、地下灌浆等工程使用的水泥混凝土和水泥(砂) 浆数量巨大, 而且其水泥混凝土、砂浆强度等级和质量要求越来越高, 所使用的施工工艺和设备越来越先进和复杂。例如, 截止2004 年底已经建成各级公路水泥混凝土路面2517 万多km , 仅水泥混凝土路面一项工程, 使用的水泥混凝土方量在100 万m 3 以上。随着公路工程对水泥混凝土材料的强度及水泥混凝土工程结构质量要求的逐步提高, 水泥混凝土中越来越多地使用“双掺技术”, 即在水泥混凝土中掺用外加剂与掺合料来改善拌和物的工作性能, 提高水泥混凝土的物理力学性能和耐久性, 保障工程质量, 节约水泥, 降低成本。“双掺技术”是制备高性能水泥混凝土国际公认的必备手段, 外加剂与掺合料被称为高性能水泥混凝土不可缺少的第五、六组分。
在国际上, 外加剂概念包括化学外加剂和矿物外加剂两类材料, 而我国习惯上将其分为外加剂与掺合料两类。衡量一个国家水泥混凝土技术水平的高低, 国际上通行的做法是统计外加剂与掺合料在水泥混凝土中的使用比例。发达国家75%～ 90% 的水泥混凝土都使用外加剂, 而在我国公路工程中比例较低, 估计不超过35%。按现代高性能水泥混凝土材料科学的观点, 使用寿命50 年以上的水泥混凝土结构工程, 必须同时使用外加剂与掺合料。
一般而言, 当要求水泥混凝土抗压强度大于30M Pa、抗折强度大于510M Pa 时, 不使用外加剂制作就相当困难。例如, 滑模摊铺水泥混凝土路面要求施工抗折强度达到≥515M Pa, 非使用外加剂不可。大跨度桥梁工程中的预应力梁、板、柱不使用外加剂就无法达到水泥混凝土所要求的较高强度等级、较轻质量和耐久性; 桥梁工程中的下部大体积水
泥混凝土结构, 不同时使用外加剂与掺合料, 就无法实现对温度裂缝的有效控制, 也无法达到所要求的工作性; 特大型桥梁工程或钢管水泥混凝土拱桥中使用的泵送水泥混凝土, 如果没有外加剂根本无法实现泵送施工工艺; 箱形、T 形预应力梁板和涵管等制品的预制生产, 也离不开外加剂。在我国三北地区的水泥混凝土路面和桥涵工程, 均要求具有抗冻性和抗盐冻性。如果没有引气剂、阻锈剂和防冻剂等的使用, 其抗冰冻和抗盐冻耐久性技术要求根本无法满足。
目前, 在我国技术难度较大、质量要求较高的桥、隧、涵和路面工程结构水泥混凝土中, 外加剂与掺合料的应用非常广泛。但是, 由于在公路水泥混凝土工程领域没有外加剂与掺合料的应用技术指南,工程技术人员对此比较陌生。由于外加剂使用不当而导致的水泥混凝土路面及桥涵结构的质量事故时有发生, 造成了不应有的损失。近年来, 在因外加剂使用错误导致质量事故的工程中, 有人将外加剂称为“害人剂”, 甚至叫“苏丹红”。这个问题具有全国的普遍性。鉴于水泥混凝土材料和结构质量是影响整个公路工程质量的最关键部分, 外加剂与掺合料是最容易引发质量事故的重大技术环节, 我国公路行业急需一个外加剂与掺合料应用技术指南来进行指导和规范, 防止因其应用不当带来工程质量事故。
另一方面, 我国现有外加剂与掺合料标准和规范从高等级公路工程特殊适用性、齐全性、产品质量、现场检验、施工质量控制技术诸方面来看, 远远不能适应大规模的公路建设和越来越高的质量控制需要, 很有必要新编制一部满足高等级公路水泥混凝土结构工程特殊使用要求、完备的应用技术指南。
1．3 技术内容
《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南》(以下简称指南) 结合公路水泥混凝土工程的特点, 总结以往公路与其他工程实践中使用外加剂与掺合料的成功经验, 对最常用的10 类外加剂:减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂、防冻剂、泵送剂、防水剂、速凝剂、阻锈剂、水中抗分离剂, 4 类掺合料:粉煤灰、硅灰、磨细矿渣、膨胀剂, 从主要品种、适用范围、性能指标、施工注意事项、检验要求、质量监控等各环节做出了必要的规定, 使水泥混凝土工程在设计、施工、监理、监督各环节均有章可循。目的是在我国公路水泥混凝土工程越来越普遍地使用外加剂与掺合料的情况下, 指导其正确的使用, 从而提高公路工程水泥混凝土材料科学技术水平, 有效地保障公路水泥混凝土结构工程的质量。
本指南着重编写公路水泥混凝土工程常用的、不可缺少的、成熟并行之有效的10 类外加剂和4 种掺合料的应用技术内容。这些材料基本上攮括了我国目前公路工程中保障水泥混凝土、钢筋水泥混凝土及预应力水泥混凝土结构内在质量的、水泥混凝土先进施工工艺中绝大多数常用的外加剂与掺合料种类, 其应用技术是成熟有效、量大面广的。它包含了建设部、水利部、建材、冶金、电力等行业所编制的有关水泥混凝土外加剂及掺合料的30 余本标准、规范和规程的内容, 是目前国内水泥混凝土辅助新材料应用领域中包括内容最多、最广泛、最齐全的一本行业指南。
1．4 编制方式和原则
在编制中, 凡与国家和行业现行标准、规范、规程不同的内容均有研究、试验和施工作为基础, 并在说明中指出。对我国尚无技术标准规范、公路水泥混凝土工程施工中又必须使用的外加剂, 如阻锈剂、水中抗分离剂等, 参照国内其他行业规范和国外有关标准和研究报告, 并结合我国在工程中发现的问题,进行编写。这样编制的目的是使资料和规定尽量齐全完备, 有了本指南, 只要认真贯彻, 谨慎操作、善于总结, 就能保障公路水泥混凝土结构工程的高质量。相信通过本指南的编制和执行, 能够有效地提高我国公路工程、特别是高速公路、一级公路的水泥混凝土结构工程的质量、施工工艺水平和经久耐用品质, 推进我国公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用和施工技术水平迈上新的台阶。
当然, 本指南编入的外加剂与掺合料种类, 并非包括已知的、处在研究中的或已有应用技术规范的水泥混凝土辅助材料的全部, 如: 外加剂中的超塑化剂、超缓凝剂、消泡剂、防湿剂、着色剂、防霉剂、防菌剂、减阻剂、减缩剂、碱集料反应抑制剂等, 掺合料中的沸石粉、高活性的磷、铝、镍、锂等尾矿粉及其矿渣等。外加剂与掺合料是一个非常庞大的家族, 几乎所有水泥混凝土要求改进的特殊品质均有相应的辅助材料。在选择编写进本指南的外加剂与掺合料种类时, 遵循了下述原则:
(1) 用高性能水泥混凝土“双掺”技术指导思想统帅本指南的编制;
(2) 对绝大多数水泥混凝土辅助材料满足其应用广泛性、成熟性和可靠性要求, 使这些材料使用得更加规范, 应用技术水平更高, 并达到预期目的, 防止出现差错和返工事故;
(3) 对某些公路行业使用范围目前还不普及、积累的应用经验并不充分, 但在特殊施工工艺条件下保障工程质量和耐久性必不可少的材料, 参照国外、国家或其他行业标准也纳入编写中, 如泵送剂、膨胀剂、速凝剂、阻锈剂、水中抗分离剂、硅灰等。目的在于通过这些水泥混凝土新型外加剂与掺合料的扩展使用, 有效地提高公路水泥混凝土结构工程的内在施工质量和长期服役性能, 并推进水泥混凝土施工新材料、新工艺和新技术的更广泛地应用。
2 基本规定
2．1 原材料技术要求
掺入外加剂与掺合料的公路工程各种水泥混凝土结构所用原材料: 水泥、砂、石、水, 除有特殊要求以外, 均应符合现行国家和行业公路工程水泥混凝土结构相应原材料标准、规范和规程的规定。
2．2 产品准入条件
各类外加剂与掺合料的产品供应商除应向建设、施工和监理单位的(中心) 实验室提供足够水泥混凝土室内配合比、性能检验的试验样品及质量复检样品外, 还应提供下述文件:
(1) 该产品质量说明书, 说明产品的主要化合物、厂家自检的水泥混凝土基本物理力学性能、推荐掺量的范围等;
(2) 省部、地厅级质检单位或外加剂检验机构提供的外加剂或掺合料产品质量合格证书;
(3) 省部、地厅级提供的新产品鉴定证书、国家专利局或省专利机构提供的新产品专利证书;
(4) 省部、地厅级质检单位或外加剂检验机构提供的产品匀质性检测报告;
(5) 必要时提供该产品的工程应用实例;
(6) 重要的大型工程应提供该产品供货保证性文件。鉴于外加剂产品推销和应用领域的混乱情况,指南首先规定了外加剂产品准许进入公路水泥混凝土工程的条件, 这对于遏制该领域中杂乱无章的状况、保障公路重大工程水泥混凝土结构的安全性和可靠性是必不可少的前提。同时, 也是根据本应用技术指南, 使用好外加剂的物质基础。就是讲, 我们不允许没有经过工程实践检验和长期考验或技术不成熟的外加剂产品进入公路水泥混凝土工程施工领域。
2．3 选用原则
外加剂与掺合料的选用应根据各类公路工程水泥混凝土结构的设计、特定施工工艺要求和质量控制目标, 通过试验和技术经济比较确定。所选外加剂与掺合料不应危害人体健康或对环境造成污染。严禁使用对人体产生危害、对环境造成污染的外加剂与掺合料。例如: 水泥混凝土中天然放射性核素镭—226、钍—232、钾—40 的外照射指数[注] I r≤110。
对人体健康产生危害主要指两个方面: 一是产品在使用过程中不得对人体有放射性、毒性或潜在的毒性; 二是掺入水泥混凝土中不得对周围环境如土壤、水源或动植物产生危害或毒性。在包装中强调了对外加剂“应明确注明??毒性、腐蚀性、易燃状况、??”。外加剂的生产厂商历来对此问题讳莫如深, 极少提及或承认目前使用的外加剂具有毒性, 例如早强剂和防冻剂中的亚硝酸钠、六价铬盐、重铬酸钠、硝铵、碳铵、硫氰酸盐等, 其抗冻和早强效果不错, 使用亦比较广泛, 但若使用管理不当会产生严重后果, 例如, 亚硝酸盐等致人死的剂量只有2 g。所以, 本指南强调对有放射性、剧毒的或有毒的外加剂必须加强管理, 严禁其放射性、毒性对使用者带来不必要的伤害。
2．4 计量精度要求
公路水泥混凝土工程外加剂的掺量一般以胶凝材料总量的百分率表示, 掺合料掺量以水泥质量的百分率表示。各原材料搅拌时的计量精确度应符合表1 的规定。
表1 原材料的计量精确度%
2．5 适用水泥品种
水泥混凝土外加剂适用的水泥品种有道路硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥等硅酸盐类水泥; 二级以下公路可使用矿渣硅酸盐水泥; 钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构应采用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥; 大体积水泥混凝土应采用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥;有特殊要求者, 可使用相应的特种水泥品种。规定掺外加剂与掺合料的水泥混凝土所用水泥品种的要求: 各类水泥均必须与所用外加剂相适用;掺合料不得加入同种混合材水泥。如, 粉煤灰不得加入粉煤灰水泥中, 磨细矿渣不得加入矿渣水泥中等。
2．6 含碱量
当集料具有碱集料活性时, 由外加剂带入的碱含量(N a2O + 01658K2O ) 不宜超过110 kg／m 3, 由外加剂及掺合料、水泥带入水泥混凝土总含碱量不宜超过310 kg／m 3。处于海水、盐碱水环境中的公路工程水泥混凝土, 不得使用具有碱活性的集料。即使使用低碱水泥, 海水和盐碱水也能够渗入水泥混凝土导致碱骨料破坏反应, 因此规定处于海水、盐碱水接触及这些环境中的水泥混凝土, 不得使用碱活性集料。当集料具有碱活性时, 应严格控制外加剂带入水泥混凝土的碱量不应超过110 kg／m 3。有些外加剂含有一定数量N a2SO 4 或其他形式的碱。根据推算, 早强剂及早强减水剂的碱含量约20%～40%; 速凝剂约15%～ 20%; 膨胀剂约014%～ 3%;高浓型萘系高效减水剂约5%～ 10% , 低浓型萘系高效减水剂约15%～ 20%。使用这些外加剂时含碱量均有所增加, 因此, 不仅应有明确的含碱量限制规定, 而且在产品说明书中应表示该产品的含碱量数据。水泥混凝土中产生碱集料反应有3 个必备条件: 集料具有碱活性、水泥混凝土中有≥310 kg／m 3的总含碱量、有足够的湿度环境。三者共同遭遇在结构中时, 会发生碱集料反应, 要特别引起重视。对碱集料含量要严加控制, 甚至夹杂少量碱集料也不允许。某些研究者提出应允许夹杂有5% 的碱集料, 但这样的规定只有在后两个条件或至少其中之一不存在才是允许的。我们不能容忍公路水泥混凝土结构或构件因夹杂碱集料反应造成的局部崩裂破坏, 这是公路水泥混凝土结构或构件的重要性和抗冲击、耐疲劳等动载特性所决定的。
规定水泥、外加剂及掺合料带入水泥混凝土总碱含量不宜超过310 kg?m 3 是防止碱集料反应所采取的措施, 是一个重要的临界控制指标。应注意: 水泥混凝土总碱含量不宜超过310 kg?m 3 是相当严格和一般不易做到的规定。假设工程所使用的是低碱水泥, 碱度为015% , 总含碱量还与单位水泥用量有关, 如果此时外加剂带入的碱含量为110 kg?m3, 单位水泥用量不能大于400 kg／m 3; 否则, 即使是使用了碱度为015% 的低碱水泥, 水泥混凝土中的总碱含量也将超过310 kg／m 3 的规定, 还未计入掺合料带进的碱度。因此, 控制不使用碱活性集料将是最有效防止碱集料反应的办法。
2．7 拌和要求
大、中型公路结构工程掺各种外加剂和掺合料的水泥混凝土应采用有计算机自动控制的强制式搅拌楼搅拌。对于水泥混凝土用量较少的小型公路工程, 允许使用具备所有原材料称量装置的搅拌机搅拌, 但应延长搅拌时间10～ 30 s; 严禁使用手工拌和掺外加剂与掺合料的水泥混凝土。
大量的工程实践反复证明: 掺外加剂与掺合料的水泥混凝土, 若没有搅拌机(楼) 进行拌和, 手工是无论如何也不可能将掺量极小或较小的外加剂与掺合料在拌和物中拌和均匀的。因此, 国内外的规范均规定必须是机械搅拌。实践还表明: 手工是拌和不出强度等级大于C30 以上水泥混凝土的。所以即使是不掺外加剂与掺合料的C25 以上的水泥混凝土均应严禁手工拌和生产。在高速公路桥面上, 目前最典型的是手工拌和防水找平层水泥混凝土和伸缩缝钢纤维混凝土。无论设计厚度如何, 手工是拌和不出规定的C40 级水泥混凝土强度等级来, 手工拌和方式, 在很短的时间内, 必定要出现快速损坏。所以, 无论水泥混凝土量多寡, 均应准确称量, 机械拌和。特大、大、中型公路水泥混凝土路面、桥梁、隧道工程掺各种减水剂和?或掺合料的水泥混凝土应采用有计算机自动控制的强制式搅拌楼搅拌, 以保障这些重大水泥混凝土结构工程的水泥混凝土拌和质量、匀质性和稳定性。
2．8 氯离子限量
掺用外加剂与掺合料的水泥混凝土拌和物中氯化物(以Cl- 计) 总含量的最高限量不应超过表2 的规定。外加剂或掺合料单独带入水泥混凝土拌和物中的氯离子含量宜按总氯离子含量的1／3 进行控制。
本规定摘引自《预拌混凝土》(GB14902)。据世界权威机构的统计, 目前全世界的各种水泥混凝土结构物, 在耐久性问题中, 首当其冲并占有最大损坏比例的是钢筋锈蚀问题, 特别是在公、铁桥梁结构中, 所造成的损失占全部耐久性损失的3? 4。例如, 在我国公路上处在海水中的、海风环境(距海岸线10 km范围内) 的、冬季洒除冰盐的、处在盐碱地腐蚀区内的桥梁, 均有严重的钢筋锈蚀破坏问题, 粗略估计占国土面积的2? 3。可以预料, 它将成为我国未来公路桥梁和其他结构物的头号耐久性损坏问题,应引起我们的高度重视。
鉴此, 本指南对外加剂、掺合料单独掺用时带入水泥混凝土拌和物氯离子含量提出了更严格的要求。其原因是水泥混凝土中的其他大综原材料: 水泥、水和集料也可能带入氯离子。所以, 规定外加剂与掺合料单独带入水泥混凝土拌和物中的氯离子含量, 宜按总氯离子含量的1?3 进行控制。针对表2 查询了国内外有关资料, 与欧盟国家的规定相同。首先, 目前国际上所称无氯外加剂是指氯离子含量≤011%C, 但不适用于预应力钢筋混凝土结构; 可用于潮湿环境钢筋混凝土。预应力混凝土和腐蚀环境中的钢筋混凝土氯离子含量≤0102%C, 事实上是做不到的。这两种条件下, 应采取相应措施。例如,在水泥混凝土中掺用钢筋阻锈剂, 或提高水泥混凝土密实度、使用防锈蚀钢筋、环氧树脂涂层钢筋、电化学防护等适宜的技术措施。如果我国在大规模公路建设时期, 不切实做好公路水泥混凝土结构和构件的钢筋防锈蚀工作, 不高度重视这个问题, 不久的将来, 我们将重蹈所有发达国家的复辙, 用巨额资金来进行大量桥梁或其他结构物的腐蚀修复。
3 外加剂应用技术
指南中编进的水泥混凝土外加剂有10 大类19种, 每一大类外加剂编为一节。这里由于篇幅所限,仅对外加剂应用中的共同遵守的一般规定进行阐述, 具体到某类某种外加剂的使用技术, 请读者参阅指南相关节中的具体技术要求。
3．1 适应性检验
各种公路水泥混凝土结构工程使用的外加剂品种, 必须首先进行外加剂与水泥适应性检验, 不适应的外加剂不得使用。适应性检测方法见本指南附录D。当水泥品种、强度、等级、生产厂变动, 或水泥混凝土性能出现变化时, 应重新检验外加剂对水泥的适应性。
外加剂与水泥的适应性是一个复杂问题。编者将其分为化学定性不适应和剂量定量不适应两类。目前所知, 外加剂与水泥的化学定性不适应主要来自水泥中所使用的除二水石膏以外的各种石膏变种, 如硬石膏、半水石膏、脱水石膏、氟石膏、萤石膏、磷石膏、工业废渣石膏等。采用标准稠度的水泥净浆即可定性检验外加剂与所用水泥的化学适应性。化学不适应的减水剂, 不减水反而增水, 显然不能使用。水泥与外加剂的剂量不适应主要取决于如下因素: 水泥中的铝酸三钙含量高、碱含量偏高或偏低、细度大, 则适应性变差。剂量不适应表现在相同掺量减水剂的减水率远低于或大于使用基准水泥检验得到的减水率。大于基准水泥检验的减水率有利于工程使用, 但需要调整掺量或工作性, 如要求的减水率较低, 则可减少减水剂掺量。在远低于基准水泥的减水率时, 则应视减水剂饱和掺量的减水率是否满足工程使用要求, 在小于等于饱和掺量条件能够满足使用要求时, 可将掺量加大到饱和掺量来使用; 在使用饱和掺量仍不能满足使用要求时, 则必须更换减水剂或水泥品种。
3．2 品种与化合物
公路水泥混凝土工程所选定的各种外加剂品种和(主要) 化合物, 应符合本指南中外加剂品种和(主要) 化合物的规定。本指南中没有规定的外加剂品种, 必须经充分试验研究或专家论证后方可使用。本规定是针对目前我国外加剂市场上流行对其主要化学成份和配方保密的做法, 绝大多数只标明英文代号, 名曰保护其知识产权, 实际上为工程使用带来极大的困难和混乱, 造成了不应有的工程事故或返工。为了杜绝此类差错的发生, 规定生产厂必须告知主要化合物, 配方可以保密, 但使用者必须有主导化学成份知情权。
3．3 性能指标
各种外加剂产品的各项性能指标应符合表3 的规定。表3 与交通部已经颁布执行的《公路工程混凝土外加剂》(JT?T 523- 2004) 表1 规定相同。外加剂试验方法和检验规则应符合本指南附录B 的规定。检验外加剂性能所采用的基准水泥应符合本指南附录C 的规定。钢筋锈蚀快速试验方法应符合本指南附录E 的规定。对表3 中外加剂性能指标与《混凝土外加剂》(GB8076) 相比, 按公路水泥混凝土结构工程的特殊性进行了如下修改, 需加以说明。
(1) 本指南规定用于所有等级公路水泥混凝土结构工程的各种外加剂产品质量必须首先满足《混凝土外加剂》(GB8076) 一等品的各项技术指标规定。注意: 表3 中仅有一等品技术指标, 合格品未列入, 这与《水工混凝土外加剂应用技术规程》(DL／T 5100) 的规定相同。各种外加剂的合格品不允许在公路工程中使用。这是由于我们已经发现不少的外加剂合格品实际上是不合格品, 将有损于公路水泥混凝土动载结构工程质量和长期使用特性, 因此, 只规定使用一等品。
(2) 本指南参照国外及我国电力行业规范《水工混凝土外加剂技术规程》(DL ?T 5100) , 比《混凝土外加剂》(GB8076) 提高了所有高效减水剂的减水率, 由12% 提高到15%。大量的工程实践证明: 原有高效减水剂12% 减水率是偏低的。首先, 普通减水剂大多可达到, 致使有些普通减水剂在市场上冒充高效减水剂出售。其次, 几乎所有高效减水剂, 特别是复合高效减水剂均可达到或超过15% 减水率。同时,将引气减水剂的减水率由10% 提高到12% , 这是由于普通减水剂有8% 的减水率, 复合减水率6% 的引气剂后, 至少能保证12% 的减水率。
注意此处所讲的减水率是用基准水泥并按基准水泥混凝土配合比的检测结果, 与实际工程所使用的水泥和减水剂测得的减水率有差别。这是由于实际工程的水泥混凝土采用的原材料和配合比与检验减水率时的不同, 其减水率亦有差异。检验外加剂产品等级时, 使用的是基准水泥、原材料和基准配合比(见本指南附录B 的规定) , 此时测得的减水率为产品减水率; 按实际工程原材料和配合比测得的减水率是工程实际减水率。外加剂在化学适应的前提下,其产品的减水率经常不代表实际减水率, 这里还有剂量适应性问题。实际减水率远小于产品减水率的外加剂, 证明该减水剂与工程使用的水泥剂量适应性不佳。
(3)《混凝土外加剂》(GB8076) 中规定的掺外加剂的水泥混凝土28 d 收缩率比≤135%;《水工混凝土外加剂技术规程》(DL ／T 5100) 规定的28 d 收缩率比≤125%。本指南规定凡掺有引气剂与引气型减水剂28 d 收缩率比≤120%; 掺早强剂与早强减水剂28 d 收缩率比≤130%; 掺其他外加剂28 d 收缩率比≤125%。据了解, 国外有按相对收缩值规定28 d收缩率比≤135% , 也有的国家规定120% , 也有按绝对收缩差值规定为不大于1×10- 4。GB8076 的规定是针对外加剂产品而言, 本指南的规定针对的是公路水泥混凝土结构。在公路工程水泥混凝土结构和构件中有2 个与其他基建行业显著不同的特点。
①以水泥混凝土薄壁结构占主导地位, 例如: T梁、箱梁、板梁、薄壁桥墩、薄壁挡土墙、涵(管) 洞、隧道衬砌、路面、桥面铺装层等, 薄壁结构水泥混凝土的抗裂问题始终是困扰公路行业的一大难题。而《混凝土外加剂》(GB8076) 的收缩率比规定对公路薄壁结构而言是过大的, 不可接受的。135% 的28 d 收缩率比导致公路工程技术人员常讲的现象: 不用外加剂不裂, 一用就裂。这难怪, 掺用了外加剂后的水泥混凝土, 具有比不掺相同配合比对比水泥混凝土收缩大35% , 意味着28 d 收缩率大1?3 还多。因此, 该项技术指标要求必须按公路薄壁水泥混凝土结构修改为125% , 在实际工程中我们使用到的最好的引气型外加剂仅有108% 的28 d 收缩率比, 一般的115%左右, 最大的不大于120%。实测表明: 早强剂与早强减水剂28 d 收缩率比连125% 也做不到, 只能减小为130%。只有这样才可能有效地在我国绝大多数地区, 保证薄壁水泥混凝土结构在施工期间不干缩开裂。
②公路工程水泥混凝土结构是承受动载为主的结构。我国公路车辆动载有3个特征: 超载严重; 冲击作用, 一般是静荷载的2～ 3 倍; 反复疲劳荷载, 水泥混凝土材料的疲劳强度仅有静载强度的一半。在这样苛刻的使用条件下, 施工期就出现了裂缝的结构,一旦遭遇超动载, 裂缝将扩展得很快, 水泥混凝土结构在短期内就可能彻底破坏。因此我们必须采取各种可能的技术措施来控制公路水泥混凝土结构的裂缝及其扩展, 减小外加剂带来的干缩, 是从原材料角度进行裂缝控制的措施之一。
有鉴于此, 我们同时提议研制外加剂的科技人员来研究减少收缩型的减水剂和其他外加剂供日夜干缩和温缩很大地区使用。从目前的掺外加剂的水泥水化理论而言, 凡是有利于水泥的水化更完全、更彻底的外加剂特别是减水剂, 均会一定程度地增大收缩, 这是由于水化更充分的水泥石中会生成更多的水化硅酸钙凝胶, 在其贡献更高强度的同时, 也产生了更大的干缩, 水泥混凝土的干缩来源于水泥石,而水泥石的干缩来源于水化硅酸钙凝胶的层间结构脱水干燥。由此可见, 减少收缩型的减水剂和其他外加剂研制难度是较大的。目前已经有专门的水泥混凝土减缩剂产品问世。
应当指出的是, 尽管外加剂有增大干缩导致水泥混凝土结构开裂的不利方面, 但其有利方面更多、更大。同时, 外加剂引起开裂仅仅是结构开裂的原因之一, 并非所有的薄壁结构开裂都是外加剂为主要诱发原因。目前来看, 只要外加剂造成的收缩足够小, 再加上抗裂的水泥混凝土配合比设计、积极有效的保湿养生措施等, 是能够防治和控制住薄壁水泥混凝土结构在施工期间的早期开裂问题的。
(4) 鉴于公路水泥混凝土结构抗冻问题的重要性, 本指南与《水工混凝土外加剂技术规程》(DL／T 5100) 规定相同, 将《混凝土外加剂》(GB8076) 中规定的相对耐久性指标修改为冻融循环次数, 凡引气剂和复合有引气剂的外加剂均规定冻融循环次数不小于200 次, 其他外加剂一般不小于100 次。《混凝土外加剂》(GB8076) 中规定引气剂和复合有引气剂的外加剂相对耐久性指标均为200 次不小于80% ,此规定比抗冻等级要宽松, 其他外加剂对抗冻性无规定, 这不适用于公路桥梁、隧道、涵洞、路面和桥面等绝大多数露天表面水泥混凝土结构, 且不利于提高其抗渗性、抗冻性等耐久性能。
3．4 匀质性
各种外加剂产品的匀质性指标应符合表4 的规定。匀质性检验应按GB?T 8077 进行。
外加剂产品的匀质性, 实质上是对产品质量稳定性的规定, 这在使用中经常会遇到, 目的在于防止外加剂在检验时没有问题, 使用过程中其质量出现了波动, 施工条件均相同, 会引起水泥混凝土强度的统计偏差Cv 值增大, 强度保证率变差, 进而导致水泥混凝土结构可靠度不足而引发质量问题。需要指出的是, 表4 的匀质性规定与国外的要求相比是相当低的, 它实质上照顾了国内大多数外加剂厂家实际产品的工艺稳定性水平。
3．5 技术经济优选
在选用外加剂时, 应使用施工原材料, 通过不少于3 种外加剂产品的性能对比试验, 经技术经济综合优选, 确定一种为使用产品, 另一种为备用产品。本指南对选定外加剂时使用的技术经济综合优选进行了规定。优选应贯彻性能价格比最优的原则,优选外加剂的方法和程序如下:
(1) 首先应进行不少于3 种外加剂的水泥混凝土性能对比试验, 其技术指标应满足表3 相应品种外加剂的规定, 并选用其指标最优或较优者;
(2) 进行3 种外加剂的经济性对比, 外加剂的经济性绝非仅取决于销售单价, 同时与掺量有关, 外加剂价格= 单位水泥用量×实际掺量×单价, 单价虽高, 但掺量较小的外加剂同样具备优良的经济性;
(3) 重要公路工程按性能价格比优选外加剂时,必须在选定一种使用产品的同时确定另一种为备用产品, 这是为防止工程施工因外加剂缺货而中断所采取的措施。
3．6 掺量
外加剂掺量应根据工程的使用要求、施工条件和原材料等因素, 并参考厂家的推荐掺量, 通过剂量适应性检验得出的最佳掺量确定。在满足工程的各项使用和技术要求时, 可使用等于或略小于饱和掺量, 除特殊情况外, 不应大于饱和掺量。饱和掺量为试验得到的外加剂掺量与减水率实测曲线的拐点, 详见《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程》(JTJ／T 03711) 中的图51117。实践证明:当外加剂掺量大于饱和掺量时, 会引起较多的副作用甚至是有害作用。例如普通缓凝减水剂, 当掺量较大时, 会降低早期强度; 当掺量过大时, 会导致拌和物几天都不凝固, 虽然最终水泥混凝土将凝固, 但不仅早期强度不足, 抗裂性很差, 而且28 d 强度将达不到设计强度, 工程结构不得不返工。最佳掺量为通过各项性能试验优选出的满足具体工程全部使用要求的掺量, 一般不大于该外加剂的饱和掺量。最佳掺量既非厂家推荐掺量, 也非饱和掺量。最佳掺量是在厂家推荐掺量的范围内, 按照本工程结构的具体要求, 通过不同掺量的对比试验得出的仅适合本工程施工条件、原材料、配合比和结构类型的该外加剂的最佳掺量; 当条件改变时, 最佳掺量应另行优选。
3．7 掺加方法
可溶解的外加剂应提前1 d 配制成均匀一致的溶液。不同剂种的外加剂复合使用时, 应检验其可共溶性, 满足要求后, 方可使用。减水剂与其他外加剂共同配制在一种溶液内时, 如发现产生絮凝或沉淀等不相溶现象时, 不得复配在同一溶液中使用, 应更换为可共溶的外加剂或分别配制溶液分别加入。非用粉剂掺加的外加剂可通过水泥称量口准确称量加入或准确称量后先与砂石料混拌均匀再拌和, 其搅拌时间应比液体外加剂延长10～ 30 s,
这条规定与新修订《混凝土外加剂应用技术规范》(GB50119) 中的规定相同, 其目的是保证水泥混凝土拌和均化的更充分, 这里有两个问题需要说明。
(1) 两种单独可溶解的外加剂, 可否混溶在一起, 不发生絮凝、沉淀、挥发等现象, 使各自的功能相互削弱或抵消, 这是液体外加剂的可共溶性问题。主要的成因是在混合溶液中产生了离子交换反应, 产生了更加稳定的絮凝物或沉淀物, 导致了两种或其中一种外加剂功能削弱乃至完全失效。所以, 不能共混的外加剂是不能强行复配在同一溶液中使用的,达不到使用外加剂的多重预定目标。若没有替代办法, 非使用不可时, 应单独配制各自的溶液, 分别加入水泥混凝土中拌和, 阻止电解质溶液中离子交换反应的进行, 同时, 使外加剂能够发挥各自的作用。
(2) 某些外加剂剂量较大, 溶解不充分, 如速凝剂、泵送剂、早强剂、防冻剂中的某些品种, 不能使用溶液复配; 还有些外加剂因工艺限制只能使用粉剂单独掺用, 如喷水泥混凝土速凝剂等。这些特殊外加剂允许以粉剂掺入, 粉剂可通过水泥称量口准确称量加入或准确称量后先与砂石料混拌均匀再拌和。所有粉剂的搅拌时间均应比液体外加剂溶液延长10～ 30 s, 以保证其均化。
需要指出的是, 凡是可溶的、掺量或工艺允许溶解使用的外加剂均必须将其完全溶解稀释后, 掺入水泥混凝土中施工。外加剂多是表面活性剂, 其遇水后, 表面形成渗透缓慢的包裹层团块, 中间还是干粉, 无法与水接触, 延长搅拌时间也很难将其打开。
水泥混凝土中包含有外加剂彩色干粉团块, 如果是缓凝型外加剂, 团块的周围将长期不能凝固和提供强度, 且易磨损成坑, 有害作用较大, 因此是不允许的。一般应提前24 h 配制成充分溶解、无团块的外加剂溶液, 再掺入水泥混凝土中使用。
3．8 配合比设计
掺外加剂水泥混凝土的配合比设计应按本指南附录F11 的规定执行。试配外加剂水泥混凝土时, 应采用施工用原材料、配合比及与工地相同的环境条件, 检测项目根据设计和施工要求确定, 如含气量、减水率、坍落度及其损失、温度、凝结时间、抗压强度、弯拉强度、收缩率、膨胀率等。
3．9 储存
外加剂产品的储存期不宜超过半年。不得使用超过储存期限或在储存期内变质、结硬、污染和混杂的外加剂。各种外加剂应分类储存在专用仓库内, 并设明显标志。在储存期内应防止日晒、受冻、污染、受潮、混杂或蒸发。粉状外加剂在有效期内受潮结块,经性能检验符合一等品要求者, 应粉碎至全部通过0．30 mm 筛, 方可使用; 液体外加剂在有效期内发生沉淀时, 若沉淀能够全部搅拌均匀、无结块, 经性能检验符合一等品要求者, 允许将其搅拌均匀后使用。沉淀已经硬化结块、有效成份严重降低或某些复配有挥发性组分的复合外加剂, 其中一项组分已经挥发损失, 性能已经发生了变化, 则不得再使用。保证外加剂在工地妥善保管, 是避免外加剂结块、失效、用混或用错的措施。粉状外加剂在有效期内受潮结块者, 提出了比GB8076 标准和GB50119 规范更严格的要求, GB50119 提出全部通过0163 mm 的筛, GB8076 在细度中规定通过0130 mm 筛的筛余量应小于15%。外加剂应是分子状态或溶液离子态方可提供足够的功能, 结块过大的外加剂对水泥混凝土性能有害, 水泥混凝土表面局部将形成黄、棕色斑点。如果是缓凝剂团块(斑点) , 附近水泥混凝土将长时间不凝固, 并降低局部强度。既然已经要求粉碎, 就不能还是过大粒径, 0130 mm 以上的筛余量应继续粉碎到对水泥混凝土性能无害的细度。
3．10 取样及质检
(1) 批量和取样要求: 运到工地的外加剂产品,每20 t 为一批, 总量不足20 t 亦为一批。每一批应于16 个不同点取样, 每点取样250 g, 共4 000 g, 将试样充分混合均匀, 分为四等份, 其中一份做试验检验, 另一份密封保存3 年, 以备有疑问时, 交国家规定的检验机构进行复检或仲裁。
(2) 质量检验: 质量检验的试验项目及所需数量见表5 的规定, 试验结果应符合该种外加剂表3 的性能要求, 达到外加剂一等品质量指标, 两次或多次检验的误差应符合表4 匀质性指标。
本指南对外加剂在工程使用前, 取样要求及质量检验进行了更详细而明确的规定, 实现取样和质检的科学化、程式化, 增加了在施工各个环节中和不同质量管理部门的质检频率, 目的在于切实保证重大公路水泥混凝土工程所使用的外加剂质量稳定性, 有效地保障公路工程结构水泥混凝土强度保证率和结构可靠度。这些规定是以往没有的, 施工中缺乏有效的质量监控办法, 补救措施往往是亡羊补牢。这些规定是防止出现施工差错和返工浪费的基本措施, 也是提高外加剂应用技术水平的必要条件。
3．11 施工过程中的质量检验
(1) 入库检验。同厂家同品种批量5 t 或一车为一批。应检验项目: 粉状外加剂细度、含水量; 液体外加剂密度、pH 值。外观: 色泽均匀性、有无沉淀、表面结皮或内部结块。并应有外加剂质量一等品检验合格证书、厂家和生产日期等。满足要求方可入库。
(2) 施工过程中检验。批量5 t 或一车为一批。检验项目: 粉状外加剂不溶物含量或含水量; 烘干法检测液体外加剂含固量; 外加剂加入搅拌机时溶液浓度的pH 值; 水泥净浆流动度和砂浆减水率其中一项; 粉状外加剂500 kg 一批检验细度; 每一桶或100 kg液体外加剂应使用比重计测浓度。检测结果应符合该产品质量合格证书中的数据, 两次或多次检验误差应符合表4 匀质性指标要求。监理应按施工自检频率25% 抽检, 并至少抽检一次。
施工过程中的质量检验包括: 入库检验、施工单位自检验和监理检验。实际上是在产品准入和水泥混凝土试配检验满足要求的基础上, 对进入工地库房的外加剂提出的再检验把关要求, 是保证工程使用过程中的外加剂质量稳定性、匀质性和正确使用的第三道防线。由于一方面入库检验是在产品准入和试配检验满足质量要求的基础上进行的再检验;另一方面, 这些外加剂马上就要入库或投入使用, 不可能也不需要进行全面检验, 因此仅规定了一些对外加剂质量稳定影响最大的又便于快速检验的个别指标, 例如, 外观: 颜色、沉淀、结皮和结块等; 液体外加剂的比重和pH 值; 粉状外加剂细度和含水量等。
此道防线的规定在实际工程中是很有必要的, 通过此条规定, 可以杜绝外加剂在有效成份、浓度和载体上明显不一致现象, 做到公路水泥混凝土工程实际使用的产品与试验样品真正一致。
3．12 匀质性检验
在公路水泥混凝土工程中, 当使用的外加剂为分批生产或需多池均化稀释时, 均应进行匀质性检验。不同品种外加剂的匀质性检验项目应符合表6的规定。匀质性试验方法按GB?T 8077 的规定进行。规定在公路水泥混凝土工程中, 当外加剂的总用量超过一次生产批量(掺量≥1% 的外加剂为100 t, 掺量小于1% 的外加剂为50 t) , 或需多池均化稀释时, 均应进行所用外加剂匀质性检验。根据不同品种的外加剂测定匀质性检验项目的全部或一部分, 见表6 的规定。匀质性试验方法应按《混凝土外加剂匀质性能试验方法》(GB?T 8077) 的规定进行。对外加剂匀质性有重要影响的是外加剂原材料的均匀性、同一性、化学合成的工艺参数的稳定性及控制精度水平等。一般而言, 同样原材料用相同工艺合成的同一批母液或粉状外加剂, 在同一均化稀释池中复配的液体外加剂, 产品的匀质性有保障。但不同批量的产品, 特别是合成原材料变化、工艺参数调整或在不同均化稀释池复配液体外加剂时, 其产品的稳定性和匀质性将有所变化。此时, 不仅生产厂家, 而且使用单位均必须专门强制规定检验匀质性。
目前我国公路结构工程统一要求使用可靠度设计理论, 保证结构的可靠度不仅要提高施工质量控制水平, 而且要保障所有施工原材料的匀质性和稳定性。特别对水泥混凝土质量影响相当敏感的外加剂应提出更高的匀质性要求。
3．13 包装、出厂、贮存及退货
外加剂的包装规定与GB8076 不同之处是增加了推荐掺量范围、放射性、毒性、腐蚀性、易燃性、安全使用注意事项。目的是为了给公路建设、施工、监理和质检单位提供更高的外加剂使用安全性。
本指南附录B13 规定外加剂使用单位在遇到下列3 种情形之一可拒绝验收和退货: 性能和匀质性不符合本指南的规定; 包装质量或浓度与出厂文件不符; 出厂文件不齐全者。GB8076 规定生产厂家应接受退货或协商补足。外加剂的使用和生产供应是两回事, 特别对第一款没有协商解决的余地, 必须退货。对不满足第二、三款的方可按GB8076 的规定供需双方进行协商和补足。公路建设、施工、监理和质检单位等应明确了解外加剂拒绝、退货及协商补足等规定。本来, 此项规定可以不编写, 但编者发现我国公路建设、施工、监理和质检单位对这项规定缺乏了解, 本应做拒绝、退货或补足处理的, 由于不了解规定, 出现了一些不应有的纠纷。
4 掺合料应用技术
指南编制的掺合料应用技术中包括粉煤灰、硅灰、磨细矿渣、膨胀剂四种, 由于篇幅所限请读者参见“公路工程水泥混凝土掺合料应用技术”的文章。
5 结语
本文简要地介绍了2006 年由交通部公路科学研究院主编, 南京水利水电科学研究院参编的交通部公路司颁布的推荐性标准《公路工程水泥混凝土外加剂与掺合料应用技术指南》编制的指导思想, 外加剂应用中的共同技术要求, 希望起到对该指南的宣贯作用。
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