摘 要: 概略地介紹了2006 年由交通部公路科學研究院編制完成、交通部交公便字[ 2006 ]02 號文批準發布的公路行業推薦性標準《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》編制的指導思想, 外加劑應用中的共同技術要求、粉煤灰的應用技術等, 希望起到對該指南的宣貫作用。
關鍵詞: 公路工程; 水泥混凝土; 外加劑; 摻合料; 應用技術; 指南
1 前言
1．1 任務來源
隨著我國公路基礎設施建設的加快, 對應用于公路工程中的水泥混凝土提出了更高的要求。為適應這一要求, 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劑與摻合料。這帶動了水泥混凝土外加劑與摻合料產業的蓬勃發展, 外加劑與摻合料的新品種不斷涌現。為指導水泥混凝土外加劑與摻合料的工程應用, 提高公路工程使用外加劑與摻合料的技術水平, 根據交通部公路司(交公路發[ 1999 ]739 號)《關于下達1999 年度公路建設標準、規范、定額等編制、修訂工作計劃的通知》第14 項,編制《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術規范》, 又依據2002 年6 月24 日交通部公路司(交公便字[ 2002 ]125 號)《關于印發(公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術規范) 審查會議紀要的函》本規范改稱為指南, 并由交通部公路司頒布,作為推薦性行業標準。本指南由交通部公路科學研究院主持編制, 南京水利水電科學研究院參與編制。
1．2 指南編制的必要性
隨著公路建設技術的不斷進步, 對水泥混凝土的要求也越來越高, 不僅要求水泥混凝土可調凝、早強、高強、低水化熱、大流動性、輕質、高密實和高耐久性, 而且要求制備成本低、成型容易、養護簡便, 等等。為達到這些目的, 水泥混凝土外加劑和摻合料起著不可或缺的作用。使用外加劑與摻合料的普及程度是衡量一個國家水泥混凝土技術水平高低的重要標志。水泥混凝土工程中使用外加劑與摻合料的“雙摻技術”是現代高性能水泥混凝土結構材料制備中的“高新技術”。
我國公路水泥混凝土工程建設規模很大、發展迅速, 水泥混凝土路面、鋼筋混凝土橋梁、涵洞、隧道、擋土墻、排水溝管、防護工程、收費站、服務區、地下灌漿等工程使用的水泥混凝土和水泥(砂) 漿數量巨大, 而且其水泥混凝土、砂漿強度等級和質量要求越來越高, 所使用的施工工藝和設備越來越先進和復雜。例如, 截止2004 年底已經建成各級公路水泥混凝土路面2517 萬多km , 僅水泥混凝土路面一項工程, 使用的水泥混凝土方量在100 萬m 3 以上。隨著公路工程對水泥混凝土材料的強度及水泥混凝土工程結構質量要求的逐步提高, 水泥混凝土中越來越多地使用“雙摻技術”, 即在水泥混凝土中摻用外加劑與摻合料來改善拌和物的工作性能, 提高水泥混凝土的物理力學性能和耐久性, 保障工程質量, 節約水泥, 降低成本。“雙摻技術”是制備高性能水泥混凝土國際公認的必備手段, 外加劑與摻合料被稱為高性能水泥混凝土不可缺少的第五、六組分。
在國際上, 外加劑概念包括化學外加劑和礦物外加劑兩類材料, 而我國習慣上將其分為外加劑與摻合料兩類。衡量一個國家水泥混凝土技術水平的高低, 國際上通行的做法是統計外加劑與摻合料在水泥混凝土中的使用比例。發達國家75%～ 90% 的水泥混凝土都使用外加劑, 而在我國公路工程中比例較低, 估計不超過35%。按現代高性能水泥混凝土材料科學的觀點, 使用壽命50 年以上的水泥混凝土結構工程, 必須同時使用外加劑與摻合料。
一般而言, 當要求水泥混凝土抗壓強度大于30M Pa、抗折強度大于510M Pa 時, 不使用外加劑制作就相當困難。例如, 滑模攤鋪水泥混凝土路面要求施工抗折強度達到≥515M Pa, 非使用外加劑不可。大跨度橋梁工程中的預應力梁、板、柱不使用外加劑就無法達到水泥混凝土所要求的較高強度等級、較輕質量和耐久性; 橋梁工程中的下部大體積水
泥混凝土結構, 不同時使用外加劑與摻合料, 就無法實現對溫度裂縫的有效控制, 也無法達到所要求的工作性; 特大型橋梁工程或鋼管水泥混凝土拱橋中使用的泵送水泥混凝土, 如果沒有外加劑根本無法實現泵送施工工藝; 箱形、T 形預應力梁板和涵管等制品的預制生產, 也離不開外加劑。在我國三北地區的水泥混凝土路面和橋涵工程, 均要求具有抗凍性和抗鹽凍性。如果沒有引氣劑、阻銹劑和防凍劑等的使用, 其抗冰凍和抗鹽凍耐久性技術要求根本無法滿足。
目前, 在我國技術難度較大、質量要求較高的橋、隧、涵和路面工程結構水泥混凝土中, 外加劑與摻合料的應用非常廣泛。但是, 由于在公路水泥混凝土工程領域沒有外加劑與摻合料的應用技術指南,工程技術人員對此比較陌生。由于外加劑使用不當而導致的水泥混凝土路面及橋涵結構的質量事故時有發生, 造成了不應有的損失。近年來, 在因外加劑使用錯誤導致質量事故的工程中, 有人將外加劑稱為“害人劑”, 甚至叫“蘇丹紅”。這個問題具有全國的普遍性。鑒于水泥混凝土材料和結構質量是影響整個公路工程質量的最關鍵部分, 外加劑與摻合料是最容易引發質量事故的重大技術環節, 我國公路行業急需一個外加劑與摻合料應用技術指南來進行指導和規范, 防止因其應用不當帶來工程質量事故。
另一方面, 我國現有外加劑與摻合料標準和規范從高等級公路工程特殊適用性、齊全性、產品質量、現場檢驗、施工質量控制技術諸方面來看, 遠遠不能適應大規模的公路建設和越來越高的質量控制需要, 很有必要新編制一部滿足高等級公路水泥混凝土結構工程特殊使用要求、完備的應用技術指南。
1．3 技術內容
《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》(以下簡稱指南) 結合公路水泥混凝土工程的特點, 總結以往公路與其他工程實踐中使用外加劑與摻合料的成功經驗, 對最常用的10 類外加劑:減水劑、引氣劑、緩凝劑、早強劑、防凍劑、泵送劑、防水劑、速凝劑、阻銹劑、水中抗分離劑, 4 類摻合料:粉煤灰、硅灰、磨細礦渣、膨脹劑, 從主要品種、適用范圍、性能指標、施工注意事項、檢驗要求、質量監控等各環節做出了必要的規定, 使水泥混凝土工程在設計、施工、監理、監督各環節均有章可循。目的是在我國公路水泥混凝土工程越來越普遍地使用外加劑與摻合料的情況下, 指導其正確的使用, 從而提高公路工程水泥混凝土材料科學技術水平, 有效地保障公路水泥混凝土結構工程的質量。
本指南著重編寫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 類外加劑和4 種摻合料的應用技術內容。這些材料基本上攮括了我國目前公路工程中保障水泥混凝土、鋼筋水泥混凝土及預應力水泥混凝土結構內在質量的、水泥混凝土先進施工工藝中絕大多數常用的外加劑與摻合料種類, 其應用技術是成熟有效、量大面廣的。它包含了建設部、水利部、建材、冶金、電力等行業所編制的有關水泥混凝土外加劑及摻合料的30 余本標準、規范和規程的內容, 是目前國內水泥混凝土輔助新材料應用領域中包括內容最多、最廣泛、最齊全的一本行業指南。
1．4 編制方式和原則
在編制中, 凡與國家和行業現行標準、規范、規程不同的內容均有研究、試驗和施工作為基礎, 并在說明中指出。對我國尚無技術標準規范、公路水泥混凝土工程施工中又必須使用的外加劑, 如阻銹劑、水中抗分離劑等, 參照國內其他行業規范和國外有關標準和研究報告, 并結合我國在工程中發現的問題,進行編寫。這樣編制的目的是使資料和規定盡量齊全完備, 有了本指南, 只要認真貫徹, 謹慎操作、善于總結, 就能保障公路水泥混凝土結構工程的高質量。相信通過本指南的編制和執行, 能夠有效地提高我國公路工程、特別是高速公路、一級公路的水泥混凝土結構工程的質量、施工工藝水平和經久耐用品質, 推進我國公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用和施工技術水平邁上新的臺階。
當然, 本指南編入的外加劑與摻合料種類, 并非包括已知的、處在研究中的或已有應用技術規范的水泥混凝土輔助材料的全部, 如: 外加劑中的超塑化劑、超緩凝劑、消泡劑、防濕劑、著色劑、防霉劑、防菌劑、減阻劑、減縮劑、堿集料反應抑制劑等, 摻合料中的沸石粉、高活性的磷、鋁、鎳、鋰等尾礦粉及其礦渣等。外加劑與摻合料是一個非常龐大的家族, 幾乎所有水泥混凝土要求改進的特殊品質均有相應的輔助材料。在選擇編寫進本指南的外加劑與摻合料種類時, 遵循了下述原則:
(1) 用高性能水泥混凝土“雙摻”技術指導思想統帥本指南的編制;
(2) 對絕大多數水泥混凝土輔助材料滿足其應用廣泛性、成熟性和可靠性要求, 使這些材料使用得更加規范, 應用技術水平更高, 并達到預期目的, 防止出現差錯和返工事故;
(3) 對某些公路行業使用范圍目前還不普及、積累的應用經驗并不充分, 但在特殊施工工藝條件下保障工程質量和耐久性必不可少的材料, 參照國外、國家或其他行業標準也納入編寫中, 如泵送劑、膨脹劑、速凝劑、阻銹劑、水中抗分離劑、硅灰等。目的在于通過這些水泥混凝土新型外加劑與摻合料的擴展使用, 有效地提高公路水泥混凝土結構工程的內在施工質量和長期服役性能, 并推進水泥混凝土施工新材料、新工藝和新技術的更廣泛地應用。
2 基本規定
2．1 原材料技術要求
摻入外加劑與摻合料的公路工程各種水泥混凝土結構所用原材料: 水泥、砂、石、水, 除有特殊要求以外, 均應符合現行國家和行業公路工程水泥混凝土結構相應原材料標準、規范和規程的規定。
2．2 產品準入條件
各類外加劑與摻合料的產品供應商除應向建設、施工和監理單位的(中心) 實驗室提供足夠水泥混凝土室內配合比、性能檢驗的試驗樣品及質量復檢樣品外, 還應提供下述文件:
(1) 該產品質量說明書, 說明產品的主要化合物、廠家自檢的水泥混凝土基本物理力學性能、推薦摻量的范圍等;
(2) 省部、地廳級質檢單位或外加劑檢驗機構提供的外加劑或摻合料產品質量合格證書;
(3) 省部、地廳級提供的新產品鑒定證書、國家專利局或省專利機構提供的新產品專利證書;
(4) 省部、地廳級質檢單位或外加劑檢驗機構提供的產品勻質性檢測報告;
(5) 必要時提供該產品的工程應用實例;
(6) 重要的大型工程應提供該產品供貨保證性文件。鑒于外加劑產品推銷和應用領域的混亂情況,指南首先規定了外加劑產品準許進入公路水泥混凝土工程的條件, 這對于遏制該領域中雜亂無章的狀況、保障公路重大工程水泥混凝土結構的安全性和可靠性是必不可少的前提。同時, 也是根據本應用技術指南, 使用好外加劑的物質基礎。就是講, 我們不允許沒有經過工程實踐檢驗和長期考驗或技術不成熟的外加劑產品進入公路水泥混凝土工程施工領域。
2．3 選用原則
外加劑與摻合料的選用應根據各類公路工程水泥混凝土結構的設計、特定施工工藝要求和質量控制目標, 通過試驗和技術經濟比較確定。所選外加劑與摻合料不應危害人體健康或對環境造成污染。嚴禁使用對人體產生危害、對環境造成污染的外加劑與摻合料。例如: 水泥混凝土中天然放射性核素鐳—226、釷—232、鉀—40 的外照射指數[注] I r≤110。
對人體健康產生危害主要指兩個方面: 一是產品在使用過程中不得對人體有放射性、毒性或潛在的毒性; 二是摻入水泥混凝土中不得對周圍環境如土壤、水源或動植物產生危害或毒性。在包裝中強調了對外加劑“應明確注明??毒性、腐蝕性、易燃狀況、??”。外加劑的生產廠商歷來對此問題諱莫如深, 極少提及或承認目前使用的外加劑具有毒性, 例如早強劑和防凍劑中的亞硝酸鈉、六價鉻鹽、重鉻酸鈉、硝銨、碳銨、硫氰酸鹽等, 其抗凍和早強效果不錯, 使用亦比較廣泛, 但若使用管理不當會產生嚴重后果, 例如, 亞硝酸鹽等致人死的劑量只有2 g。所以, 本指南強調對有放射性、劇毒的或有毒的外加劑必須加強管理, 嚴禁其放射性、毒性對使用者帶來不必要的傷害。
2．4 計量精度要求
公路水泥混凝土工程外加劑的摻量一般以膠凝材料總量的百分率表示, 摻合料摻量以水泥質量的百分率表示。各原材料攪拌時的計量精確度應符合表1 的規定。
表1 原材料的計量精確度%
2．5 適用水泥品種
水泥混凝土外加劑適用的水泥品種有道路硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥等硅酸鹽類水泥; 二級以下公路可使用礦渣硅酸鹽水泥; 鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土結構應采用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥; 大體積水泥混凝土應采用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥;有特殊要求者, 可使用相應的特種水泥品種。規定摻外加劑與摻合料的水泥混凝土所用水泥品種的要求: 各類水泥均必須與所用外加劑相適用;摻合料不得加入同種混合材水泥。如, 粉煤灰不得加入粉煤灰水泥中, 磨細礦渣不得加入礦渣水泥中等。
2．6 含堿量
當集料具有堿集料活性時, 由外加劑帶入的堿含量(N a2O + 01658K2O ) 不宜超過110 kg／m 3, 由外加劑及摻合料、水泥帶入水泥混凝土總含堿量不宜超過310 kg／m 3。處于海水、鹽堿水環境中的公路工程水泥混凝土, 不得使用具有堿活性的集料。即使使用低堿水泥, 海水和鹽堿水也能夠滲入水泥混凝土導致堿骨料破壞反應, 因此規定處于海水、鹽堿水接觸及這些環境中的水泥混凝土, 不得使用堿活性集料。當集料具有堿活性時, 應嚴格控制外加劑帶入水泥混凝土的堿量不應超過110 kg／m 3。有些外加劑含有一定數量N a2SO 4 或其他形式的堿。根據推算, 早強劑及早強減水劑的堿含量約20%～40%; 速凝劑約15%～ 20%; 膨脹劑約014%～ 3%;高濃型萘系高效減水劑約5%～ 10% , 低濃型萘系高效減水劑約15%～ 20%。使用這些外加劑時含堿量均有所增加, 因此, 不僅應有明確的含堿量限制規定, 而且在產品說明書中應表示該產品的含堿量數據。水泥混凝土中產生堿集料反應有3 個必備條件: 集料具有堿活性、水泥混凝土中有≥310 kg／m 3的總含堿量、有足夠的濕度環境。三者共同遭遇在結構中時, 會發生堿集料反應, 要特別引起重視。對堿集料含量要嚴加控制, 甚至夾雜少量堿集料也不允許。某些研究者提出應允許夾雜有5% 的堿集料, 但這樣的規定只有在后兩個條件或至少其中之一不存在才是允許的。我們不能容忍公路水泥混凝土結構或構件因夾雜堿集料反應造成的局部崩裂破壞, 這是公路水泥混凝土結構或構件的重要性和抗沖擊、耐疲勞等動載特性所決定的。
規定水泥、外加劑及摻合料帶入水泥混凝土總堿含量不宜超過310 kg?m 3 是防止堿集料反應所采取的措施, 是一個重要的臨界控制指標。應注意: 水泥混凝土總堿含量不宜超過310 kg?m 3 是相當嚴格和一般不易做到的規定。假設工程所使用的是低堿水泥, 堿度為015% , 總含堿量還與單位水泥用量有關, 如果此時外加劑帶入的堿含量為110 kg?m3, 單位水泥用量不能大于400 kg／m 3; 否則, 即使是使用了堿度為015% 的低堿水泥, 水泥混凝土中的總堿含量也將超過310 kg／m 3 的規定, 還未計入摻合料帶進的堿度。因此, 控制不使用堿活性集料將是最有效防止堿集料反應的辦法。
2．7 拌和要求
大、中型公路結構工程摻各種外加劑和摻合料的水泥混凝土應采用有計算機自動控制的強制式攪拌樓攪拌。對于水泥混凝土用量較少的小型公路工程, 允許使用具備所有原材料稱量裝置的攪拌機攪拌, 但應延長攪拌時間10～ 30 s; 嚴禁使用手工拌和摻外加劑與摻合料的水泥混凝土。
大量的工程實踐反復證明: 摻外加劑與摻合料的水泥混凝土, 若沒有攪拌機(樓) 進行拌和, 手工是無論如何也不可能將摻量極小或較小的外加劑與摻合料在拌和物中拌和均勻的。因此, 國內外的規范均規定必須是機械攪拌。實踐還表明: 手工是拌和不出強度等級大于C30 以上水泥混凝土的。所以即使是不摻外加劑與摻合料的C25 以上的水泥混凝土均應嚴禁手工拌和生產。在高速公路橋面上, 目前最典型的是手工拌和防水找平層水泥混凝土和伸縮縫鋼纖維混凝土。無論設計厚度如何, 手工是拌和不出規定的C40 級水泥混凝土強度等級來, 手工拌和方式, 在很短的時間內, 必定要出現快速損壞。所以, 無論水泥混凝土量多寡, 均應準確稱量, 機械拌和。特大、大、中型公路水泥混凝土路面、橋梁、隧道工程摻各種減水劑和?或摻合料的水泥混凝土應采用有計算機自動控制的強制式攪拌樓攪拌, 以保障這些重大水泥混凝土結構工程的水泥混凝土拌和質量、勻質性和穩定性。
2．8 氯離子限量
摻用外加劑與摻合料的水泥混凝土拌和物中氯化物(以Cl- 計) 總含量的最高限量不應超過表2 的規定。外加劑或摻合料單獨帶入水泥混凝土拌和物中的氯離子含量宜按總氯離子含量的1／3 進行控制。
本規定摘引自《預拌混凝土》(GB14902)。據世界權威機構的統計, 目前全世界的各種水泥混凝土結構物, 在耐久性問題中, 首當其沖并占有最大損壞比例的是鋼筋銹蝕問題, 特別是在公、鐵橋梁結構中, 所造成的損失占全部耐久性損失的3? 4。例如, 在我國公路上處在海水中的、海風環境(距海岸線10 km范圍內) 的、冬季灑除冰鹽的、處在鹽堿地腐蝕區內的橋梁, 均有嚴重的鋼筋銹蝕破壞問題, 粗略估計占國土面積的2? 3。可以預料, 它將成為我國未來公路橋梁和其他結構物的頭號耐久性損壞問題,應引起我們的高度重視。
鑒此, 本指南對外加劑、摻合料單獨摻用時帶入水泥混凝土拌和物氯離子含量提出了更嚴格的要求。其原因是水泥混凝土中的其他大綜原材料: 水泥、水和集料也可能帶入氯離子。所以, 規定外加劑與摻合料單獨帶入水泥混凝土拌和物中的氯離子含量, 宜按總氯離子含量的1?3 進行控制。針對表2 查詢了國內外有關資料, 與歐盟國家的規定相同。首先, 目前國際上所稱無氯外加劑是指氯離子含量≤011%C, 但不適用于預應力鋼筋混凝土結構; 可用于潮濕環境鋼筋混凝土。預應力混凝土和腐蝕環境中的鋼筋混凝土氯離子含量≤0102%C, 事實上是做不到的。這兩種條件下, 應采取相應措施。例如,在水泥混凝土中摻用鋼筋阻銹劑, 或提高水泥混凝土密實度、使用防銹蝕鋼筋、環氧樹脂涂層鋼筋、電化學防護等適宜的技術措施。如果我國在大規模公路建設時期, 不切實做好公路水泥混凝土結構和構件的鋼筋防銹蝕工作, 不高度重視這個問題, 不久的將來, 我們將重蹈所有發達國家的復轍, 用巨額資金來進行大量橋梁或其他結構物的腐蝕修復。
3 外加劑應用技術
指南中編進的水泥混凝土外加劑有10 大類19種, 每一大類外加劑編為一節。這里由于篇幅所限,僅對外加劑應用中的共同遵守的一般規定進行闡述, 具體到某類某種外加劑的使用技術, 請讀者參閱指南相關節中的具體技術要求。
3．1 適應性檢驗
各種公路水泥混凝土結構工程使用的外加劑品種, 必須首先進行外加劑與水泥適應性檢驗, 不適應的外加劑不得使用。適應性檢測方法見本指南附錄D。當水泥品種、強度、等級、生產廠變動, 或水泥混凝土性能出現變化時, 應重新檢驗外加劑對水泥的適應性。
外加劑與水泥的適應性是一個復雜問題。編者將其分為化學定性不適應和劑量定量不適應兩類。目前所知, 外加劑與水泥的化學定性不適應主要來自水泥中所使用的除二水石膏以外的各種石膏變種, 如硬石膏、半水石膏、脫水石膏、氟石膏、螢石膏、磷石膏、工業廢渣石膏等。采用標準稠度的水泥凈漿即可定性檢驗外加劑與所用水泥的化學適應性。化學不適應的減水劑, 不減水反而增水, 顯然不能使用。水泥與外加劑的劑量不適應主要取決于如下因素: 水泥中的鋁酸三鈣含量高、堿含量偏高或偏低、細度大, 則適應性變差。劑量不適應表現在相同摻量減水劑的減水率遠低于或大于使用基準水泥檢驗得到的減水率。大于基準水泥檢驗的減水率有利于工程使用, 但需要調整摻量或工作性, 如要求的減水率較低, 則可減少減水劑摻量。在遠低于基準水泥的減水率時, 則應視減水劑飽和摻量的減水率是否滿足工程使用要求, 在小于等于飽和摻量條件能夠滿足使用要求時, 可將摻量加大到飽和摻量來使用; 在使用飽和摻量仍不能滿足使用要求時, 則必須更換減水劑或水泥品種。
3．2 品種與化合物
公路水泥混凝土工程所選定的各種外加劑品種和(主要) 化合物, 應符合本指南中外加劑品種和(主要) 化合物的規定。本指南中沒有規定的外加劑品種, 必須經充分試驗研究或專家論證后方可使用。本規定是針對目前我國外加劑市場上流行對其主要化學成份和配方保密的做法, 絕大多數只標明英文代號, 名曰保護其知識產權, 實際上為工程使用帶來極大的困難和混亂, 造成了不應有的工程事故或返工。為了杜絕此類差錯的發生, 規定生產廠必須告知主要化合物, 配方可以保密, 但使用者必須有主導化學成份知情權。
3．3 性能指標
各種外加劑產品的各項性能指標應符合表3 的規定。表3 與交通部已經頒布執行的《公路工程混凝土外加劑》(JT?T 523- 2004) 表1 規定相同。外加劑試驗方法和檢驗規則應符合本指南附錄B 的規定。檢驗外加劑性能所采用的基準水泥應符合本指南附錄C 的規定。鋼筋銹蝕快速試驗方法應符合本指南附錄E 的規定。對表3 中外加劑性能指標與《混凝土外加劑》(GB8076) 相比, 按公路水泥混凝土結構工程的特殊性進行了如下修改, 需加以說明。
(1) 本指南規定用于所有等級公路水泥混凝土結構工程的各種外加劑產品質量必須首先滿足《混凝土外加劑》(GB8076) 一等品的各項技術指標規定。注意: 表3 中僅有一等品技術指標, 合格品未列入, 這與《水工混凝土外加劑應用技術規程》(DL／T 5100) 的規定相同。各種外加劑的合格品不允許在公路工程中使用。這是由于我們已經發現不少的外加劑合格品實際上是不合格品, 將有損于公路水泥混凝土動載結構工程質量和長期使用特性, 因此, 只規定使用一等品。
(2) 本指南參照國外及我國電力行業規范《水工混凝土外加劑技術規程》(DL ?T 5100) , 比《混凝土外加劑》(GB8076) 提高了所有高效減水劑的減水率, 由12% 提高到15%。大量的工程實踐證明: 原有高效減水劑12% 減水率是偏低的。首先, 普通減水劑大多可達到, 致使有些普通減水劑在市場上冒充高效減水劑出售。其次, 幾乎所有高效減水劑, 特別是復合高效減水劑均可達到或超過15% 減水率。同時,將引氣減水劑的減水率由10% 提高到12% , 這是由于普通減水劑有8% 的減水率, 復合減水率6% 的引氣劑后, 至少能保證12% 的減水率。
注意此處所講的減水率是用基準水泥并按基準水泥混凝土配合比的檢測結果, 與實際工程所使用的水泥和減水劑測得的減水率有差別。這是由于實際工程的水泥混凝土采用的原材料和配合比與檢驗減水率時的不同, 其減水率亦有差異。檢驗外加劑產品等級時, 使用的是基準水泥、原材料和基準配合比(見本指南附錄B 的規定) , 此時測得的減水率為產品減水率; 按實際工程原材料和配合比測得的減水率是工程實際減水率。外加劑在化學適應的前提下,其產品的減水率經常不代表實際減水率, 這里還有劑量適應性問題。實際減水率遠小于產品減水率的外加劑, 證明該減水劑與工程使用的水泥劑量適應性不佳。
(3)《混凝土外加劑》(GB8076) 中規定的摻外加劑的水泥混凝土28 d 收縮率比≤135%;《水工混凝土外加劑技術規程》(DL ／T 5100) 規定的28 d 收縮率比≤125%。本指南規定凡摻有引氣劑與引氣型減水劑28 d 收縮率比≤120%; 摻早強劑與早強減水劑28 d 收縮率比≤130%; 摻其他外加劑28 d 收縮率比≤125%。據了解, 國外有按相對收縮值規定28 d收縮率比≤135% , 也有的國家規定120% , 也有按絕對收縮差值規定為不大于1×10- 4。GB8076 的規定是針對外加劑產品而言, 本指南的規定針對的是公路水泥混凝土結構。在公路工程水泥混凝土結構和構件中有2 個與其他基建行業顯著不同的特點。
①以水泥混凝土薄壁結構占主導地位, 例如: T梁、箱梁、板梁、薄壁橋墩、薄壁擋土墻、涵(管) 洞、隧道襯砌、路面、橋面鋪裝層等, 薄壁結構水泥混凝土的抗裂問題始終是困擾公路行業的一大難題。而《混凝土外加劑》(GB8076) 的收縮率比規定對公路薄壁結構而言是過大的, 不可接受的。135% 的28 d 收縮率比導致公路工程技術人員常講的現象: 不用外加劑不裂, 一用就裂。這難怪, 摻用了外加劑后的水泥混凝土, 具有比不摻相同配合比對比水泥混凝土收縮大35% , 意味著28 d 收縮率大1?3 還多。因此, 該項技術指標要求必須按公路薄壁水泥混凝土結構修改為125% , 在實際工程中我們使用到的最好的引氣型外加劑僅有108% 的28 d 收縮率比, 一般的115%左右, 最大的不大于120%。實測表明: 早強劑與早強減水劑28 d 收縮率比連125% 也做不到, 只能減小為130%。只有這樣才可能有效地在我國絕大多數地區, 保證薄壁水泥混凝土結構在施工期間不干縮開裂。
②公路工程水泥混凝土結構是承受動載為主的結構。我國公路車輛動載有3個特征: 超載嚴重; 沖擊作用, 一般是靜荷載的2～ 3 倍; 反復疲勞荷載, 水泥混凝土材料的疲勞強度僅有靜載強度的一半。在這樣苛刻的使用條件下, 施工期就出現了裂縫的結構,一旦遭遇超動載, 裂縫將擴展得很快, 水泥混凝土結構在短期內就可能徹底破壞。因此我們必須采取各種可能的技術措施來控制公路水泥混凝土結構的裂縫及其擴展, 減小外加劑帶來的干縮, 是從原材料角度進行裂縫控制的措施之一。
有鑒于此, 我們同時提議研制外加劑的科技人員來研究減少收縮型的減水劑和其他外加劑供日夜干縮和溫縮很大地區使用。從目前的摻外加劑的水泥水化理論而言, 凡是有利于水泥的水化更完全、更徹底的外加劑特別是減水劑, 均會一定程度地增大收縮, 這是由于水化更充分的水泥石中會生成更多的水化硅酸鈣凝膠, 在其貢獻更高強度的同時, 也產生了更大的干縮, 水泥混凝土的干縮來源于水泥石,而水泥石的干縮來源于水化硅酸鈣凝膠的層間結構脫水干燥。由此可見, 減少收縮型的減水劑和其他外加劑研制難度是較大的。目前已經有專門的水泥混凝土減縮劑產品問世。
應當指出的是, 盡管外加劑有增大干縮導致水泥混凝土結構開裂的不利方面, 但其有利方面更多、更大。同時, 外加劑引起開裂僅僅是結構開裂的原因之一, 并非所有的薄壁結構開裂都是外加劑為主要誘發原因。目前來看, 只要外加劑造成的收縮足夠小, 再加上抗裂的水泥混凝土配合比設計、積極有效的保濕養生措施等, 是能夠防治和控制住薄壁水泥混凝土結構在施工期間的早期開裂問題的。
(4) 鑒于公路水泥混凝土結構抗凍問題的重要性, 本指南與《水工混凝土外加劑技術規程》(DL／T 5100) 規定相同, 將《混凝土外加劑》(GB8076) 中規定的相對耐久性指標修改為凍融循環次數, 凡引氣劑和復合有引氣劑的外加劑均規定凍融循環次數不小于200 次, 其他外加劑一般不小于100 次。《混凝土外加劑》(GB8076) 中規定引氣劑和復合有引氣劑的外加劑相對耐久性指標均為200 次不小于80% ,此規定比抗凍等級要寬松, 其他外加劑對抗凍性無規定, 這不適用于公路橋梁、隧道、涵洞、路面和橋面等絕大多數露天表面水泥混凝土結構, 且不利于提高其抗滲性、抗凍性等耐久性能。
3．4 勻質性
各種外加劑產品的勻質性指標應符合表4 的規定。勻質性檢驗應按GB?T 8077 進行。
外加劑產品的勻質性, 實質上是對產品質量穩定性的規定, 這在使用中經常會遇到, 目的在于防止外加劑在檢驗時沒有問題, 使用過程中其質量出現了波動, 施工條件均相同, 會引起水泥混凝土強度的統計偏差Cv 值增大, 強度保證率變差, 進而導致水泥混凝土結構可靠度不足而引發質量問題。需要指出的是, 表4 的勻質性規定與國外的要求相比是相當低的, 它實質上照顧了國內大多數外加劑廠家實際產品的工藝穩定性水平。
3．5 技術經濟優選
在選用外加劑時, 應使用施工原材料, 通過不少于3 種外加劑產品的性能對比試驗, 經技術經濟綜合優選, 確定一種為使用產品, 另一種為備用產品。本指南對選定外加劑時使用的技術經濟綜合優選進行了規定。優選應貫徹性能價格比最優的原則,優選外加劑的方法和程序如下:
(1) 首先應進行不少于3 種外加劑的水泥混凝土性能對比試驗, 其技術指標應滿足表3 相應品種外加劑的規定, 并選用其指標最優或較優者;
(2) 進行3 種外加劑的經濟性對比, 外加劑的經濟性絕非僅取決于銷售單價, 同時與摻量有關, 外加劑價格= 單位水泥用量×實際摻量×單價, 單價雖高, 但摻量較小的外加劑同樣具備優良的經濟性;
(3) 重要公路工程按性能價格比優選外加劑時,必須在選定一種使用產品的同時確定另一種為備用產品, 這是為防止工程施工因外加劑缺貨而中斷所采取的措施。
3．6 摻量
外加劑摻量應根據工程的使用要求、施工條件和原材料等因素, 并參考廠家的推薦摻量, 通過劑量適應性檢驗得出的最佳摻量確定。在滿足工程的各項使用和技術要求時, 可使用等于或略小于飽和摻量, 除特殊情況外, 不應大于飽和摻量。飽和摻量為試驗得到的外加劑摻量與減水率實測曲線的拐點, 詳見《公路水泥混凝土路面滑模施工技術規程》(JTJ／T 03711) 中的圖51117。實踐證明:當外加劑摻量大于飽和摻量時, 會引起較多的副作用甚至是有害作用。例如普通緩凝減水劑, 當摻量較大時, 會降低早期強度; 當摻量過大時, 會導致拌和物幾天都不凝固, 雖然最終水泥混凝土將凝固, 但不僅早期強度不足, 抗裂性很差, 而且28 d 強度將達不到設計強度, 工程結構不得不返工。最佳摻量為通過各項性能試驗優選出的滿足具體工程全部使用要求的摻量, 一般不大于該外加劑的飽和摻量。最佳摻量既非廠家推薦摻量, 也非飽和摻量。最佳摻量是在廠家推薦摻量的范圍內, 按照本工程結構的具體要求, 通過不同摻量的對比試驗得出的僅適合本工程施工條件、原材料、配合比和結構類型的該外加劑的最佳摻量; 當條件改變時, 最佳摻量應另行優選。
3．7 摻加方法
可溶解的外加劑應提前1 d 配制成均勻一致的溶液。不同劑種的外加劑復合使用時, 應檢驗其可共溶性, 滿足要求后, 方可使用。減水劑與其他外加劑共同配制在一種溶液內時, 如發現產生絮凝或沉淀等不相溶現象時, 不得復配在同一溶液中使用, 應更換為可共溶的外加劑或分別配制溶液分別加入。非用粉劑摻加的外加劑可通過水泥稱量口準確稱量加入或準確稱量后先與砂石料混拌均勻再拌和, 其攪拌時間應比液體外加劑延長10～ 30 s,
這條規定與新修訂《混凝土外加劑應用技術規范》(GB50119) 中的規定相同, 其目的是保證水泥混凝土拌和均化的更充分, 這里有兩個問題需要說明。
(1) 兩種單獨可溶解的外加劑, 可否混溶在一起, 不發生絮凝、沉淀、揮發等現象, 使各自的功能相互削弱或抵消, 這是液體外加劑的可共溶性問題。主要的成因是在混合溶液中產生了離子交換反應, 產生了更加穩定的絮凝物或沉淀物, 導致了兩種或其中一種外加劑功能削弱乃至完全失效。所以, 不能共混的外加劑是不能強行復配在同一溶液中使用的,達不到使用外加劑的多重預定目標。若沒有替代辦法, 非使用不可時, 應單獨配制各自的溶液, 分別加入水泥混凝土中拌和, 阻止電解質溶液中離子交換反應的進行, 同時, 使外加劑能夠發揮各自的作用。
(2) 某些外加劑劑量較大, 溶解不充分, 如速凝劑、泵送劑、早強劑、防凍劑中的某些品種, 不能使用溶液復配; 還有些外加劑因工藝限制只能使用粉劑單獨摻用, 如噴水泥混凝土速凝劑等。這些特殊外加劑允許以粉劑摻入, 粉劑可通過水泥稱量口準確稱量加入或準確稱量后先與砂石料混拌均勻再拌和。所有粉劑的攪拌時間均應比液體外加劑溶液延長10～ 30 s, 以保證其均化。
需要指出的是, 凡是可溶的、摻量或工藝允許溶解使用的外加劑均必須將其完全溶解稀釋后, 摻入水泥混凝土中施工。外加劑多是表面活性劑, 其遇水后, 表面形成滲透緩慢的包裹層團塊, 中間還是干粉, 無法與水接觸, 延長攪拌時間也很難將其打開。
水泥混凝土中包含有外加劑彩色干粉團塊, 如果是緩凝型外加劑, 團塊的周圍將長期不能凝固和提供強度, 且易磨損成坑, 有害作用較大, 因此是不允許的。一般應提前24 h 配制成充分溶解、無團塊的外加劑溶液, 再摻入水泥混凝土中使用。
3．8 配合比設計
摻外加劑水泥混凝土的配合比設計應按本指南附錄F11 的規定執行。試配外加劑水泥混凝土時, 應采用施工用原材料、配合比及與工地相同的環境條件, 檢測項目根據設計和施工要求確定, 如含氣量、減水率、坍落度及其損失、溫度、凝結時間、抗壓強度、彎拉強度、收縮率、膨脹率等。
3．9 儲存
外加劑產品的儲存期不宜超過半年。不得使用超過儲存期限或在儲存期內變質、結硬、污染和混雜的外加劑。各種外加劑應分類儲存在專用倉庫內, 并設明顯標志。在儲存期內應防止日曬、受凍、污染、受潮、混雜或蒸發。粉狀外加劑在有效期內受潮結塊,經性能檢驗符合一等品要求者, 應粉碎至全部通過0．30 mm 篩, 方可使用; 液體外加劑在有效期內發生沉淀時, 若沉淀能夠全部攪拌均勻、無結塊, 經性能檢驗符合一等品要求者, 允許將其攪拌均勻后使用。沉淀已經硬化結塊、有效成份嚴重降低或某些復配有揮發性組分的復合外加劑, 其中一項組分已經揮發損失, 性能已經發生了變化, 則不得再使用。保證外加劑在工地妥善保管, 是避免外加劑結塊、失效、用混或用錯的措施。粉狀外加劑在有效期內受潮結塊者, 提出了比GB8076 標準和GB50119 規范更嚴格的要求, GB50119 提出全部通過0163 mm 的篩, GB8076 在細度中規定通過0130 mm 篩的篩余量應小于15%。外加劑應是分子狀態或溶液離子態方可提供足夠的功能, 結塊過大的外加劑對水泥混凝土性能有害, 水泥混凝土表面局部將形成黃、棕色斑點。如果是緩凝劑團塊(斑點) , 附近水泥混凝土將長時間不凝固, 并降低局部強度。既然已經要求粉碎, 就不能還是過大粒徑, 0130 mm 以上的篩余量應繼續粉碎到對水泥混凝土性能無害的細度。
3．10 取樣及質檢
(1) 批量和取樣要求: 運到工地的外加劑產品,每20 t 為一批, 總量不足20 t 亦為一批。每一批應于16 個不同點取樣, 每點取樣250 g, 共4 000 g, 將試樣充分混合均勻, 分為四等份, 其中一份做試驗檢驗, 另一份密封保存3 年, 以備有疑問時, 交國家規定的檢驗機構進行復檢或仲裁。
(2) 質量檢驗: 質量檢驗的試驗項目及所需數量見表5 的規定, 試驗結果應符合該種外加劑表3 的性能要求, 達到外加劑一等品質量指標, 兩次或多次檢驗的誤差應符合表4 勻質性指標。
本指南對外加劑在工程使用前, 取樣要求及質量檢驗進行了更詳細而明確的規定, 實現取樣和質檢的科學化、程式化, 增加了在施工各個環節中和不同質量管理部門的質檢頻率, 目的在于切實保證重大公路水泥混凝土工程所使用的外加劑質量穩定性, 有效地保障公路工程結構水泥混凝土強度保證率和結構可靠度。這些規定是以往沒有的, 施工中缺乏有效的質量監控辦法, 補救措施往往是亡羊補牢。這些規定是防止出現施工差錯和返工浪費的基本措施, 也是提高外加劑應用技術水平的必要條件。
3．11 施工過程中的質量檢驗
(1) 入庫檢驗。同廠家同品種批量5 t 或一車為一批。應檢驗項目: 粉狀外加劑細度、含水量; 液體外加劑密度、pH 值。外觀: 色澤均勻性、有無沉淀、表面結皮或內部結塊。并應有外加劑質量一等品檢驗合格證書、廠家和生產日期等。滿足要求方可入庫。
(2) 施工過程中檢驗。批量5 t 或一車為一批。檢驗項目: 粉狀外加劑不溶物含量或含水量; 烘干法檢測液體外加劑含固量; 外加劑加入攪拌機時溶液濃度的pH 值; 水泥凈漿流動度和砂漿減水率其中一項; 粉狀外加劑500 kg 一批檢驗細度; 每一桶或100 kg液體外加劑應使用比重計測濃度。檢測結果應符合該產品質量合格證書中的數據, 兩次或多次檢驗誤差應符合表4 勻質性指標要求。監理應按施工自檢頻率25% 抽檢, 并至少抽檢一次。
施工過程中的質量檢驗包括: 入庫檢驗、施工單位自檢驗和監理檢驗。實際上是在產品準入和水泥混凝土試配檢驗滿足要求的基礎上, 對進入工地庫房的外加劑提出的再檢驗把關要求, 是保證工程使用過程中的外加劑質量穩定性、勻質性和正確使用的第三道防線。由于一方面入庫檢驗是在產品準入和試配檢驗滿足質量要求的基礎上進行的再檢驗;另一方面, 這些外加劑馬上就要入庫或投入使用, 不可能也不需要進行全面檢驗, 因此僅規定了一些對外加劑質量穩定影響最大的又便于快速檢驗的個別指標, 例如, 外觀: 顏色、沉淀、結皮和結塊等; 液體外加劑的比重和pH 值; 粉狀外加劑細度和含水量等。
此道防線的規定在實際工程中是很有必要的, 通過此條規定, 可以杜絕外加劑在有效成份、濃度和載體上明顯不一致現象, 做到公路水泥混凝土工程實際使用的產品與試驗樣品真正一致。
3．12 勻質性檢驗
在公路水泥混凝土工程中, 當使用的外加劑為分批生產或需多池均化稀釋時, 均應進行勻質性檢驗。不同品種外加劑的勻質性檢驗項目應符合表6的規定。勻質性試驗方法按GB?T 8077 的規定進行。規定在公路水泥混凝土工程中, 當外加劑的總用量超過一次生產批量(摻量≥1% 的外加劑為100 t, 摻量小于1% 的外加劑為50 t) , 或需多池均化稀釋時, 均應進行所用外加劑勻質性檢驗。根據不同品種的外加劑測定勻質性檢驗項目的全部或一部分, 見表6 的規定。勻質性試驗方法應按《混凝土外加劑勻質性能試驗方法》(GB?T 8077) 的規定進行。對外加劑勻質性有重要影響的是外加劑原材料的均勻性、同一性、化學合成的工藝參數的穩定性及控制精度水平等。一般而言, 同樣原材料用相同工藝合成的同一批母液或粉狀外加劑, 在同一均化稀釋池中復配的液體外加劑, 產品的勻質性有保障。但不同批量的產品, 特別是合成原材料變化、工藝參數調整或在不同均化稀釋池復配液體外加劑時, 其產品的穩定性和勻質性將有所變化。此時, 不僅生產廠家, 而且使用單位均必須專門強制規定檢驗勻質性。
目前我國公路結構工程統一要求使用可靠度設計理論, 保證結構的可靠度不僅要提高施工質量控制水平, 而且要保障所有施工原材料的勻質性和穩定性。特別對水泥混凝土質量影響相當敏感的外加劑應提出更高的勻質性要求。
3．13 包裝、出廠、貯存及退貨
外加劑的包裝規定與GB8076 不同之處是增加了推薦摻量范圍、放射性、毒性、腐蝕性、易燃性、安全使用注意事項。目的是為了給公路建設、施工、監理和質檢單位提供更高的外加劑使用安全性。
本指南附錄B13 規定外加劑使用單位在遇到下列3 種情形之一可拒絕驗收和退貨: 性能和勻質性不符合本指南的規定; 包裝質量或濃度與出廠文件不符; 出廠文件不齊全者。GB8076 規定生產廠家應接受退貨或協商補足。外加劑的使用和生產供應是兩回事, 特別對第一款沒有協商解決的余地, 必須退貨。對不滿足第二、三款的方可按GB8076 的規定供需雙方進行協商和補足。公路建設、施工、監理和質檢單位等應明確了解外加劑拒絕、退貨及協商補足等規定。本來, 此項規定可以不編寫, 但編者發現我國公路建設、施工、監理和質檢單位對這項規定缺乏了解, 本應做拒絕、退貨或補足處理的, 由于不了解規定, 出現了一些不應有的糾紛。
4 摻合料應用技術
指南編制的摻合料應用技術中包括粉煤灰、硅灰、磨細礦渣、膨脹劑四種, 由于篇幅所限請讀者參見“公路工程水泥混凝土摻合料應用技術”的文章。
5 結語
本文簡要地介紹了2006 年由交通部公路科學研究院主編, 南京水利水電科學研究院參編的交通部公路司頒布的推薦性標準《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》編制的指導思想, 外加劑應用中的共同技術要求, 希望起到對該指南的宣貫作用。
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