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用技術指南》(簡稱指南) 中編寫的早強劑在公路水泥混凝土工程中的應用技術, 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中的應用, 以加強業內人士廣泛應用早強劑的自覺性, 不僅要確保公路水泥混凝土工程的質量和使用耐久性, 而且要提高公路工程中水泥混凝土結構施工和修復的速度, 減少交通堵塞, 實現更大的經濟效益和社會效益。

關鍵詞: 公路工程; 水泥混凝土; 早強劑; 應用技術

　　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, 并在最短時間內提供車輛通行便利。

　　(2) 最低溫度不低于- 5℃的低溫環境中水泥混凝土結構的施工, 一般需要使用早強劑加速水泥混凝土的凝結硬化, 以防止更低溫度下水泥混凝土產生凍害, 并加速模板的周轉, 提高施工效率。

　　(3) 預應力鋼筋混凝土結構, 例如預應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應力張拉時間, 提高構件的制作速度。

　　(4) 水泥混凝土路面及橋梁的快速修復。修復時, 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構修復, 應該使用早強劑加速修復速度, 盡快開放交通, 通車收費, 努力提高經濟效益、交通效益和社會效益。

　　總而言之, 早強劑是建設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硬化速度過慢、強度發揮作用時間較長的致命弱點。最理想的水泥混凝土結構施工應該是澆注時工作性很好, 一旦澆注施工完成, 馬上能夠凝結硬化、具有結構強度, 達到盡早開放交通, 盡快獲得經濟效益、交通效益和社會效益的目的。這種絕對的理想狀態是不可能做到的, 只有正確地、積極地在適宜的水泥混凝土結構施工時, 使用早強劑, 才能使水泥混凝土逐步接近這個理想狀態。

1　主要早強劑品種

　　(1) 強電解質無機鹽類: 硫酸鹽、硫酸復鹽、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構中使用; 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、尿素等易揮發損失。

　　(3) 其他: 有機化學成份、無機鹽復合物等。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構, 蒸養水泥混凝土構件, 最低溫度不低于- 5℃的低溫環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應力混凝土結構和構件。炎熱環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生危害或對環境產生污染的化學物質嚴禁用作早強劑。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構:

　　①預應力鋼筋混凝土結構和構件, 防止應力腐蝕;

　　②相對濕度大于80% 環境中使用的露天、水淋、水沖刷、水位變動區的鋼筋混凝土結構和構件, 暴露在海水浪濺區和水位變動區、處于海風環境范圍內的鋼筋混凝土結構和構件;

　　③大體積水泥混凝土和鋼筋混凝土結構;

　　④直接接觸酸、堿或其他腐蝕性介質的水泥混凝土和鋼筋混凝土結構;

　　⑤經常處在使用溫度達60℃以上的水泥混凝土和鋼筋混凝土結構, 以及需經蒸養的鋼筋混凝土預制構件, 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、鋼筋混凝土結構和構件;

　　⑦薄壁鋼筋混凝土結構, 橋梁上部主梁鋼筋混凝土結構, 承受中、重、特重交通量的橋梁下部鋼筋混凝土結構;

　　⑧使用冷拉鋼筋或冷拔低碳鋼絲的鋼筋混凝土結構, 防止應力腐蝕;

　　⑨集料具有堿活性的水泥混凝土結構。

　　(4) 含有強電解質無機鹽類的早強劑、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構中:

　　①有照明和排風設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構, 埋置照明線路、使用直流電以及距離直流電源100 m 以內的鋼筋混凝土結構;

　　②有鍍鋅鋼材或與鋁鐵相接觸部位的結構, 以及有外露鋼筋預埋鐵件而無防護措施的結構;

　　③海水、鹵水及地下含有酸、堿腐蝕介質中的墩、橋墩、樁、橋樁、系梁等鋼筋混凝土結構。因為公路工程中水泥混凝土結構是處在車輪沖擊、振動和疲勞動載或超載作用下的結構物, 疲勞應力和瞬間沖擊振動應力值很高, 對鋼筋、鋼絲的應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, 會加速結構的破壞。第(3) 條和第

　　(4) 條的規定與國標《混凝土外加劑應用技術規范》(GB 50119- 2003) 規定是一致的。

　　(5) 含鉀、鈉離子的早強劑及其復合早強劑, 用于與水接觸或潮濕環境中的公路工程水泥混凝土結構時, 當集料具有堿活性, 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, 在潮濕環境中的水泥混凝土結構必須限制堿含量, 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生或干熱養生的水泥混凝土預制構件, 原因是干熱和蒸養條件下, 三乙醇胺類早強劑將很快分解或揮發損失掉, 喪失其早強作用; 若靜停時間過短, 蒸養溫度過高或溫升過快時, 水泥混凝土會產生爆皮現象, 影響水泥混凝土構件的質量, 因此要加以限制。其他早強劑可用于蒸汽養生或干熱養生的水泥混凝土預制構件。

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滿足指南中4. 1. 11 條和表1 的規定, 同時應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增測減水率。有飾面要求的水泥混凝土或對表面色差有要求的清水混凝土, 還應觀測硬化后的水泥混凝土表面是否析鹽。早強劑經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 批水泥混凝土應在同一天內完成;

　　(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, 導致表面色差增大。因此, 有飾面要求的水泥混凝土或對表面色差有要求的清水混凝土需要事先了解硬化后水泥混凝土表面是否析鹽。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, 一般采用的技術措施是在配合比設計時, 使用較大的配制強度放大系數。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構的使用環境和結構類型應符合表2 的規定, 最佳摻量應根據試驗確定。

　　表2 中的早強劑化學種類不全, 僅為使用了多年、有相當使用經驗的早強劑建議摻量。早強劑最佳摻量應根據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定。硫酸鈉是我國早強劑的主要原料, 也是復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, 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生成水化硫鋁酸鈣, 同時氫氧化鈉亦加速這一反應的速度, 水化硫鋁酸鈣是促使水泥混凝土早強的關鍵。但這一反應必須在適宜摻量下、確保其在硬化前發生, 如果摻量過大, 硬化后還在繼續反應, 會因其繼續膨脹, 導致水泥混凝土開裂、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硬化時間, 水化硫鋁酸鈣將有較長反應生成時間處在塑性階段, 不至于引起有害的內應力, 同時摻緩凝劑時, 在干燥環境下, 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應力不致過大, 預應力混凝土硫酸鈉摻量不得大于1%。

　　(3) 摻加液態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, 應先與水泥、集料干拌均勻后, 再加水, 加水后的攪拌時間應延長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, 仍應使用其溶液, 溶液比干粉拌和的勻質性及其使用效果均強得多。

　　(4) 各類早強劑中的含堿量應折算為(Na₂O +01658K₂O ) 氧化鈉當量。由早強劑帶入每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, 除了堿集料反應問題外, 會繼續反應生成膨脹性的水化硫鋁酸鈣, 不僅產生較大的內應力, 嚴重時還會導致水泥混凝土局部剝落和開裂。因此, 在水下或潮濕環境中的預應力鋼筋混凝土、鋼筋混凝土, 硫酸鈉摻量必須符合規定。

　　(5) 公路工程預應力鋼筋混凝土結構或構件使用早強劑時, 其張拉工藝應按試驗確定。公路工程快通水泥混凝土結構的開放交通時間, 應按達到設計強度90% 以上時的試驗確定。即: 公路工程快通水泥混凝土結構的開放交通時間, 應按與結構相同養生條件下, 摻早強劑水泥混凝土試件達到設計強度的90% 以上的試驗確定。例如水泥混凝土路面, 如果設計彎拉強度為510M Pa, 則90% 是415M Pa, 高于彎拉強度評定方法中規定的一組最小值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。其他結構水泥混凝土在抗壓強度上, 均應留有一定的安全儲備。

　　(6) 使用早強劑的水泥混凝土結構應加強早期保溫保濕養生, 終凝后立即澆水養生, 并應使用保濕膜、土工氈等覆蓋養生或噴灑養生劑。摻早強劑水泥混凝土的養生天數可比表4 的規定縮短3～ 5 d。最低氣溫在0℃左右時, 應使用保溫材料覆蓋, 且最少養生天數不少于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澆水泥混凝土和蒸養水泥混凝土構件, 其養生工藝和蒸養制度應根據早強劑、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向外擴散, 在水泥混凝土結構表面析出泛白晶體, 且在濕度較低、風力較大時最易發生, 這層白霜會影響表面裝飾層及與底層的粘結。因此, 有飾面要求和蒸養的水泥混凝土構件, 應注意表面飽水覆蓋, 避免構件內水分大量蒸發析晶。發生析晶時, 一般通過限制硫酸鈉摻量在018% 以內或更換早強劑品種的方法加以解決。

4　結語

　　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用技術指南》中編寫的早強劑在公路水泥混凝土工程中的應用技術, 特別介紹了早強劑在快通水泥混凝土路面、預應力混凝土構件和橋梁的快速施工和修復中的應用, 以加強公路工程技術人員廣泛應用早強劑的自覺性, 不僅要確保公路水泥混凝土工程的質量和使用耐久性, 而且要提高公路工程中水泥混凝土結構施工和修復的速度, 實現更大的經濟效益、交通效益和社會效益。

參考文獻:

　　[1]　交通部公路科學研究院. 公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南[S ].

　　[2]　JTG F30- 2003, 公路水泥混凝土路面施工技術規范[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規程[S].