公路工程混凝土緩凝劑應用技術

摘　要: 為配合交通部2006 年發(fā)布的《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》的宣貫, 介紹了公路水泥混凝土結構工程中使用的緩凝劑與緩凝型減水劑的主要品種、適用范圍和施工技術應用, 期待在公路水泥混凝土工程中正確使用緩凝劑與緩凝型減水劑, 以確保熱天施工的水泥混凝土密實度和工程質量。

關鍵詞: 公路工程; 水泥混凝土; 緩凝劑; 緩凝型減水劑

　　隨著公路水泥混凝土工程的快速發(fā)展, 水泥混凝土外加劑的應用已成為高性能水泥混凝土不可缺少的第五組分, 通過不同的外加劑, 可以使水泥混凝土由新拌時的流變性能到硬化后的力學性能及耐久性能得到根本改善和提高。在公路水泥混凝土工程中合理地選擇和使用外加劑, 可以提高公路水泥混凝土結構工程建造質量, 尤其對于質量要求較高的橋梁、隧道、涵洞及路面等工程中的薄壁水泥混凝土結構, 外加劑的使用是非常必要的。

　　特別是在夏季熱天施工的水泥混凝土工程中,幾乎沒有不使用緩凝劑的。例如, 滑模攤鋪水泥混凝土路面的熱天施工, 如果不摻緩凝劑, 運到滑模攤鋪機前方的新拌水泥混凝土很快硬化, 螺旋布料器已經輸送不動了, 強行攤鋪只會造成大面積麻面, 不得不返工、鏟掉重鋪。又譬如, 為了提高水泥混凝土的質量,我國在高速公路工程水泥混凝土施工中推行使用攪拌站集中拌和, 用水泥混凝土罐車將新拌水泥混凝土運輸?shù)綕仓F(xiàn)場, 不少使用泵送水泥混凝土工藝、運距較遠的集中拌和水泥混凝土, 特別是泵送水泥混凝土, 熱天施工時, 必須使用緩凝劑、緩凝型減水劑或緩凝型高效減水劑, 否則, 該水泥混凝土將無法振搗密實, 更無法保證其強度等力學性能和耐久性。

　　緩凝劑是一種延緩新拌水泥混凝土凝結硬化的專用外加劑, 在水泥混凝土工程中的最大用途是延緩初凝時間, 保證新拌水泥混凝土在施工過程中始終處在便于振搗抹面等施工操作的塑性狀態(tài)。高強水泥混凝土使用高效減水劑時, 不僅熱天, 即使在一般氣溫下, 坍落度損失也較大, 輕則水泥混凝土泵送不了, 重則水泥混凝土無法振搗密實, 因此, 一般氣溫下的泵送水泥混凝土, 也必須使用緩凝劑。

　　眾所周知, 水泥是一種高堿性材料, 降低其堿性就可起到緩凝作用, 所以, 一般的酸類均可用作水泥混凝土的緩凝劑。某些普通減水劑, 如木鈣、糖鈣等,既具有減水作用, 也具有緩凝作用, 這類緩凝型減水劑復配高效減水劑的效果比復配單純緩凝劑更好?？偠灾? 緩凝劑已經成為一種熱天施工水泥混凝土必備的常規(guī)外加劑。本文僅對緩凝劑及緩凝型減水劑的主要品種、適用范圍, 并結合公路工程水泥混凝土結構施工技術應用等注意事項做詳細的介紹。

1　緩凝劑的主要品種和分類

　　緩凝劑主要是抑制水泥水化反應, 使新拌水泥混凝土較長時間保持塑性, 以便順利完成泵送、澆筑、振搗與飾面等各種水泥混凝土施工工序, 并提高施工效率。從確保施工質量的角度看, 緩凝劑最主要的作用是在熱天延長新拌水泥混凝土的初凝時間,防止過大的坍落度損失。新拌水泥混凝土使用緩凝劑, 是熱天確保其振搗密實度最重要的施工手段和技術措施之一。

　　緩凝劑主要分為有機和無機2 大類, 具體品種和化學成份見表1。

2　緩凝劑及緩凝型減水劑的適用范圍

　　在公路水泥混凝土工程中, 緩凝劑主要用于水泥混凝土結構工程熱天施工控制坍落度損失, 解決水泥混凝土結構連續(xù)澆筑、降低水泥混凝土水化熱、泵送、滑模等特殊機械工藝下的施工質量難題。

　　(1) 在炎熱氣候條件下, 為減少和控制水泥混凝土施工過程中的坍落度損失、延緩水泥混凝土凝結時間, 可摻入緩凝劑。依據(jù)水泥水化動力學, 水泥混凝土拌和物的溫度由20℃提高到30℃時, 溫升值增大10℃, 水泥的水化反應將加快1 倍, 水泥混凝土凝結硬化加速, 從而影響到新拌水泥混凝土各項可施工性能; 加入緩凝劑后, 延遲水泥的水化反應, 施工中有充分的時間滿足較長距離的運輸或特殊機械工藝的施工, 保證了水泥混凝土的振搗密實度和施工質量。自流平免振水泥混凝土、泵送水泥混凝土、鋼管水泥混凝土、預拌商品水泥混凝土、預填集料水泥混凝土、滑模水泥混凝土、拉模施工的水泥混凝土及其他需要延緩凝結時間的水泥混凝土都可摻入緩凝劑。在推薦摻量范圍內, 檸檬酸延緩水泥混凝土凝結的時間一般約8～ 19 h、氯化鋅延緩約10～ 12 h、糖蜜延緩約2～ 4 h、木鈣延緩約2～ 3 h。

　　(2) 為緩解水化熱溫度裂縫和減少溫控費用, 大體積水泥混凝土中可摻入緩凝劑。緩凝劑的緩凝機理主要是抑制水泥中的C3A 和C3S 水化反應, 從而使水泥的水化放熱峰時間推遲, 降低其早期水化熱,從而可以緩解大體積水泥混凝土工程施工時早期水化熱較高引起的溫度裂縫。但要注意: 緩凝劑只能消減水泥水化放熱的峰值, 延長放熱峰值出現(xiàn)的時間,使放熱過程拉長、劇烈的放熱溫升過程線更加平緩,當水泥混凝土達到相同強度時, 即水泥混凝土水化深度相同時, 總放熱量并不能減小。因此, 大體積水泥混凝土不可能僅靠使用緩凝劑來徹底解決水化熱引起的開裂問題, 必須輔助其他的降溫措施。

　　(3) 熱天施工的隧道襯砌、橋(涵) 面鋪裝、碾壓水泥混凝土、路面等薄壁水泥混凝土應摻入緩凝劑。

　　(4) 連續(xù)澆筑避免出現(xiàn)冷縫的水泥混凝土結構、大跨徑橋梁構件中的水泥混凝土應摻入緩凝劑。

　　(5) 緩凝型高效減水劑可制備高性能水泥混凝土以及高性能水泥混凝土路面。僅摻減水劑的水泥混凝土, 雖然可得到低的水灰比、較高的抗壓強度和彎拉強度, 但其坍落度的損失也較大; 復配緩凝劑后可延緩坍落度的損失速率, 使水泥混凝土在施工所需的時間內具有良好的流動性、可泵性和可澆筑性,提高了澆筑、泵送或攤鋪水泥混凝土結構的密實性、平整度及外觀質量。同時, 緩凝型減水劑可延長水泥混凝土凝結時間, 降低硬化過程中水泥水化時的放熱速度, 一定程度上避免了溫度應力引發(fā)的水泥混凝土裂縫, 具有較好的抗裂性, 從而具有較好的抵抗動載能力。

　　(6) 緩凝型減水劑不宜用于日最低氣溫為5℃(日平均氣溫為10℃) 以下的低溫施工水泥混凝土,不宜單獨用于有早強要求的快通水泥混凝土、鋼筋混凝土、預應力鋼筋混凝土及蒸養(yǎng)水泥混凝土構件。

　　(7) 羥基羧酸類緩凝劑不宜單獨用于公路工程中水泥用量很低、水灰比較大的貧水泥混凝土。羥基羧酸類緩凝劑(如檸檬酸、酒石酸鉀鈉等) 用于水泥用量很低、水灰比較大的貧水泥混凝土時, 除了緩凝作用外, 同時也增大貧水泥混凝土泌水、離析現(xiàn)象,和易性、粘聚性降低, 水泥漿的流失較嚴重, 導致其密實度不足、抗?jié)B性和強度下降。因此, 在貧水泥混凝土中不宜單獨使用羥基羧酸類緩凝劑。

3　緩凝劑及緩凝型減水劑的施工應用技術

3．1　外加劑的適應性檢驗

　　公路水泥混凝土工程選用外加劑時應首先做適應性檢驗。摻用含有糖類及木質素磺酸鹽類物質的緩凝型減水劑的水泥混凝土施工前, 應檢驗與所用水泥在該氣溫下的適應性, 合格后方可采用。緩凝型減水劑與水泥的化學定性不適應, 主要來自作為水泥調凝劑的石膏種類。當使用二水石膏做調凝劑時,其凝結正常。當所使用的水泥調凝劑為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(yè)廢渣石膏等, 會產生假凝現(xiàn)象。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, 其檢驗方法參見《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》附錄D。

　　緩凝型減水劑除了水泥調凝劑所用的變種石膏帶來的定性不適應問題外, 在大多數(shù)情況下, 還有定量不適應問題。定量不適應是指緩凝型減水劑所帶來的緩凝時間和減水率遠不及基準水泥制作的緩凝水泥混凝土, 其主要原因來自于所用水泥中的鋁酸三鈣含量偏高。鋁酸三鈣具有對外加劑強烈的吸附作用。定量的不適應性可以通過提高緩凝型減水劑摻量來解決, 解決不了, 再更換外加劑或水泥。定量的不適應性應通過所用的水泥與基準水泥所配制的水泥混凝土初凝時間和減水率試驗來進行檢驗和甄別, 也可通過外加劑廠家用基準水泥混凝土試驗所提供的產品減水率與現(xiàn)場水泥混凝土的減水率差值來發(fā)現(xiàn)。一般, 減水率差值超過3% , 即表明該緩凝型　　減水劑與所用水泥存在定量不適應問題。如果這個差值影響到了水泥混凝土強度及其他力學性能, 就應該采取相應的技術措施解決之。

3．2　緩凝劑的摻法和最佳摻量

　　緩凝型外加劑應以溶液與拌和水同時摻入拌和物中, 溶液中的水量應從拌和水中扣除; 粉劑在現(xiàn)場配制溶液時, 應提前1 d 配好, 使其充分溶解, 攪拌均勻后使用。溶液中的緩凝型外加劑固體沉淀物, 必須及時清除。嚴禁使用分層或已沉淀的緩凝型外加劑溶液拌制水泥混凝土。難溶、不溶物含量較多或常溫溶解度較低的緩凝劑可采用干摻法, 并延長攪拌時間30 s。緩凝型外加劑可與其他外加劑, 如引氣劑、泵送劑、防水劑等, 復合使用。若復配溶液產生絮凝或沉淀現(xiàn)象, 應分別配制, 分別加入。

　　使用緩凝型外加劑施工時, 應根據(jù)現(xiàn)場氣溫或水泥混凝土拌和物溫度、凝結時間、運距、停放時間、強度等選擇適宜的品種, 并確定最佳摻量。最佳摻量為通過各項性能試驗優(yōu)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適合本工程施工環(huán)境、工藝、原材料、配合比和結構類型等條件的摻量。當條件改變時, 最佳摻量應另行試驗優(yōu)選。常用的緩凝劑和緩凝型減水劑的摻量(按水泥重量的百分數(shù)計) : 密糖類摻量為011%～ 013%;木質素磺酸鹽類為012%～ 013%; 羥基羧酸及其鹽類為0103%～ 011%; 無機緩凝劑為011%～ 012%

3．3　摻緩凝劑和緩凝型減水劑水泥混凝土的性能要求

　　公路水泥混凝土結構工程中摻緩凝劑和緩凝型減水劑水泥混凝土的性能要求應符合表2 的規(guī)定,具體試驗方法參見《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》。使用緩凝型外加劑的計量必須正確。緩凝劑和緩凝型減水劑的摻量差別較大, 一定不可將摻量數(shù)量級搞錯, 施工中已經出現(xiàn)多起由于緩凝型減水劑摻量差一個數(shù)量級(10 倍) 而水泥混凝土幾天或1 周都不凝固的事故。盡管該水泥混凝土最終會凝結硬化, 但由于緩凝劑摻量超過太多, 緩凝時間過長, 水泥混凝土即使有強度, 其最終強度已經無法滿足結構的設計強度要求, 不得不返工重做。

　　注: (1) 表2 所列減水率、泌水率比、凝結時間差、抗壓強度比、彎拉強度比、收縮率比的數(shù)據(jù)為摻外加劑受檢水泥混凝土與基準水泥混凝土差值或比值; (2) 凍融循環(huán)次數(shù)應滿足相對動彈性模量值≥80% 時的最大循環(huán)次數(shù), 有抗凍要求時應檢驗凍融循環(huán)次數(shù), 無抗凍性要求時此項免檢; (3) 凝結時間指標的“- ”表示提前,“+ ”表示延緩; (4) 彎拉強度比、磨耗量為路面水泥混凝土要求的檢項。

　　施工中當氣溫變化、運距和運輸時間變動時, 可微調其摻量, 應始終保持水泥混凝土拌和物具備良好的施工操作性, 并能達到規(guī)定的密實度及外觀質量等要求。

3．4　摻緩凝型外加劑水泥混凝土的養(yǎng)生

　　當氣候炎熱及風力較大時, 摻緩凝型外加劑的水泥混凝土保持在塑性狀態(tài)的時間較長, 表面水分蒸發(fā)時間也加長, 在氣候炎熱、風力較大或蒸發(fā)率較大時, 更容易產生塑性收縮開裂, 低水膠比的高性能水泥混凝土還易產生自身體積收縮裂縫。因此, 在水泥混凝土澆筑、振搗后應及時多遍抹壓, 并應在水泥混凝土表面硬化或變色前立即噴霧或噴灑養(yǎng)生劑保濕養(yǎng)生, 水泥混凝土終凝后應立即開始澆水養(yǎng)生; 當氣溫較低時, 在保濕養(yǎng)生的同時, 應加強保溫養(yǎng)生,可覆蓋保溫保濕養(yǎng)生膜、深(黑) 色塑料薄膜和吸(蓄) 熱保溫材料。不同氣溫時的養(yǎng)生天數(shù)要求應比摻普通減水劑或高效減水劑的公路工程水泥混凝土的養(yǎng)生天數(shù)(見表3) 延長3～ 5 d, 氣溫在20℃以上時最少養(yǎng)生天數(shù)不應少于14 d。

4　結語

　　在現(xiàn)代水泥混凝土工程施工中, 緩凝劑和緩凝型減水劑的使用越來越普遍, 其在水泥混凝土中摻量雖很少, 但對熱天施工的水泥混凝土工作性能影響很大。緩凝劑是配合滑模攤鋪、連續(xù)澆筑、泵送、大體積水泥混凝土施工等先進施工工藝必不可少的一類外加劑品種, 緩凝劑的過量使用會造成水泥混凝土的嚴重緩凝, 還會降低水泥混凝土后期強度, 造成工程質量事故。本文的目的是指導公路工程技術人員合理地選擇和使用緩凝劑和緩凝型外加劑, 達到其預期的使用效果: 改善熱天澆筑水泥混凝土的工作性能, 從而確保水泥混凝土結構的密實度、強度等力學性能, 確保平整度等表觀質量及耐久性。

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