公路工程混凝土膨脹劑應用技術

摘　要: 主要介紹了2006 年交通部新頒布的《公路工程水泥混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》中膨脹劑的品種、適用范圍、性能等及其在公路水泥混凝土路面工程中的應用技術。目的是用好膨脹劑, 并防止使用中出現不應有的質量問題。

關鍵詞: 公路工程; 水泥混凝土; 膨脹劑; 應用技術

　　膨脹劑是一種在公路水泥混凝土結構工程中使用較多的一種無機礦物摻合料, 同時也是出現工程事故較多的摻合料。一般公路的預應力鋼筋混凝土橋梁絕大多數是先簡支后連續(xù)的多跨連續(xù)剛構, 此時一定會有橋梁后澆帶及后張區(qū), 為了防止后澆帶水泥混凝土開裂, 確保后澆帶的連續(xù)性和工程質量,必須使用膨脹劑, 將后澆帶混凝土做成膨脹混凝土。

　　另外, 公路水泥混凝土工程中有相當多的薄壁結構,為了控制這些薄壁結構不開裂或少開裂, 一種行之有效的方法是摻膨脹劑將薄壁結構用的混凝土制成補償收縮混凝土。公路特大型橋梁的超大基礎或斜拉橋、懸索橋大體積錨墩, 可以使用補償收縮或微膨脹混凝土控制這些超大、超長混凝土結構不預留結構伸縮縫或達到抗裂目的。其次, 膨脹劑可以制成化學自應力的鋼筋混凝土涵管。盡管在公路水泥混凝土工程中膨脹混凝土和補償收縮混凝土有較多的使用, 但是, 一方面, 我們需要普及膨脹劑的利用技術知識; 另一方面, 需要解決好膨脹劑應用中出現的各種問題。

　　膨脹劑在水泥混凝土結構工程中有3 大用途:(1) 補償收縮的抗裂混凝土; (2) 后澆帶等處使用的膨脹混凝土; (3) 鋼筋混凝土構件使用的自應力混凝土。當然它們也可以對應三類膨脹砂漿。補償收縮、膨脹、自應力等3 種混凝土對應其膨脹量由低到高,膨脹劑摻量由小到大, 一般硅酸鹽水泥類摻硫鋁酸鹽膨脹劑: 補償收縮混凝土摻量為6%～ 10%; 膨脹混凝土為8%～ 15%; 自應力混凝土為10%～ 20% ,最高可達25%。首先, 膨脹劑到底屬于化學外加劑還是礦物摻合料, 多年以來, 不少技術人員爭論不休, 本指南經過專家反復論證, 將膨脹劑歸在摻合料中。一是其具有礦質材料和火山灰活性特征, 且摻量大于外加劑規(guī)定摻量; 二是使用時不可使用溶液, 必須按水泥和摻合料一樣, 使用粉末; 三是由于膨脹劑實質上是硫鋁酸鹽水泥, 所以, 摻入混凝土中時, 必須使用等量取代水泥法, 絕不可使用其他摻合料的外加法或超量取代法。

　　其次, 摻膨脹劑混凝土的膨脹, 一是必須受鋼筋限制或邊界約束, 否則, 在自由膨脹的條件下不可能建立起膨脹壓應力, 因此, 也就無法限制混凝土結構的開裂; 二是膨脹劑在混凝土中的膨脹量, 只發(fā)生在混凝土硬化10～ 14 d, 是硬化初期的混凝土, 如果膨脹劑引發(fā)的膨脹是在混凝土完成水化硬化(28 d) 以后產生的, 那末它就是我們稱之為高硫型水化硫鋁酸鈣的“水泥桿菌”, 會造成混凝土結構完全粉碎化破壞。限制膨脹率的試驗表明: 最大膨脹量最晚出現在14 d 以內, 此時, 混凝土確實有膨脹, 但是硬化完成后的28 d 膨脹混凝土, 不會再產生膨脹了, 此時的膨脹混凝土與普通混凝土的變形開裂特征并無二致, 完全相同, 該怎么裂就怎么裂。了解這些特征很重要, 用好膨脹劑是有條件的, 不是有些人想象的那樣簡單, 只要用上膨脹劑, 水泥混凝土結構的開裂問題就一勞永逸地解決了。結果是使用膨脹劑引起了不少的返工和工程事故, 本文的目的就是要普及膨脹劑使用的科學技術, 在公路水泥混凝土結構中杜絕此類事故的頻繁發(fā)生, 降低使用膨脹劑出現工程事故的機率。

　　本文不僅介紹了膨脹劑的主要品種、性能指標、適用范圍、施工技術與質量檢驗, 由于膨脹劑的使用并不僅局限在水泥混凝土中, 公路工程上有不少場合是將膨脹劑摻入砂漿, 制成膨脹砂漿來使用, 所以本文同時介紹了膨脹砂漿的技術性能和使用要求。

1　主要的膨脹劑品種

　　(1) 硫鋁酸鈣類: 明礬石膨脹劑、硫鋁酸鈣膨脹劑、硫酸鈣(石膏) 膨脹劑及鋁酸鈣膨脹劑, 其與水泥和水拌和, 經水化反應生成鈣礬石膨脹組分。

　　(2) 氧化鈣類: 氧化鈣、氧化鎂膨脹劑, 其與水泥和水拌和, 經水化反應生成氫氧化鈣、氫氧化鎂膨脹組分。

　　(3) 硫鋁酸鈣- 氧化鈣復合膨脹劑。

2　膨脹劑的性能指標

　　(1) 膨脹劑的性能: 膨脹劑及其混凝土性能指標應符合表1 的規(guī)定。氧化鎂、含水率、總堿量的試驗方法應按《水泥化學分析方法》(GB／T 176 -1996) 進行; 氯離子含量檢測方法應按《水泥原材料中氯的化學分析方法》(JC／T 420- 91) 進行。細度及混凝土凝結時間、抗壓強度、彎拉強度試驗方法應按《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTJ 053- 94)進行。

　　(2) 補償收縮混凝土的性能應符合表2 的規(guī)定。

　　(3) 填充膨脹混凝土的性能應符合表3 規(guī)定。

　　(4) 膨脹砂漿的性能應符合表4 的規(guī)定, 灌漿用膨脹砂漿的抗壓強度采用無振動成型, 拆模、養(yǎng)護和強度檢驗應按《水泥膠砂強度檢驗方法(RSO 法) 》(GB／T 17671- 1999) 進行。

3　膨脹劑適用范圍

　　(1) 膨脹劑的適用范圍參見表5。

　　(2) 氧化鈣類膨脹劑不得用于海水和有硫酸鹽侵蝕性環(huán)境的水泥混凝土結構。

　　(3) 摻膨脹劑的混凝土適用于結構邊界約束、鋼筋約束條件下的水泥混凝土結構和填充性水泥混凝土結構, 不適用于可自由伸縮的水泥混凝土結構。

4　摻膨脹劑的水泥混凝土施工

4．1　水泥和膨脹劑的要求

　　注: 細度用比表面積和1．25 mm 篩篩余或0．08 mm 篩篩余和1．25 mm篩篩余表示, 仲裁檢驗采用比表面積和1．25 mm 篩篩余。

　　(1) 水泥: 不得使用硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥和高鋁水泥。

　　(2) 膨脹劑: 膨脹劑運至工地或攪拌站后, 應進行限制膨脹率檢驗, 合格后方可入庫、使用。由各類膨脹劑帶入每m 3 混凝土的含堿量, 可參照表6 給出的膨脹劑含堿量(% ) 乘以其膨脹劑摻量(kg／m 3) 計算確定。

4．2　摻膨脹劑水泥混凝土的配合比設計

　　(1) 應符合《普通混凝土配合比設計規(guī)程》(JGJ55- 2000) 的相關規(guī)定及表2、表3 中限制膨脹率和限制干縮率的規(guī)定。

　　(2) 水泥強度等級不應低于32．5 級, 最小水泥用量和常用摻量應符合表7 的規(guī)定。

　　(3) 水膠比不宜大于0．50。

　　(4) 膨脹劑摻量的確定方法: 膨脹劑應等量取代水泥, 并按等量取代法計算摻量。膨脹劑的實用摻量通過試驗優(yōu)選確定。膨脹劑摻量除滿足設計強度等級、抗?jié)B等級外, 還應符合表2 和表3 中限制膨脹率和干縮率的規(guī)定。

　　注: (1) 膨脹劑常用摻量范圍與膨脹劑品種有關, 本摻量僅指硫鋁酸鈣類膨脹劑, 氧化鈣類膨脹劑摻量一般僅為3%～ 5%。

　　(2) 用于抗?jié)B的補償收縮混凝土及摻入粉煤灰時的混凝土最小水泥用量不宜小于280 kg／m 3。

　　(5) 摻膨脹劑的泵送混凝土和高性能混凝土, 宜摻入其他摻合料。摻合料用量的確定方法: 水泥、膨脹劑和摻合料作為膠凝材料總量, 以此總量按等量取代法或超量取代法計算其他摻合料摻量。膨脹混凝土中摻合料摻量應通過試驗確定。

　　(6) 與外加劑復配使用方法: 膨脹劑可與外加劑復合使用, 但必須具備良好的適應性, 并不得使用氯鹽類外加劑。膨脹劑與防凍劑復合使用宜慎用。膨脹混凝土使用的外加劑品種和摻量應通過試驗優(yōu)選確定。

4．3　膨脹混凝土拌和

　　(1) 攪拌機械必須為強制式攪拌機(樓) , 膨脹劑應以粉狀拌和使用, 拌和時間比普通混凝土應延長20～ 30 s。

　　(2) 摻膨脹劑的混凝土坍落度損失略快, 必要時可采用適應的緩凝劑或緩凝減水劑進行調整。

4．4　膨脹混凝土澆筑

　　(1) 在計劃澆筑段內應連續(xù)澆筑, 不得中斷。

　　(2) 澆筑應階梯式推進, 澆筑間隔時間不得超過混凝土的初凝時間。振搗應密實, 不得漏振、欠振和過振。

　　(3) 為防止沉縮裂縫和新老混凝土結合開裂, 終凝前, 應采用機械或人工多次抹壓表面。

4．5　膨脹混凝土的養(yǎng)生

　　(1) 對于大體積混凝土和大面積混凝土, 宜采用有效的保濕措施, 養(yǎng)生時間不應少于14 d。

　　(2) 對于擋土墻、薄壁橋墩、箱梁、T 梁等不易保濕養(yǎng)生的結構, 宜噴灑養(yǎng)生劑或安裝水管噴淋, 拆模時間不應早于10 d, 拆模后宜噴灑養(yǎng)生劑或包裹保濕膜或塑料薄膜, 養(yǎng)生天數應根據膨脹混凝土達到設計強度的80% 確定。

　　(3) 低溫施工, 應采用塑料薄膜和保溫材料覆蓋保溫保濕養(yǎng)生, 養(yǎng)生期最短不應少于14 d。對于擋土墻、薄壁橋墩、橋臺等帶模養(yǎng)生期最短不應少于21 d。

4．6　填充膨脹砂漿施工

　　(1) 填充膨脹砂漿的水料比一般宜為0．14～0．16, 拌和時間不宜少于3 m in。

　　(2) 填充膨脹砂漿可使用人工或機械填充方式,澆筑時可用竹條或鋼筋往復拉動疏導, 不得使用機械振搗, 必須從一側灌漿, 另一側留排氣孔。

　　(3) 膨脹砂漿宜使用覆蓋灑水養(yǎng)生, 養(yǎng)生期不應少于7 d。養(yǎng)生期間, 當最低氣溫低于5℃時, 應采取保濕及保溫覆蓋養(yǎng)生措施。

5　膨脹混凝土質量檢驗

　　(1) 摻膨脹劑的水泥混凝土應以實測抗壓強度、限制膨脹率和限制干縮率為質量檢驗指標。有抗?jié)B性和抗凍性要求時, 還應做抗?jié)B性和抗凍性檢驗。檢驗批量按滿足膨脹混凝土質量控制要求確定。

　　(2) 限制膨脹率和限制干縮率試驗方法應按本指南附錄R 11 進行, 抗壓強度、抗?jié)B性和抗凍性試驗方法應按《公路工程水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTJ 053- 94) 的規(guī)定進行。

　　(3) 膨脹劑的稱量允許誤差為±1%。

6　結語

　　本文介紹了2006 年交通部新頒布的《公路工程混凝土外加劑與摻合料應用技術指南》中編寫的膨脹劑在公路水泥混凝土工程中的應用技術, 以加深公路工程技術人員對膨脹劑的認識, 保證實現公路水泥混凝土工程使用膨脹劑的三大技術目的: 補償收縮抗裂混凝土; 膨脹混凝土; 自應力混凝土, 防止頻發(fā)的膨脹劑引起的工程事故和返工, 確保公路膨脹混凝土工程結構的質量和使用耐久性。

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]　中國混凝土外加劑協會. 混凝土外加劑標準應用指南[S]

　　[3]　GTJ F30- 2003, 公路水泥混凝土路面施工技術規(guī)范[S]

　　[4]　GB50119- 2003, 混凝土外加劑應用技術規(guī)范[S ]

　　[5]　JC476- 2001, 混凝土膨脹劑[S ]