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高速公路混凝土路面对水泥的路用品质技术要求

傅 智         李 红

(交通部公路科学研究所 北京市 100088)    (北京建筑工程学院 北京市 100044)

  [摘要] 高速公路水泥混凝土路面工程中使用的水泥是最关键的胶凝材料, 其性能的优劣直接关系到高速公路的质量和使用寿命。作者结合大量工程实践, 在文中总结和研究了高速公路水泥混凝土路面水泥的各项路用品质技术要求, 在确保高速公路水泥混凝土路面工程质量的前提下, 实现公路和水泥行业共同发展。

 

 关键词 高速公路 水泥 路用品质 技术要求

 

文献标识码:B

 

  高速公路水泥混凝土路面的大发展为水泥工业的发展提供了良好机遇, 目前在我国的一些不出产沥青的省区, 为了带动当地国民经济的发展, 越来越多地采用水泥混凝土路面。此时, 水泥与公路两个行业应该携手并肩, 改善水泥的路用品质, 在保障和提高水泥混凝土路面的质量和使用耐久性的前提下, 实现公路和水泥两个行业的共同发展。

在高速公路水泥混凝土路面工程中, 水泥是最重要的原材料, 它是混凝土胶凝材料, 其技术性能的优劣直接关系到高速公路的质量和使用寿命。因此,建设优质高速公路水泥混凝土路面必须高度重视所用水泥的路用品质。满足建筑业和其它土木工程行业使用要求的水泥, 不一定符合公路混凝土路面工程的使用要求, 它必须符合特定的路用品质要求, 特征如下: ①在设计、施工和检验中所使用的首要力学指标是水泥和混凝土的抗折强度, 不是抗压强度, 这是承受弯曲断裂和冲击作用路面结构的必然要求;②水泥路面是动载疲劳结构, 不是一般的静载工程结构, 水泥耐疲劳极限的大小, 对混凝土路面使用寿命影响很大; ③水泥混凝土是刚性材料, 水泥的温度、湿度收缩变形性能对路面开裂及接缝运行状态有很大关系; ④水泥混凝土路面是野外露天使用的结构, 水泥混凝土工程结构中各种耐久性问题, 它都会碰到。所以说, 水泥混凝土路面是使用条件相当苛刻、严酷的一类工程结构物, 相应地对水泥的技术要求与其它土木工程行业有许多不同, 其技术指标要严格得多, 性能要求也高得多。

目前, 在我国高速公路上, 随着公路行业大规模推广现代化的滑模机械施工技术, 水泥混凝土路面的施工质量有了根本的改善, 水泥路用品质的优劣,成为影响水泥混凝土路面质量的首要因素。目前发现水泥混凝土路面破损速度最快的有3 种形式: ①东北高寒地区, 洒除冰盐2~ 3 个月后路面的表面砂浆就脱落; ②水泥中的游离氧化钙和氧化镁含量偏大, 水泥混凝土路面在使用1 年左右就自动崩溃了;③刚刚建成的水泥混凝土路面表面存在塑性收缩、温度、湿度收缩裂缝和早期断板。工程经验表明, 这些快速的水泥混凝土路面的破坏均发现水泥有严重的质量和路用品质问题。在本文中总结和研究了高速公路水泥混凝土路面用水泥的各项技术要求, 供水泥和公路两个行业专业人士参考。

 

1 高速公路对路用水泥的技术要求

1.1 水泥的品种

高速公路水泥混凝土路面应采用抗折强度高、收缩小、耐磨性强、抗冻性好的道路硅酸盐水泥、硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥, 中等以下交通量的路面允许采用矿渣硅酸盐水泥。我国道路水泥标准GB 13693- 92的各项技术指标, 基本上符合高速公路水泥混凝土路面使用技术要求。在各等级的公路水泥混凝土路面工程中, 应优先使用道路水泥。

但在实际推行使用道路水泥时, 遇到两个问题:一是某些水泥厂生产的道路水泥, 不是在水泥配料和烧成矿物上做工作, 而在硅酸盐水泥熟料磨细过程中掺其它物质当做道路水泥出售, 这样的道路水泥制得的混凝土抗折强度远不如普通水泥。二是道路水泥是特种水泥, 销售价格偏高, 道路硅酸盐水泥比普通水泥在单价上每吨高35~ 50 元。因此, 一方面要求水泥厂道路水泥要货真价实, 并尽可能降低售价; 另一方面, 呼吁公路行业, 在投资能够承受的条件下, 应尽可能在水泥混凝土路面工程中优先使用道路水泥。

国内外的工程实践均表明, 改进路用品质后的普通水泥亦能满足高速公路水泥混凝土路面建设的需要。本文的基本立论就是如何改进普通水泥技术指标以适应高速公路水泥混凝土路面建设的需要。

1.2 水泥的烧成方式

在作者编制的《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程》JTJ/T 037.1- 2000 (简称规程) 中, 高速公路混凝土路面用各种水泥推荐采用旋窑生产的质量稳定、性能可靠的水泥, 除非特殊情况, 不得使用立窑生产的水泥。对特重交通、高速公路、一级公路水泥混凝土路面特别规定应使用旋窑水泥。主要理由是立窑水泥的游离氧化钙和三氧化硫含量较高、水泥性能稳定性较差。因为立窑水泥, 一窑和另一窑烧成质量有差异; 同一窑中, 窑底部和上部、中间和边缘烧成温度和煅烧条件均不同。立窑熟料中, 矿物成分、抗折强度和质量变异性均较大。实际工程中检验出的问题很多。例如其游离氧化钙含量超过3%和氧化镁含量超过7% 很常见, 连安定性也经常会出问题。我国年产5.6 亿吨水泥中, 只有1.8 亿吨水泥是回转窑生产的, 仅占1/3 左右, 许多地方有可能没有旋窑水泥。在这种特殊条件下, 我们允许高质量立窑水泥在II级以下公路上使用。

1.3 水泥的抗折强度与标号

各级交通路面适用的水泥品种及标号见表1。

表1 各级交通路面适用的水泥品种及标号

交通等级

水泥抗折强度/MPa

水泥品种和标号

备注

特重

≥7.5

旋窑道路水泥525号、硅酸盐水泥625号、普通水泥625号

硅酸盐水泥525号、普通水泥525号、道路水泥425号,实测弯拉强度达到要求可以使用

≥7.0

旋窑道路水泥425号、硅酸盐水泥525号、普通水泥525号

硅酸盐水泥425号、普通水泥425号,实测弯拉强度达到要求亦可用

中等、轻

≥6.5

道路水泥425号、硅酸盐水泥425号、普通水泥425号、矿渣水泥425号

所有水泥无论标号大小,施工时均应以抗折强度满足要求为准

注: 此表摘自《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程》JTJ/T 037.1- 2000[9]。

《规程》特别强调, 无论水泥标号多少, 均应以其实测抗折强度为准来选择和使用。现行水泥规范中所规定的标号由抗压强度确定, 并不完全代表水泥的抗折强度, 而混凝土路面的第一力学指标是其弯拉强度。若水泥的抗折强度不高, 即使抗压强度和标号满足设计规范的要求, 也可能做不到设计加施工保证率所要求的试配混凝土弯拉强度≥5.5~ 5.75M Pa 以上的要求。所以, 应以水泥实测抗折强度≥7.5M Pa 来选择高速公路混凝土路面用水泥, 特重交通量、严重超轴载高速公路要求水泥的抗折强度宜≥8.0M Pa。

硅酸盐水泥和普通水泥各种标号中规定了R型早强水泥, R 型水泥不适应在高速公路混凝土路

面上常温和高温施工季节使用, 只能选用在快通混凝土路面、快速修复工程和冬季施工中。原因是R型早强水泥的水化放热量大, 温峰值高而集中, 凝结时间相对较短, 不利于控制断板、温度裂缝和混凝土远距离运输, 特别是在夏季热天施工, 不得采用。但在冬季负温条件下, 有利于蓄热保温和养生, 尽早达到抗冻临界强度。冬季施工, 推荐采用R 型水泥。

1.4 高速公路用水泥的化学成分

实现水泥较高抗折强度的熟料矿物物理化学基础是采用较高含量的铁铝酸四钙、硅酸三钙和优化其微细颗粒级配等。应该保证混凝土路面用水泥的硅酸三钙含量不小于50% , 铝酸三钙含量不大于7% , 铁铝酸四钙含量不低于14% (道路水泥则不得小于16% )。注意: 当铁铝酸四钙的含量过高, 低水灰比时, 水泥粘聚性过大, 振动粘度系数过高, 振实能耗高, 影响路面密实度和强度, 抹面拉不开, 较难做平整路面。

水泥中的铝酸三钙含量对混凝土的水化放热量、早期强度及外加剂的适应性影响很大, 铝酸三钙含量较高的水泥尽管早期强度较高, 但水化发热大而集中, 温峰值较高, 容易产生温度裂缝和断板, 而且由于其强大的吸附作用, 几乎所有的外加剂均会带来剂量上的不适应问题。所以路用水泥中的铝酸三钙的含量宜小(不大于7% ) 不宜大。

普通水泥中掺有15% 的混合材料, 按现行规范规定可以是粒化高炉矿渣、钢渣、煤矸石、粉煤灰、火山灰、石灰石、砂岩、粘土等, 甚至还有少量窑灰。实践证明, 凡掺有火山灰、粘土、煤矸石和窑灰的水泥,体积收缩率相当大, 极易造成路面开裂和断板。特别是窑灰, 是水泥高碱度的主要来源。掺有这些混合材料的水泥不得在高速公路混凝土路面上使用。此外,最新研究表明: 石灰石严重影响混凝土路面抗盐冻性能, 冬季有抗盐冻要求的地区, 严禁在水泥中掺生石灰石粉。

水泥中的SO3含量和碱度的控制水平与水泥和混凝土中是否掺用混合材料有关。众所周知, 无论是在水泥或混凝土中使用活性混合材料, SO3含量和碱度都是混合材料的活性激发剂, 对混合材料充分发展强度有利。从混合材料吸收和消耗SO3和碱度的角度讲, 我们希望使用普通水泥或在混凝土中使用粉煤灰或硅灰, 来压制和限制SO3和碱度对混凝土耐久性造成的危害。有人提出增加SO3含量、用快速生成的钙矾石微晶纤维的方法来提高抗折强度, 有些地方在水泥路面中使用的“增折剂”就基于这个原理。本文作者也在水泥路面工程中使用过增折剂, 有一定效果, 但不明显, 强度提高幅度不大。原因可能是由于钙矾石微晶的尺度和长细比过小, 不足以达到显著增强抗折强度的效果。同时, 我们比较担心, 当水泥混凝土中SO3含量过高, 会不会产生体积不稳定或降低抗硫酸盐侵蚀的能力? 在实际工程使用增折剂的路面上, 迄今为止尚未发现硫酸盐侵蚀破坏, 看来这是较大幅度提高抗折强度的可能的途径和思路之一。

我国大量使用的膨胀剂, 主要成分是Na2SO 3。众多工程实践证明, 并未造成体积不稳定和硫酸盐侵蚀问题。笔者认为SO3含量的限制分两种情况:不掺混合材料, 限制SO3≤3.5%; 使用普通水泥和在混凝土中掺混合材料时, 控制SO3≤5.0%。

1.5 水泥的体积安定性与耐疲劳极限

经过交通部公路科学研究所“八五”攻关的研究, 表明承受动载的结构水泥与静载结构水泥相比,其高耐疲劳极限对水泥中游离氧化钙含量的要求是很严格的。我国现行水泥规范只有道路水泥中规定:游离氧化钙旋窑生产不得大于1.0% , 立窑生产不得大于1.8%; 氧化镁含量不超过5% , 蒸煮法安定性检验合格, 则放宽到6%。但是, 我国有10 000多家水泥厂, 其中大约3 000家小厂出产的水泥, 游离氧化钙的含量大大超过此规范要求, 造成严重后果。笔者有一些典型案例, 某省在国道老沥青路面上加铺水泥混凝土路面的改建工程, 使用了游离氧化钙含量高达9.7% 的425号普通水泥, 游离氧化钙的含量高出道路水泥标准要求9倍多, 结果该20 km水泥混凝土路面加铺层仅通车使用了1 年, 就全线崩溃, 第2 年多花3 倍的投资用沥青混凝土进行了重建, 这个教训是惨痛的。

我们的实验研究是在安定性合格的条件下进行的。实验表明: 当游离氧化钙的含量从0.9% 增大到2.7% , 其水泥砂浆的耐疲劳极限可相差1~ 2.5 倍,混凝土还要大一些, 达1.5~ 4 倍, 游离氧化钙含量越低的水泥, 其配制的混凝土耐疲劳极限越高。这项研究说明, 承受疲劳动载的高性能道路混凝土(包括公路水泥混凝土路面、机场跑道、公路和铁路桥梁)所使用的水泥, 应选用游离氧化钙含量尽可能低的水泥, 作为动载疲劳结构用水泥, 保证高性能道路混凝土冲击疲劳应力循环周次, 延长其使用寿命。

鉴于水泥中游离氧化钙含量和安定性对路面开裂、断板及疲劳性能影响巨大,《规程》规定: 水泥在任何公路混凝土路面施工中都应强制检验安定性,在高速公路水泥混凝土路面工程中宜采用雷氏夹检验安定性及变形性能, 并严格限制游离氧化钙含量不大于110% , 氧化镁含量不超过5% , 否则不得使用。

1.6 水泥的碱度与碱集料反应

水泥的碱度按Na2O + 0.658K2O 计算值表示,国际上公认的控制碱集料反应的最大碱度为≤

0.6%。我国民航机场规范也限制水泥的碱度不大于0.6%。在京津地区, 由于发现有较多的硅酸质碱活性集料, 除了限制水泥中碱度外, 同时还限制混凝土中的总碱量不大于3 kg/m3, 外加剂带来总碱量不大于1 kg/m3。这些规定, 对某些发现碱活性骨料的特殊地区是正确而有效的, 但若每个行业在全国都如此规定, 则过于严格,《规程》规定:“高速公路水泥混凝土路面, 当发现或怀疑有碱活性集料时, 应限制水泥的碱度≤0.6% , 并应对怀疑可能具有碱活性的岩石骨料进行碱活性集料的岩相检验。在任何情况下, 水泥碱度不得大于1.0% ”。实际上, 我国碱集料反应研究和控制很好的水利部门, 几十年来一直采用这样的规定, 从20 世纪50 年代至今, 没有发现混凝土大坝工程中产生碱集料反应造成的破坏。

1.7 水泥的干缩率

高速公路用水泥要求较小的变形性能, 干缩是其中数量最大的一项, 道路水泥的28d干缩率应不大于0.10%。影响水泥干缩的因素有: 水泥中的铝酸三钙含量越高, 干缩越大; 火山灰、煤矸石、粘土和窑灰等干缩很大的混合材料, 可能成倍增大普通水泥的干缩率; 水泥用量、水泥的细度、标准稠度用水量和水泥的烧失量(≤3% ) 偏大偏高, 均会增大干缩率。干缩率大的水泥易在施工过程中产生塑性收缩开裂, 在使用中会增加断板率。但应注意现行水泥标准对硅酸盐水泥和普通水泥没有干缩率限制, 这对高速公路使用不利。春秋季节大风天气施工时, 为了防止塑性收缩开裂, 需要检验水泥的干缩率, 控制其不大于0.10%。

1.8 水泥凝结时间

按现行水泥标准规定: 道路水泥的初凝时间不早于1 h, 终凝时间不迟于10 h; 硅酸盐水泥初凝时间不早于45min, 终凝时间不迟于390min (6.5h) ;普通水泥初凝时间不早于45 min, 终凝时间不迟于10 h。这些规定的实验检测温度规定为20±2℃。在高速公路水泥混凝土路面机械化施工中, 上述规定的初凝和终凝时间均有问题, 一是初凝时间允许值过短, 特别是夏季热天施工、远距离运输混凝土时,由于水泥的初凝时间过短, 不得不强制使用缓凝剂或缓凝减水剂来保障混凝土路面的正常摊铺; 另外,冬季负温施工, 水泥在负温和低温条件下的终凝时间又过长, 满足上述终凝时间的普通水泥, 冬季负温条件下24h 都不会凝固, 无法切缝和防止断板的产生。高速公路滑模机械施工操作要求水泥和混凝土在任何气温下的初凝时间不应短于3 h; 终凝时间任何气温下不长于10h。否则将无法完成混凝土搅拌、运输、卸料、摊铺、抹面、切缝、养生、防裂等一系列施工操作和控制措施。

1.9 水泥的抗磨性

现行水泥规范只有道路水泥有耐磨性规定, 按《水泥胶砂耐磨性试验方法》JC/T 421- 91 测得的磨损量应不大于3.60 kg/m2。抗磨性是高速公路水泥混凝土路面耐久性中的一项重要指标, 混凝土路面抗磨性定量标准目前还没有, 应该通过试验, 与水泥一样规定路面混凝土抗磨性定量控制数据。

1.10 散装水泥的出厂温度

高速公路水泥混凝土路面的大规模快速滑模机械化施工, 要求优先使用散装水泥, 保证水泥的日供给量3 000 t 左右。这对于我国水泥行业大规模推广使用无包装的散装水泥带来了机会。但是, 现行水泥标准对散装水泥的出厂温度没有限制, 在我国南方各省夏季热天的滑模机械施工中, 由于巨大的水泥日供应量, 水泥运到工地的温度在70℃~100℃之间, 混凝土搅拌时的温度在60℃~90℃之间, 已经在滑模机械化施工中带来了严重的温度开裂问题(其中亦有使用高发热量的R 型水泥问题)。散装水泥的出厂温度没有限制显然是不行的。作者按国际惯例建议高速公路应规定水泥的出厂温度不得大于55 ℃。拌和混凝土时的水泥温度不大于50℃。在冬季低温施工时, 水泥的温度不宜低于10 ℃。混凝土出搅拌机的温度宜在10℃~35℃之间。上述路用水泥的化学成分指标汇总于表2。

 

2 研究结论

2.1 高速公路混凝土路面用水泥的供销签约技术条件

在现行水泥国标中规定可按用户要求生产和供应水泥。在高速公路水泥混凝土路面建设中, 建设方或施工单位一是应指定路用品质好的水泥厂和水泥品种、标号, 二是与水泥厂签定水泥合同时, 不仅要签署供应量和日供应强度, 而且应签定路用品质的各项技术指标。如果建设方没有在水泥供销合同中签署高速公路用水泥的路用品质关键技术指标, 造成水泥混凝土路面质量问题, 应由建设方负责。供应高速公路水泥混凝土路面用水泥的厂家亦应严格遵守这些技术指标, 若水泥厂没有遵循签约双方技术指标约定, 由于水泥质量不佳或性能波动, 造成的质量事故, 应由水泥厂承担法律和经济责任。

2.2 高速公路用水泥的路用品质要求

有条件时, 应优先使用技术性能满足要求的道路水泥。除了冬季施工采用R 型水泥外, 其他施工季节均应采用普通型水泥。高速公路、一级公路混凝土路面只能使用旋窑生产的水泥。各级交通量的公路使用的水泥的抗折强度见表1。各级公路混凝土路用水泥的化学成分、混合材料、凝结时间、干缩率、抗磨性等详见表2。

表2 路用水泥的化学成分和物理指标对照

水泥性能

道路水泥

GB 13693

硅酸盐水泥

GB 175

普通水泥

GB 175

高速公路、一级公路路用水泥品质要求

其他公路

路用水泥品质要求

铝酸三钙

≤5.0% #

≤5.0% ⊙

≤7.0%⊙

铁铝酸四钙

≥16.0% #

≥15.0% ⊙

≥12.0%⊙

游离氧化钙

≤110% #

≤110% ★

≤1.0% ★

混合材料

种类掺量

0~10% 活性#

I 不掺#

II ≤5% 石灰石或矿渣#

6%~ 15% 活性

5% 窑灰,

≤10% 非活性

不得掺窑灰、煤矸石、火山灰和粘土, 抗(盐) 冻不得掺石灰石粉★

不得掺窑灰、煤矸石、火山灰和粘土, 抗(盐) 冻不得掺石灰石粉★

氧化镁

≤5.0%*

5%~ 6%*

5%~ 6% *

≤5.0% ★

≤6.0% ★

三氧化硫

≤3.5% *

≤3.5% *

≤3.5% *

≤3.5% ★

≤4.0% ★

烧失量

≤3.0% #

I ≤3.0% #

II ≤3.5% #

≤5.0% #

≤3.0%⊙

≤5.0%⊙

碱含量

供需双方商定

双方商定或活性骨料≤0.6%

双方商定或活性

骨料≤0.6%

怀疑有活性骨料应≤0.6% ,无碱活性≤1.0%⊙

怀疑有活性骨料应≤0.6% , 无碱活性≤1.0%⊙

细 度

(80 Lm)

筛余量#

≤10%

比表面积#

> 300 m2/k g

筛余量#

≤10%

筛余量≤10%⊙

筛余量≤10%⊙

初凝时间

终凝时间

不早于1 h*

不迟于10 h#

不早于45 m in*

不迟于390m in#

不早于45 m in*

不迟于10 h#

不早于3 h★

不迟于10 h⊙

不早于2.5 h★

不迟于10 h⊙

安定性

蒸煮必须合格*

蒸煮必须合格*

蒸煮必须合格★

雷氏夹或蒸煮合格★

蒸煮法检验合格★

28 d 干缩率

≤0.10% #

≤0.09%⊙

≤0.10%⊙

耐磨性

≤3.6 kg/m 2#

≤3.6 kg/m2⊙

≤3.6 kg/m 2⊙

 

 注: 1.* 号四项中, 任一项不符合标准指标者, 为废品。# 号四项中, 任一项不符合标准指标者或强度低于商品标号时, 为不合格品。★为高速公路、一级公路的施工单位按批量要求必检项目。⊙施工单位宜检验项目。

2. 此表后两栏摘自《公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程》JTJ/T 037.1- 2000。

 

参考文献

1 傅智.材料精良面板密实支撑稳固——保障水泥混凝土路面工程质量的三大要素1 公路, 1998 (6)

2 傅智.滑模混凝土配合比参数对抗折强度的影响.公路交通科技, 1997 (1) .

3  U.S.Department of T ransportation, Federal Highway A dministration.Portland Cement Concrete M aterials M anual, 1990 (8).

4 水泥混凝土路面设计规范(JTJ 012-94).

5 水泥混凝土路面施工和验收规范(GBJ 97-87).

6 傅智.高性能道路水泥研讨1 水泥工程, 1999 (1).

7 硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥(GB 175- 1999).

8 道路硅酸盐水泥(GB 13693- 92).

9 公路水泥混凝土路面滑模施工技术规程(JTJ/T 037.1-2000).

10 傅智.道路混凝土掺引气剂的研究.公路, 1998 (2).

11 傅智.道路水泥混凝土含气量控制研究.公路, 1998 (4).

 

收稿日期: 2000- 04- 26


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