高性能路面基層用水泥基材料的開發與應用

鮑迎賓， 祝一鳴， 張日華

1 洛陽路橋建設集團有限責任公司（471000） 2 洛陽市路星公路工程監理有限責任公司（471000）3 洛陽理工學院（471023）

0 引言

隨著科學技術的發展和經濟建設的需要,公路建設以前所未有的速度增長，特別是高等級（高速）公路的建設，同時對公路建設也提出了更高的要求，新建的高等級（高速）公路的路面基層基本采用水泥穩定砂礫或水泥穩定碎石方案。按照公路設計和施工的要求，對路面基層用水泥都有一些特殊性能要求，以保證施工和使用的技術需要。然而在現行的公路施工建設中，路面基層基本采用普通水泥，結果給施工質量和公路使用壽命帶來一些不良的后果,特別是干縮裂縫的技術問題。

路面基層對試樣的強度（抗壓）要求不像一般建筑高，施工中水泥的摻加量小（4%～6%），加水量小，屬于碾壓混凝土。路面基層對水泥的特殊性能要求主要表現在施工和使用性能兩個方面:施工方面要求水泥的凝結時間較通用水泥長，初凝3小時以上，終凝6小時左右；使用方面對水泥的早期強度（3 d）無特殊要求，主要檢測試樣的7天無側限抗壓強度，同時要求試體水化硬化過程中干縮性小、水化熱低，以盡可能減少基層的干縮裂縫，延長公路使用壽命。

針對路面基層對水泥的這些特殊性能要求,開發以粉煤灰為主要材料的高性能路面基層用水泥基材料。

1 技術方案

根據公路路面基層用水泥的特殊要求,結合用粉煤灰作混合材料的普通水泥性能優點及存在的技術問題,路面基層用水泥基材料以粉煤灰為主要材料,粉煤灰摻量達到50%以上。

1）采用以粉煤灰為主要原料，因此該水泥的水化熱較低，但早期強度（3天）也很低，為此采取摻加少量礦渣粉和其他混合材料進行復合，提高其早期強度。

2）采用改變石膏的摻量以及其他摻和料調整水泥的凝結時間，初凝在3小時以上，終凝6小時左右。

3）引進膨脹源，使該水泥在齡期內具有線性微膨脹的特點，減少基層干縮裂縫。

2 原料及試驗

2.1 原料的選取

1）粉煤灰:粉煤灰來自洛陽首陽山電廠的電除塵器尾部的煙道灰，屬干排粉煤灰；試驗中將粉煤灰在試驗小磨中進行粉磨，磨至45 um篩余≤12%，對試樣進行化學成分分析、28天抗壓比試驗詳細數據見表1。

表1 粉煤灰化學成分及28 d抗壓比

2）礦渣:來自濟源鋼鐵廠，試驗中采用二次粉磨的方法制備礦渣粉，礦渣粉的比表面積380m2/kg以上。

3）石膏:來自偃師水泥二廠生產用二水石膏，化學成分見表2。試驗時，將它們在試驗小磨中粉磨，石膏細度80 um篩余5%±1%。

2.2 試驗配比、結果及分析

1）試驗配比:試驗采用不同的配合比進行組合，按粉煤灰摻量50%～60%,同時摻加10%～15%的礦渣粉進行對比,具體配比見表4。

2）試驗結果

①試樣物理性能:根據公路施工對試體的檢測要求,主要檢測試體的7天無側限抗壓，因此采用GB177-85《水泥膠砂強度檢驗方法》，試驗時固定水灰比0.44，檢測水泥試樣的7天、28天強度（抗壓、抗折）;凝結時間、流動度等按照GB1346-89《水泥標準稠度用水量、凝結時間》進行。

表3 熟料礦物組成及強度

表4 公路基層水泥原料配比（%）

②試樣特殊性能:主要為水化熱、膨脹系數及安定性等，其結果見表6。

表5 試驗結果一覽表

表6 基層用水泥的性能參數（水化熱、膨脹系數及安定性）

③結果分析:只摻粉煤灰的水泥水化很慢，因此早期強度低；在此條件下，如果引入膨脹源，水化產物中出現鈣礬石；當同時摻加適量礦渣與提高石膏摻量后，有效提高了水泥的水化速度，在這種條件下，熟料、石膏、礦渣水化生成早期水化產物，由液相中的Ca(OH)2和SO42-不斷激發粉煤灰活性,使其中的活性SiO2、Al2O3與前者反應生成C-S-H凝膠和鈣礬石。主要水化產物為鈣礬石固溶大量的硅，同時體系中水化硅酸鈣凝膠固溶部分硫酸根離子,還有C2ASH8晶體存在，形成以鈣礬石和C2ASH8為骨架，C-S-H凝膠填充其間，兩者相互交織，使水泥早期產生較高強度,特別是抗折強度，而且后期強度不斷增長。鈣礬石是水泥產生微膨脹作用的根源，而且28 d后趨于穩定，但與微膨脹水泥相比，膨脹系數偏小,這與所使用的熟料礦物組成中C4AF和MgO含量偏小有關。

2.3 公路試驗及應用結果分析

采用表4中A3的配合比進行生產試驗，粉煤灰摻量為50%，委托洛陽新建水泥有限公司進行批量生產，使用的材料與試驗材料來源一致，水泥的物理性能見表7。

1）公路基層試驗:根據洛陽市目前公路基層設計和施工方案進行有關試驗,基層設計方案為水泥穩定碎石（砂礫），其中粉煤灰為電廠的原狀濕灰，設計配合比為:水泥（5）:粉煤灰（10）:碎石（砂礫）（85）。 試驗結果見表 8。

2）應用:經過小型試驗后，在洛陽的S328廟祖線改建工程LL-05標段K44+840-K45+000路面基層應用，設計方案為水泥穩定砂礫，配合比水泥（5）:粉煤灰（10）:砂礫（85），設計強度3.0 MPa。試驗結果為:最大干密度為2.23 g/cm3，最佳含水量為8.4%，7天飽水無側限平均抗壓強度為3.6 MPa，符合設計施工要求。

表7 試驗結果一覽表

表8 無機結合穩定土無側限抗壓強度試驗結果

3）結果分析:

①該材料與普通水泥相比較:混凝土的和易性改善,水化熱小，干縮小，凝結時間有所延長，為公路基層施工的拌和、運輸、攤鋪、整平、碾壓、檢測等工序，爭得了寶貴時間，從而保證了在水泥初凝之前，碾壓工序結束，終凝前檢測工序完成。因此比普通水泥更符合公路施工特性。

②與普通水泥穩定砂礫混合料的7天飽水無側限抗壓強度基本相等,都符合《公路路面基層施工技術規范》（JTJ 034-2000）和《公路工程質量檢驗評定標準》（JTGF80/1-2004）的規定，并且滿足中華人民共和國《工程建設強制性條文》中公路工程部分的規定。后期取芯飽水抗壓強度高與水泥穩定砂礫混合料相比，90天、180天的強度增長幅度不等,水泥基材料穩定砂礫混合料的后期取芯飽水抗壓強度高，略高于水泥穩定砂礫混合料，詳見取芯試驗結果表9、表10。

表9 水泥、水泥基材料穩定砂礫混合料基層的取芯結果比較（90天）

③水泥基材料穩定砂礫混合料基層的橫向裂縫（前、后期）明顯少于水泥穩定砂礫混合料基層，主要得益于水泥基材料的微膨脹性（7天大于1.0‰）。表11是兩種材料在鋪設面層前后裂縫對比數據，時間分別是:基層施工后60天，面層施工后300天。

表11 水泥、水泥基材料穩定砂礫混合料基層的橫向裂縫

4 結論

1）用50%的粉煤灰為主要原料,摻加20%左右的熟料,10%～15%的礦渣、石膏與其他組份，可以生產滿足公路基層用水泥的施工技術（強度、凝結時間）要求。

2）由于該水泥粉煤灰摻量大，同時引進了膨脹源，使水泥的齡期水化熱比低熱粉煤灰水泥低，線膨脹系數7 d達到0.1%以上，28 d0.2%左右，使該水泥具有低水化熱和微膨脹特點，有效解決了目前路面基層干縮開裂技術問題，延長公路使用壽命。

3）由于大量使用工業廢渣，因此該水泥生產符合我國的產業政策要求；產品生產成本比普通水泥低很多，經濟效益明顯。產品的開發為我國公路建設提供了新的水泥品種，具有廣泛的市場前景。