礦渣微粉在公路半剛性基層中的應用研究

馮 浩 宋宏偉 薛耀東 朱宇杰

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.南京潤程工程咨詢有限公司，南京 210000）

0 引言

近些年，受國家環保政策影響，多數石場被要求關停或整頓，影響了水泥生產原材料的供應，增加了水泥的生產成本。同時，水泥需求量受季節影響，在用量高峰季節，往往存在供不應求的狀況，影響工程進度。

礦渣微粉作為選礦或冶煉后的殘余物， 具有潛在的水硬性和較強的混凝土活性， 是水泥和混凝土的優質摻和料。礦渣微粉已被廣泛應用于混凝土的拌制，水泥的替代率可達30%～50%，且能夠改善水泥混凝土泌水性和流動性，降低水化熱等[1]。

然而， 礦渣微粉在公路工程中的應用與研究則相對較少。 目前我國公路基層絕大多數采用水泥穩定碎石半剛性基層[2]，若能夠將礦渣微粉用于水穩基層中，對于節約水泥用量、降低工程造價、緩解工期壓力、減少環境污染等方面皆具有積極意義。

本文將礦渣微粉與水泥的摻和料視為一種復合膠凝材料，分別進行不同礦渣微粉與水泥摻配比例下，復合膠凝材料的凝結時間與抗折強度分析； 進行固定復合膠凝材料摻量下不同礦渣微粉與水泥摻配比例時水穩無側限抗壓強度對比；進行復合膠凝材料的經濟性分析。對比分析表明， 礦渣微粉在水穩混合料中可以替代一定量的水泥，并給出了推薦摻配比例。

1 原材料

試驗采用原材料及指標如下：

⑴水泥。采用海螺水泥廠生產的P.O 42.5 水泥，水泥檢測結果見表1，其各項指標均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》[3]中對P.O 42.5 水泥的要求。

⑵礦渣微粉。 采用寶鋼湛江鋼鐵有限公司生產的S95 級礦渣微粉，礦渣微粉檢測結果見表2，其各項性能均滿足GB/T 18046-2017 《用于水泥和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》[4]的要求。

⑶標準砂。 采用廈門艾思歐生產的IOS 標準砂。

⑷集料。 粗骨料與細集料均為廣東省廉江市興順石廠產花崗巖碎石，集料指標檢測結果見表3、表4。

表1 水泥的基本物理性能

表2 礦渣微粉的基本物理性能

表3 粗集料物理指標

表4 細集料物理指標

⑸水。采用自來水，檢測指標滿足JGJ 63-2006《混凝土用水標準》[5]中的要求。

2 復合膠凝材料基本性能分析

分析研究表明：礦渣微粉融入水中后，礦渣顆粒表面就會形成鋁硅酸鹽薄膜，若無化學激發劑加入，進一步的水化作用就會終止，只有在堿性環境（PH＞13.5）激發礦渣玻璃體結構解體，形成硅酸根與鋁酸根陰離子團，并與鈣為代表的陽離子生成水化硅酸鈣、 水化鋁酸鈣等具有凝膠性質的水化產物， 因此需添加足夠劑量的水泥作為復合材料的激發劑[6-7]。

礦粉微粉與水泥共同摻入水泥穩定碎石中， 可以將兩者視為一種復合膠凝材料， 必須滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》[8]中對水泥材料的相關要求：水泥強度等級滿足32.5 或42.5，且水泥初凝時間應不大于3h，終凝時間應大于6h 且小于10h。

因此，本次試驗采用4 種不同摻配比例，水泥與礦渣微粉摻配分別為100%∶0%、60%∶40%、50%∶50%和40%∶60%，分析不同水泥和礦渣微粉摻配比例時，復合膠凝材料是否滿足凝結時間和強度指標要求。

2.1 凝結時間

按照GB/T1346-2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》[9]測定對不同摻量的礦渣微粉和水泥復合膠凝材料凈漿凝結時間，試驗結果見表5。

表5 凝結時間試驗結果

試驗結果表明：

⑴不同摻配比例復合膠凝材料初凝時間和終凝時間均滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》中要求。

⑵配方2 時，復合膠凝材料初、終凝時間均較配方1（未摻礦渣微粉時）提高約30min。 配方3、4 時，復合膠凝材料初、終凝時間與配方1 相當。配方1～4 凝結時間無明顯差異，表明水泥是初期水化產物的主要提供者，當水泥劑量在40%～60%之間，通過降低水泥劑量減少初期水化產物量仍無法有效延長凝結時間。

⑶配方2～4 標準稠度用水量均較配方1 提高了3.0%左右， 表明加入礦渣微粉使得凈漿失去流動性的時間略微增加。

2.2 抗折、抗壓強度

按照JTG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》[10]中規定的試驗方法測定不同摻量的礦渣微粉和水泥復合膠凝材料在標準養護條件下膠砂的抗壓和抗折強度，試驗結果見表6。

表6 抗折抗壓試驗結果

試驗結果表明： 不同摻量的礦渣微粉和水泥復合膠凝材料在標準養護條件下膠砂的抗壓和抗折強度均能達到GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》中對P.O 42.5 水泥的要求，且隨著礦渣微粉的摻入，復合膠凝材料抗折、抗壓強度有一定的提升， 說明復合膠凝材料中水泥劑量水化生成的Ca(OH)2能夠較好的激發礦渣微粉水化。

3 復合膠凝材料穩定碎石無側限抗壓強度分析

按照JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術細則》要求，復合膠凝材料穩定碎石必須滿足7d 齡期無側限抗壓強度的要求。 試驗對現有材料進行級配設計， 并按JTG E51-2009 《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》[11]試驗方法測試不同摻量的礦渣微粉和水泥復合膠凝材料確定材料最佳含水量、最大干密度和7d 無側限強度，驗證混合料相關指標，分析不同摻配比例的差別。

⑴設計級配。 按照配方1，進行水泥穩定碎石配合比試驗，確定設計級配及相關配合比設計結果，并以此設計級配作為復合膠凝材料穩定碎石的試驗級配。 設計級配見表7。

表7 復合膠凝材料穩定碎石設計級配

⑵最大干密度及無側限抗壓強度。 按4.6%的復合膠凝材料總摻量，采用振動成型法，測試不同水泥與礦渣微粉摻配比例時， 復合膠凝材料穩定碎石混合料的最大干密度、 最佳含水率及98%壓實度標準條件下的試件的無側限抗壓強度。 試驗結果見表8，表9。

試驗結果表明：

⑴水泥與礦渣微粉不同摻配比例時， 混合料最大干密度與最佳含水量基本無差異；

⑵礦渣微粉的摻入，對混合料7d 齡期無側限抗壓強度無明顯影響，在摻配比例為50%∶50%時強度提升最多，約0.6MPa。

表8 振動擊實試驗結果

4 經濟效益分析

以路面基層中常用的普通硅酸鹽水泥P.O 42.5 為比照對象， 進行水泥礦渣微粉復合凝膠材料的經濟效益分析。以廣東省湛江市2020 年1 月地材價格為例進行成本估算，估算結果見表10。 水泥和礦渣微粉復合膠凝材料與水泥相比能夠降低15%以上的成本， 每噸混合料 （按4.6%的復合膠凝材料總摻量計）節約成本3.6～5.5 元。

表9 不同復合凝膠7d 無側限抗壓強度結果

5 結論

⑴在水泥-礦渣微粉復合膠凝材料中，水泥是初期水化產物的主要提供者。 當水泥摻量在40%～60%之間，復合膠凝材料初、終凝時間相當，通過降低水泥劑量減少初期水化產物量無法有效延長凝結時間。

表10 經濟效益分析

⑵水泥摻量達到40%及以上時對礦渣微粉強度的形成有很好的促進作用， 礦渣微粉能夠替代部分水泥并能滿足強度要求。

⑶水泥與礦渣微粉不同摻配比例時， 混合料最大干密度與最佳含水量基本無差異， 礦渣微粉摻量在40%～60%時，混合料7d 齡期無側限抗壓強度無明顯影響。 水泥與礦渣微粉摻配比例為50%∶50%時無側限抗壓強度提升最多，約0.6MPa。

⑷水泥和礦渣微粉復合膠凝材料與水泥相比經濟性顯著， 能夠降低15%以上的水泥成本， 每噸混合料 （按4.6%的復合膠凝材料總摻量計）節約成本3.6～5.5 元。

⑸建議水泥-礦渣微粉復合膠凝材料中礦渣微粉摻量為40%～60%，不同材料需要通過配合比試驗與試驗段綜合確定礦渣微粉合理摻量。