水泥強度增長特性與水穩碎石連鋪施工可行性研究

牛生鋒，楊永富，張文虎

（1.山東省路橋集團有限公司,山東 濟南 250021；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

在公路施工過程中，因水泥穩定碎石基層厚度較大，一般采用分層攤鋪、分層碾壓、分層成型施工工藝，在不斷的工程實踐基礎上，開發了“雙層連鋪、分層碾壓、一次成型”的施工工藝，該工藝可大幅縮短施工周期，節約養生及維護費用，但上下基層必須在水泥初凝時間內完成碾壓，對施工組織要求較高，且橫接縫較多，平整度較差。

1 水泥強度增長特性研究

水泥強度的形成過程是指水泥在水的作用下逐漸發展成為具有一定黏結和流動性能的可塑性漿體，即水泥漿。水化繼續進行，流動性能不斷下降，黏結性能不斷增強，最后凝結硬化成為具有一定強度的石狀體。

1.1 水泥漿稠度對凝結時間的影響分析

不同的用水量直接影響水泥漿的稠度，進而影響水泥狀態變化的時間。采用P·O42.5 緩凝水泥，技術指標見表1。

表1 水泥技術指標

試驗采用以標準稠度用水量為基準，5%水灰比為梯度逐漸增加用水量，調整水泥漿稠度方法，進行凝結時間試驗，不同稠度條件下的水泥凝結時間見表2 和圖1。

圖1 水泥稠度對凝結時間的影響

表2 不同水泥漿稠度下的凝結時間

分析圖1 可知，凝結時間與水泥漿稠度之間呈現較好的線性相關性，隨水泥漿稠度的不斷提高，水泥初凝和終凝時間大致呈線性增長。當水泥漿稠度達到46.8% 時，初凝時間約13 h，終凝時間約15 h，初凝時間和終凝時間幾乎是稠度26.8%時的2 倍。在水泥穩定碎石混合料施工過程中，有效水灰比在62.5% 左右，根據凝結時間與水泥漿稠度的回歸關系式可以推算初凝時間約為17 h，終凝時間約為19 h。

1.2 延遲時間對水泥強度特性的影響

水泥強度的影響因素包括水灰比、水泥的水化程度、礦物組成及含量、孔結構等，其中水灰比和水泥的水化程度為最主要的影響因素。不同因素對水泥強度的影響主要表現：（1）水灰比越大，水泥漿體孔隙越多，形成的水泥強度越低，研究認為水泥的抗壓強度與水灰比具有良好的線性關系。（2）水化反應越充分，水化產物越能密實地填充水泥漿的孔隙且緊密地膠結在一起，水泥漿體的孔隙率較低，水泥的強度較高。（3）在水泥礦物組成方面，硅酸鹽含量是決定水泥強度的主要因素，其中C3S決定了水泥28 d 強度，C2S 對水泥的后期強度起主導作用，C3A 對水泥早期強度有利，C4AF 對水泥的早期強度和后期強度均有貢獻，這四種硅酸鹽礦物的含量多少也按照各自的作用以不同的權重影響著水泥的強度發展和形成。（4）孔結構主要包括孔徑及孔徑分布，當水泥的孔隙率相同時，大孔徑的孔隙占比越多，水泥的強度就越小，這也是在其他條件不變時，盡管孔隙率相同卻得到不同強度的水泥的原因。而孔結構的形成主要與試件成型時的振動水平有關。

1.2.1 振動水平的選取

為了保證室內試驗與現場施工條件具有最大程度上的擬合性，在進行試件成型時選擇25 s、45 s 和60 s 作為振動時間，以此來表示振動強度的大小。對不同振動時間下成型的試件測試其壓實度。試驗結果顯示振動25 s 成型的試件與96%的壓實度近似；振動時間為45 s 和60 s 時壓實度則分別與98%和100%近似。為與實際工程過程質量控制壓實度（98%）標準相符，在進行延時振動對水泥砂漿和水穩基層混合料力學特性的影響分析時，選擇振動時間為45 s 進行試件的成型，以最大限度地模擬現場施工條件。

1.2.2 延遲時間對水泥抗壓強度的影響

在標準試驗條件下得到的強度稱為標準強度，對標準成型的水泥膠砂試件立即進行二次振動得到的強度稱為基準強度。對水泥進行膠砂強度試驗，分析不同延遲時間內水泥膠砂抗壓強度的變化規律，試驗結果見圖2。

圖2 水泥膠砂抗壓強度與延遲時間的關系

分析圖2 可知：（1）延遲時間在0～3 h 時，水泥膠砂強度呈增長趨勢，說明二次振動對內部結構產生影響，在此階段內水泥未完全水化，水化產物阻礙水泥的進一步水化，二次振動后致使包覆層破裂，填充結構間的空隙，水泥顆粒得到進一步分散，水泥水化反應更加充分。（2）在3～24 h 進行二次振動時，膠砂強度呈下降趨勢，此階段水泥水化已經形成了穩定結構，由于二次振動破壞了已形成的晶體結構，但此時的晶體結構有一定的自愈性，隨水化反應的進一步發展，晶體結構強度重新達到新的平衡，損失的強度得到一定程度的補償，隨著時間的推移，這種補償愈加減少，呈現出水泥強度不斷降低但均高于基準強度的現象。（3）延遲72 h 時進行二次振動，水泥的強度達到最小值且低于基準值，之后逐漸增加，至7 d 后再次進行二次振動，強度與基準強度基本一致，說明7 d 后試件自身強度能夠抵抗外部振動力的影響，強度不再降低。

1.2.3 延遲時間對水泥抗折強度的影響

對水泥進行膠砂強度標準試驗，分析不同延遲時間二次振動對膠砂抗折強度變化規律，結果見圖3。

圖3 水泥抗折強度隨不同延遲時間的變化特征

分析圖3 可知：（1）若對水泥膠砂立即進行二次振動則其抗折強度從5.7 MPa 增長到7.2 MPa，增長幅度較大，為126.3%。（2）在0～48 h 內進行二次振動，水泥膠砂的抗折強度呈現下降趨勢，但均高于標準值，說明一定時間內的延遲振動有利于水泥膠砂抗折強度的形成。（3）在48～72 h之間的某一時間點抗折強度開始低于標準強度5.7 MPa，在72 h 處出現最小值。（4）72 h 之后，抗折強度又開始增長，直至與標準強度相近或者持平。這是由于當水泥砂漿的齡期超過3 d 后，已經形成了一定的強度，足夠抵抗二次振動的影響。

根據水泥膠砂抗壓強度與抗折強度隨延遲時間的變化曲線，發現水泥膠砂抗壓、抗折強度隨延遲時間的增長趨于一致，延遲12 h 進行二次振動獲得的水泥膠砂抗壓及抗折強度均較好，且高于基準強度，并且延遲12 h 以內所獲得的強度波動較大，12 h 后趨于平穩，因此選定12 h 作為關鍵時間點。

2 水穩碎石混合料連鋪施工可行性研究

2.1 基于二次擾動強度特性的可行性分析

（1）水穩碎石基層中的水泥用量一般＜7%，遠低于普通混凝土，水泥穩定碎石混合料的強度構成主要包括水泥產生的黏結力和集料間的內摩阻力。（2）與水泥混凝土相比，水穩碎石混合料的強度要求較低，施工壓實后，碎石顆粒嵌擠摩阻作用比水泥水化后的結合作用對于強度的貢獻度更大。因此，施工的振動、壓實等二次擾動盡管可能在一定程度上影響水泥的凝結，使顆粒界面的黏結作用有所衰減，但是可以大幅提高水穩碎石混合料的骨架結構，增強層間結合效果，提升基層結構的整體性能。因此，水穩碎石基層的分層連鋪施工具有可行性。

2.2 基于凝結時間的可行性分析

延遲時間和水泥的凝結時間有密切關系，是影響連續施工效果的重要因素。延遲時間指的是自下層材料加水拌和開始至上層鋪筑完成所需要的時間［1］。在標準稠度用水量狀態下水灰比一般為0.26～0.28［2］，而水泥穩定碎石基層中水泥漿的水灰比要比在標準稠度用水量時的水灰比大得多。在最佳含水率及水泥劑量確定的情況下，水泥穩定混合料中的水一部分由水泥吸收，一部分由集料吸收，而集料的吸水率與水泥相比很小。例如，經試驗和計算確定某水泥穩定碎石配合比為水泥∶集料∶水=4.0 ∶100 ∶5.0，扣除集料吸收的水，水泥實際吸收的水約為2.5%，此時真正的水灰比是0.625，遠大于標準稠度用水量下的水灰比。隨著水泥漿稠度的不斷提高，水泥初凝和終凝時間將不斷增長，因此，水泥穩定碎石基層中水泥的凝結時間與在實驗室標準稠度用水量條件下測得的凝結時間是不對等的，現場凝結時間為室內凝結時間的3～5 倍，甚至更長。

3 結語

（1）通過調整水泥漿稠度確定水泥凝結時間與水泥漿水灰比之間的關系，得出當水灰比增大時，局部反應充分但整體交聯較為緩慢且水泥漿體內部的孔隙率相應增大，水泥漿體達到一定密實度的時間延長，相應地水泥的初凝時間和終凝時間也延長，且強度會因內部存在的孔隙而衰減。（2）結合不同水泥漿稠度下水泥的凝結時間變化規律，分析了基于凝結時間的分層連續施工工藝中存在的問題并提出了邊界時間的概念，這就為在分層連續施工工藝中突破凝結時間的限制提供了可能。（3）通過分析不同延遲時間對水泥強度形成的影響，得出在延遲時間12 h 以內時，二次振動有利于水泥膠砂強度形成，初步認為延遲12 h 為關鍵節點。（4）從二次擾動強度特性和凝結時間的角度分析了水穩碎石混合料突破水泥初凝時間的連續攤鋪施工工藝的可行性。