耐磨低收縮抗裂路面水泥的試驗與應用

文 福建省公路事業發展中心 陳峰

近年來，伴隨我國經濟的不斷發展，水利、高速公路、高速鐵路、機場、港口及民生工程陸續開工建設，砂石材料不斷被消耗，品質好的砂石材料更是越來越少，機制砂逐漸成為砂的主要來源。機制砂破碎和生產過程中產生的不可避免的附帶石粉，易與水泥漿體發生作用，影響水泥的水化、與外加劑的相容性、體積變化、混凝土強度、耐磨性能等，目前是一個較為復雜的問題。福建省交通強國項目《耐磨低收縮抗裂道面水泥應用研究》（以下簡稱《研究》）重點對水泥組分與機制砂石粉、外加劑對路面混凝土的影響效應開展深入研究。

國道319線福建省段景觀

水泥混凝土路面是我國高等級路面的重要形式，具有強度高、剛度大、擴散能力強、穩定性好、耐高溫及養護費用少等優點，在高速公路、市政工程、工業建筑和機場港口等都得到了廣泛應用。

水泥混凝土路面為承受沖擊、振動、疲勞、磨損的動載結構，其控制技術指標有彎拉強度、耐疲勞性、耐磨性、抗凍性、工作性等。如果施工過程中，由于原材料選擇不嚴格或施工水平不高，路面通車不久即會出現脫皮、麻面、露骨等嚴重磨損病害及開裂現象，影響路面的正常使用功能和使用壽命。

水泥的組分、機制砂石粉的性質和外加劑均對路面混凝土的施工性能和長期性能有顯著的影響。水泥混凝土路面使用的水泥大多為普通硅酸鹽水泥或者硅酸鹽水泥，其鋁酸三鈣含量高，鐵鋁酸四鈣含量低，造成水泥水化速率快，放熱量大，混凝土早期收縮可能性增大，混凝土耐磨性能較差。

主要研究工作成果

《研究》選用不同組分水泥、不同機制砂石粉和聚羧酸減水劑，采用水化放熱實驗、混凝土收縮試驗、強度試驗、耐磨試驗及X射線衍射和掃描電子顯微鏡微觀試驗，研究了水泥的水化放熱特性、混凝土收縮、耐磨性能等路用性能的影響及機制，并提出了路面混凝土性能提升技術。

水泥組分和機制砂石粉對水泥水化特性的影響

鋁酸三鈣含量低的道路水泥可以較普通硅酸鹽水泥延長誘導期結束時間1小時至2小時。水泥混合材料過多過雜會減慢水化速率及降低放熱量和強度，摻加少量混合材料能提高某種性能。不同巖性石粉均能加速水泥水化作用，聚羧酸減水劑能明顯延緩水泥的誘導期時間，石粉能使減水劑延緩作用減弱，通過X射線衍射結果分析，均無新的水化產物生成。

水泥組分和機制砂石粉對混凝土早期收縮的影響

水泥組分、石粉含量和水灰比，相對于砂率和水泥用量等而言，對混凝土早期收縮影響更大。較高鋁酸三鈣和硅酸三鈣含量的水泥，其收縮速度快與收縮總量大。當適量減少硅酸三鈣含量時，水泥鋁酸三鈣含量低于某一數值時，在此范圍內，混凝土早期收縮也能顯著降低。從總體來看，石粉含量的增加會明顯增加早期收縮，因此要控制石粉的含量。

水泥組分和機制砂石粉對混凝土耐磨性能的影響

增加鐵鋁酸四鈣的含量對混凝土的耐磨性有較大的提升作用；機制砂存在一定的石粉會使混凝土耐磨性優于河砂及未添加石粉時的耐磨性能；降低砂率也有助于提高混凝土耐磨性能；通過微觀試驗發現，混凝土致密有序，強度和耐磨性能越好。

小型加速加載磨損試驗機

減水劑對路面混凝土路用性能的影響研究

緩凝型的聚羧酸減水劑能明顯降低混凝土的早期收縮，并使混凝土由體積收縮轉變為體積膨脹，且減水劑含量高時，會使混凝土一直處于膨脹狀態。石粉能夠減弱減水劑對混凝土早期收縮的降低作用，石灰石粉的減弱作用大于花崗巖石粉。減水劑還能改善施工性能從而改善混凝土的強度和耐磨性能。減水劑摻量過大時，會對混凝土性能產生不穩定的影響，尤其是在石粉也存在時，應控制減水劑的摻量。

工程現場試驗研究

通過實際工程使用效果，發現選用高含量鐵鋁酸四鈣和低含量鋁酸三鈣的道路水泥，其與機制砂、減水劑共同作用時路用性能良好，具有初凝時間長、后期強度高、早期抗裂性能和耐磨性能好等優點。

輪胎磨損試驗

路面磨損破壞主要是由磨粒磨損和疲勞磨損兩種模式綜合作用引起，兩者同時發生，互相作用。對于水泥路面混凝土，車輛輪胎與混凝土直接作用的磨損研究較少，《研究》借鑒相關方法，進行水泥路面混凝土的輪胎試驗磨損試驗研究。磨損儀器采用項目組研制的小型加速加載磨損試驗機。小型加速加載磨損試驗機采用4個輪胎在試件上環形運轉，模擬真實車輛輪胎作用對水泥路面的磨損作用，分別測量試件的質量損失率，并進行分析。

試驗顯示，通過該小型加速加載磨損試驗機對水泥路面混凝土進行輪胎磨損，并以質量損失率作為磨損性能指標，具有良好的可行性，其能較好反映水泥混凝土路面在車輪作用下的耐磨性能。

《研究》主要分析了水泥組分、石粉和配合比參數等對混凝土強度和耐磨性能影響，并選取了不同水泥工況和石粉工況進行微觀分析。

水泥組分和砂的類型對混凝土耐磨性能的影響

鐵鋁酸四鈣含量提升到16.6%時能較大提高耐磨性能，硅酸三鈣和鋁酸三鈣含量高時，抗折抗壓強度大。水泥中摻加的混合材能明顯影響強度和耐磨性能，摻加少量鋼渣，耐磨性能提升；摻加石灰石，強度提高；混合材摻量大且種類多時，混凝土強度和耐磨性能顯著下降。機制砂的強度和耐磨性能優于同配合比時的河砂混凝土，致密有序的微觀結構，其宏觀性能更好。

石粉對混凝土耐磨性能的影響

石粉含量在10%左右時，混凝土性能優良。隨著石粉含量的增加，不同巖性石粉機制砂混凝土磨損體積和強度均先降低再升高，石粉含量為10%時，混凝土磨損體積最小，抗壓抗折強度最高。石粉對混凝土對強度和耐磨性能的影響有一個最佳值，當石粉含量低于這個數值時，石粉發揮正向作用，高于這個數值，負向作用占主要作用。混凝土中石粉含量繼續增加時，游離粉增多，會破環骨料與水泥石的黏結，導致界面變差，強度和耐磨性能降低。

石粉對水化產物和微觀結構的影響

摻加適量石粉能改善混凝土的微觀結構。摻加石粉的28日混凝土X射線衍射試驗結果中，都有較多的氫氧化鈣水化產物和少量的鈣礬石晶體，其中摻加花崗巖石粉中的混凝土中二氧化硅含量較多，多于摻加石灰石粉中的混凝土中二氧化硅含量，并隨著花崗巖石粉含量的增多，衍射峰增強；摻加石灰石粉中的混凝土中碳酸鈣含量較多，還有新的產物水化碳鋁酸鈣生成，這也是石灰石粉活性大，對水泥水化的加速作用大于花崗巖石粉的主要原因。摻加10%含量石粉時，其微觀形貌中的水化產物分布較均勻，并交織緊密，對混凝土的孔隙有較大的改善作用，從而石粉含量在10%時，宏觀性能較好。

配合比參數對混凝土耐磨性能的影響

水灰比對強度和耐磨性能的影響高于單位水泥用量和砂率。為提高路面混凝土強度和耐磨性能，可以在保證施工性能的前提下，盡量降低水灰比；提高單位水泥用量并保持單位水泥用量每立方米不超過380千克；控制砂率在36%左右。同時，在施工性能良好的情況下，調整水灰比大小對混凝土強度和耐磨性能的提升作用更大，其次是調整水泥用量，盡量不調大砂率。

國道319線福建省漳州市段

輪胎磨損試驗方法研究

通過新型加速加載磨損試驗機對水泥路面混凝土進行輪胎磨損，并以質量損失率作為磨損性能指標，具有良好的可性行，能較好反映水泥混凝土路面在車輪作用下的耐磨性能。

試驗段應用成果

為檢驗路面耐磨抗裂低收縮水泥的實際工程耐磨效果；驗證配合比設計方法的科學性及后續觀察驗證路面耐磨水泥混凝土實際耐磨抗裂低收縮性能提供了依據。在泉州惠安和福州瑯岐開展了試驗段研究。

試驗段采用的是華潤路面抗裂低收縮耐磨水泥，其嚴格控制了鋁酸三鈣的含量和大幅度提升了鐵鋁酸四鈣含量，施工凝結的路面呈鐵青色，施工完成后路面表面溫度低，水化速率慢，放熱低，路面裂紋少，技術提升改善效果明顯。

在泉州惠安縣道進行試驗段施工，試驗段為單側右幅第二車道，澆筑長為430米，澆筑板寬為4米，鋪筑面積為1720平方米。

表1 泉州試驗段現場施工試驗配合比

試驗段配合比設計時，粗骨料最佳級配通過最大密實度理論確定，細集料采用泉州機制砂其細度模數為2.92，級配良好符合使用要求。最終確定試驗段配合比，具體工況如表1所示。減水劑采用福建科之杰聚羧酸緩凝型減水劑。

試驗段采用排式振搗加三輥軸施工，在正常風況下施工，后采用土工布覆蓋灑水養護。

在實際試驗段鋪筑過程中，路面水泥混凝土的施工性能較好，混凝土出漿速度較快滿足施工要求。水泥混凝土砂漿層厚度適宜，對于水泥混凝土耐磨性能有提升效果。

抗折強度試驗

在試驗段施工過程中取路面水泥混凝土進行室內標準養護，以及施工現場同時養護，后達到相應齡期后進行抗折強度試驗，具體試驗結果如表2所示。

表2 泉州試驗段7日抗折強度

由表2可知，在同樣工況下實驗室標準養護的抗折強度均略大于現場同等養護，在現場同等養護情況下使用路面水泥的工況F1抗折強度為4.6兆帕，工況F2為4.5兆帕相差較小。

試驗段試件養護28日抗折強度試驗結果如表3所示。由表3可知，在同樣工況下實驗室標準養護的抗折強度均略大于現場同等養護，在現場同等養護情況下工況F1的28日抗折強度為5.8兆帕，F2的抗折強度也為5.8 兆帕，現場同等養護情況下抗折強度均大于5.0兆帕滿足規范要求，滿足規范要求。

劈裂試驗

對泉州試驗段進行路面的鉆芯取樣，后續進行劈裂試驗。根據鉆芯取得的試樣觀察其表面可以發現，其中第一天前幾車鋪筑觀測到一些孔隙，主要由于當天施工剛開始時施工現場缺少振動提漿設備，振搗不到位，導致氣泡未及時排出，后聚集與混凝土內部隨著路面混凝土硬化最終生成氣泡孔隙。后續鋪筑的路面水泥混凝土整體密實度較好。

對路面混凝土鉆芯試樣進行劈裂試驗。其中工況F1的試件①為試驗段剛開始鋪筑時未使用豎向振搗工具時試樣，試件①中存在一些空隙，這主要是由于緩凝型聚羧酸減水劑的摻入引入氣泡，在施工過程中未振搗密實導致氣泡未及時排除，留在路面混凝土影響混凝土性能。

表3 泉州試驗段28日抗折強度

對各工況試件進行劈裂試驗得到其極限荷載，通過極限荷載可知劈裂抗拉強度，換算成彎拉強度來表示其性能，具體試驗結果如表4所示。

表4 泉州試驗段劈裂試驗結果

由表4可知，工況F1其彎拉強度為7.07 兆帕、F2的彎拉強度為6.83 兆帕均顯著大于設計彎拉強度，抗裂性能好且能改善其耐磨性能。表明摻聚羧酸緩凝型減水劑的路面混凝土具有優異的抗裂、耐磨性能，能夠有效提升路面的使用壽命。其中F1工況試件①劈裂彎拉強度僅為5.92 兆帕，顯著小于F1代表值，主要由于其施工過程中未使用豎向振搗設備，振搗不充分引入的氣泡未能及時排出，留在混凝土內影響性能。

綜上試驗段的應用顯示，使用路面水泥的路面水泥混凝土具備有良好的施工性能、強度、抗裂性能、耐磨性能。在實際使用中摻加減水劑可以有效提升路面混凝土的性能，但在使用減水劑時應注意施工振搗，排出氣泡使減水劑能達到最佳效果。