高性能路面基層用水泥基材料的開發(fā)與應(yīng)用

鮑迎賓， 祝一鳴， 張日華

1 洛陽(yáng)路橋建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（471000） 2 洛陽(yáng)市路星公路工程監(jiān)理有限責(zé)任公司（471000）3 洛陽(yáng)理工學(xué)院（471023）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要,公路建設(shè)以前所未有的速度增長(zhǎng)，特別是高等級(jí)（高速）公路的建設(shè)，同時(shí)對(duì)公路建設(shè)也提出了更高的要求，新建的高等級(jí)（高速）公路的路面基層基本采用水泥穩(wěn)定砂礫或水泥穩(wěn)定碎石方案。按照公路設(shè)計(jì)和施工的要求，對(duì)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(shù)需要。然而在現(xiàn)行的公路施工建設(shè)中，路面基層基本采用普通水泥，結(jié)果給施工質(zhì)量和公路使用壽命帶來(lái)一些不良的后果,特別是干縮裂縫的技術(shù)問(wèn)題。

路面基層對(duì)試樣的強(qiáng)度（抗壓）要求不像一般建筑高，施工中水泥的摻加量?。?%～6%），加水量小，屬于碾壓混凝土。路面基層對(duì)水泥的特殊性能要求主要表現(xiàn)在施工和使用性能兩個(gè)方面:施工方面要求水泥的凝結(jié)時(shí)間較通用水泥長(zhǎng)，初凝3小時(shí)以上，終凝6小時(shí)左右；使用方面對(duì)水泥的早期強(qiáng)度（3 d）無(wú)特殊要求，主要檢測(cè)試樣的7天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，同時(shí)要求試體水化硬化過(guò)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(zhǎng)公路使用壽命。

針對(duì)路面基層對(duì)水泥的這些特殊性能要求,開發(fā)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(shù)方案

根據(jù)公路路面基層用水泥的特殊要求,結(jié)合用粉煤灰作混合材料的普通水泥性能優(yōu)點(diǎn)及存在的技術(shù)問(wèn)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(dá)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(qiáng)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(jìn)行復(fù)合，提高其早期強(qiáng)度。

2）采用改變石膏的摻量以及其他摻和料調(diào)整水泥的凝結(jié)時(shí)間，初凝在3小時(shí)以上，終凝6小時(shí)左右。

3）引進(jìn)膨脹源，使該水泥在齡期內(nèi)具有線性微膨脹的特點(diǎn)，減少基層干縮裂縫。

2 原料及試驗(yàn)

2.1 原料的選取

1）粉煤灰:粉煤灰來(lái)自洛陽(yáng)首陽(yáng)山電廠的電除塵器尾部的煙道灰，屬干排粉煤灰；試驗(yàn)中將粉煤灰在試驗(yàn)小磨中進(jìn)行粉磨，磨至45 um篩余≤12%，對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析、28天抗壓比試驗(yàn)詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

表1 粉煤灰化學(xué)成分及28 d抗壓比

2）礦渣:來(lái)自濟(jì)源鋼鐵廠，試驗(yàn)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(lái)自偃師水泥二廠生產(chǎn)用二水石膏，化學(xué)成分見表2。試驗(yàn)時(shí)，將它們?cè)谠囼?yàn)小磨中粉磨，石膏細(xì)度80 um篩余5%±1%。

2.2 試驗(yàn)配比、結(jié)果及分析

1）試驗(yàn)配比:試驗(yàn)采用不同的配合比進(jìn)行組合，按粉煤灰摻量50%～60%,同時(shí)摻加10%～15%的礦渣粉進(jìn)行對(duì)比,具體配比見表4。

2）試驗(yàn)結(jié)果

①試樣物理性能:根據(jù)公路施工對(duì)試體的檢測(cè)要求,主要檢測(cè)試體的7天無(wú)側(cè)限抗壓，因此采用GB177-85《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，試驗(yàn)時(shí)固定水灰比0.44，檢測(cè)水泥試樣的7天、28天強(qiáng)度（抗壓、抗折）;凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度等按照GB1346-89《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間》進(jìn)行。

表3 熟料礦物組成及強(qiáng)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(shù)及安定性等，其結(jié)果見表6。

表5 試驗(yàn)結(jié)果一覽表

表6 基層用水泥的性能參數(shù)（水化熱、膨脹系數(shù)及安定性）

③結(jié)果分析:只摻粉煤灰的水泥水化很慢，因此早期強(qiáng)度低；在此條件下，如果引入膨脹源，水化產(chǎn)物中出現(xiàn)鈣礬石；當(dāng)同時(shí)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(chǎn)物，由液相中的Ca(OH)2和SO42-不斷激發(fā)粉煤灰活性,使其中的活性SiO2、Al2O3與前者反應(yīng)生成C-S-H凝膠和鈣礬石。主要水化產(chǎn)物為鈣礬石固溶大量的硅，同時(shí)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(chǎn)生較高強(qiáng)度,特別是抗折強(qiáng)度，而且后期強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)。鈣礬石是水泥產(chǎn)生微膨脹作用的根源，而且28 d后趨于穩(wěn)定，但與微膨脹水泥相比，膨脹系數(shù)偏小,這與所使用的熟料礦物組成中C4AF和MgO含量偏小有關(guān)。

2.3 公路試驗(yàn)及應(yīng)用結(jié)果分析

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

1）公路基層試驗(yàn):根據(jù)洛陽(yáng)市目前公路基層設(shè)計(jì)和施工方案進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn),基層設(shè)計(jì)方案為水泥穩(wěn)定碎石（砂礫），其中粉煤灰為電廠的原狀濕灰，設(shè)計(jì)配合比為:水泥（5）:粉煤灰（10）:碎石（砂礫）（85）。 試驗(yàn)結(jié)果見表 8。

2）應(yīng)用:經(jīng)過(guò)小型試驗(yàn)后，在洛陽(yáng)的S328廟祖線改建工程LL-05標(biāo)段K44+840-K45+000路面基層應(yīng)用，設(shè)計(jì)方案為水泥穩(wěn)定砂礫，配合比水泥（5）:粉煤灰（10）:砂礫（85），設(shè)計(jì)強(qiáng)度3.0 MPa。試驗(yàn)結(jié)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(wú)側(cè)限平均抗壓強(qiáng)度為3.6 MPa，符合設(shè)計(jì)施工要求。

表7 試驗(yàn)結(jié)果一覽表

表8 無(wú)機(jī)結(jié)合穩(wěn)定土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3）結(jié)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(jié)時(shí)間有所延長(zhǎng)，為公路基層施工的拌和、運(yùn)輸、攤鋪、整平、碾壓、檢測(cè)等工序，爭(zhēng)得了寶貴時(shí)間，從而保證了在水泥初凝之前，碾壓工序結(jié)束，終凝前檢測(cè)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(wěn)定砂礫混合料的7天飽水無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本相等,都符合《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 034-2000）和《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTGF80/1-2004）的規(guī)定，并且滿足中華人民共和國(guó)《工程建設(shè)強(qiáng)制性條文》中公路工程部分的規(guī)定。后期取芯飽水抗壓強(qiáng)度高與水泥穩(wěn)定砂礫混合料相比，90天、180天的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度不等,水泥基材料穩(wěn)定砂礫混合料的后期取芯飽水抗壓強(qiáng)度高，略高于水泥穩(wěn)定砂礫混合料，詳見取芯試驗(yàn)結(jié)果表9、表10。

表9 水泥、水泥基材料穩(wěn)定砂礫混合料基層的取芯結(jié)果比較（90天）

③水泥基材料穩(wěn)定砂礫混合料基層的橫向裂縫（前、后期）明顯少于水泥穩(wěn)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(shè)面層前后裂縫對(duì)比數(shù)據(jù)，時(shí)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(wěn)定砂礫混合料基層的橫向裂縫

4 結(jié)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(chǎn)滿足公路基層用水泥的施工技術(shù)（強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間）要求。

2）由于該水泥粉煤灰摻量大，同時(shí)引進(jìn)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(shù)7 d達(dá)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(diǎn)，有效解決了目前路面基層干縮開裂技術(shù)問(wèn)題，延長(zhǎng)公路使用壽命。

3）由于大量使用工業(yè)廢渣，因此該水泥生產(chǎn)符合我國(guó)的產(chǎn)業(yè)政策要求；產(chǎn)品生產(chǎn)成本比普通水泥低很多，經(jīng)濟(jì)效益明顯。產(chǎn)品的開發(fā)為我國(guó)公路建設(shè)提供了新的水泥品種，具有廣泛的市場(chǎng)前景。