高性能路面基层用水泥基材料的开发与应用

鲍迎宾， 祝一鸣， 张日华

1 洛阳路桥建设集团有限责任公司（471000） 2 洛阳市路星公路工程监理有限责任公司（471000）3 洛阳理工学院（471023）

0 引言

随着科学技术的发展和经济建设的需要,公路建设以前所未有的速度增长，特别是高等级（高速）公路的建设，同时对公路建设也提出了更高的要求，新建的高等级（高速）公路的路面基层基本采用水泥稳定砂砾或水泥稳定碎石方案。按照公路设计和施工的要求，对路面基层用水泥都有一些特殊性能要求，以保证施工和使用的技术需要。然而在现行的公路施工建设中，路面基层基本采用普通水泥，结果给施工质量和公路使用寿命带来一些不良的后果,特别是干缩裂缝的技术问题。

路面基层对试样的强度（抗压）要求不像一般建筑高，施工中水泥的掺加量小（4%～6%），加水量小，属于碾压混凝土。路面基层对水泥的特殊性能要求主要表现在施工和使用性能两个方面:施工方面要求水泥的凝结时间较通用水泥长，初凝3小时以上，终凝6小时左右；使用方面对水泥的早期强度（3 d）无特殊要求，主要检测试样的7天无侧限抗压强度，同时要求试体水化硬化过程中干缩性小、水化热低，以尽可能减少基层的干缩裂缝，延长公路使用寿命。

针对路面基层对水泥的这些特殊性能要求,开发以粉煤灰为主要材料的高性能路面基层用水泥基材料。

1 技术方案

根据公路路面基层用水泥的特殊要求,结合用粉煤灰作混合材料的普通水泥性能优点及存在的技术问题,路面基层用水泥基材料以粉煤灰为主要材料,粉煤灰掺量达到50%以上。

1）采用以粉煤灰为主要原料，因此该水泥的水化热较低，但早期强度（3天）也很低，为此采取掺加少量矿渣粉和其他混合材料进行复合，提高其早期强度。

2）采用改变石膏的掺量以及其他掺和料调整水泥的凝结时间，初凝在3小时以上，终凝6小时左右。

3）引进膨胀源，使该水泥在龄期内具有线性微膨胀的特点，减少基层干缩裂缝。

2 原料及试验

2.1 原料的选取

1）粉煤灰:粉煤灰来自洛阳首阳山电厂的电除尘器尾部的烟道灰，属干排粉煤灰；试验中将粉煤灰在试验小磨中进行粉磨，磨至45 um筛余≤12%，对试样进行化学成分分析、28天抗压比试验详细数据见表1。

表1 粉煤灰化学成分及28 d抗压比

2）矿渣:来自济源钢铁厂，试验中采用二次粉磨的方法制备矿渣粉，矿渣粉的比表面积380m2/kg以上。

3）石膏:来自偃师水泥二厂生产用二水石膏，化学成分见表2。试验时，将它们在试验小磨中粉磨，石膏细度80 um筛余5%±1%。

2.2 试验配比、结果及分析

1）试验配比:试验采用不同的配合比进行组合，按粉煤灰掺量50%～60%,同时掺加10%～15%的矿渣粉进行对比,具体配比见表4。

2）试验结果

①试样物理性能:根据公路施工对试体的检测要求,主要检测试体的7天无侧限抗压，因此采用GB177-85《水泥胶砂强度检验方法》，试验时固定水灰比0.44，检测水泥试样的7天、28天强度（抗压、抗折）;凝结时间、流动度等按照GB1346-89《水泥标准稠度用水量、凝结时间》进行。

表3 熟料矿物组成及强度

表4 公路基层水泥原料配比（%）

②试样特殊性能:主要为水化热、膨胀系数及安定性等，其结果见表6。

表5 试验结果一览表

表6 基层用水泥的性能参数（水化热、膨胀系数及安定性）

③结果分析:只掺粉煤灰的水泥水化很慢，因此早期强度低；在此条件下，如果引入膨胀源，水化产物中出现钙矾石；当同时掺加适量矿渣与提高石膏掺量后，有效提高了水泥的水化速度，在这种条件下，熟料、石膏、矿渣水化生成早期水化产物，由液相中的Ca(OH)2和SO42-不断激发粉煤灰活性,使其中的活性SiO2、Al2O3与前者反应生成C-S-H凝胶和钙矾石。主要水化产物为钙矾石固溶大量的硅，同时体系中水化硅酸钙凝胶固溶部分硫酸根离子,还有C2ASH8晶体存在，形成以钙矾石和C2ASH8为骨架，C-S-H凝胶填充其间，两者相互交织，使水泥早期产生较高强度,特别是抗折强度，而且后期强度不断增长。钙矾石是水泥产生微膨胀作用的根源，而且28 d后趋于稳定，但与微膨胀水泥相比，膨胀系数偏小,这与所使用的熟料矿物组成中C4AF和MgO含量偏小有关。

2.3 公路试验及应用结果分析

采用表4中A3的配合比进行生产试验，粉煤灰掺量为50%，委托洛阳新建水泥有限公司进行批量生产，使用的材料与试验材料来源一致，水泥的物理性能见表7。

1）公路基层试验:根据洛阳市目前公路基层设计和施工方案进行有关试验,基层设计方案为水泥稳定碎石（砂砾），其中粉煤灰为电厂的原状湿灰，设计配合比为:水泥（5）:粉煤灰（10）:碎石（砂砾）（85）。 试验结果见表 8。

2）应用:经过小型试验后，在洛阳的S328庙祖线改建工程LL-05标段K44+840-K45+000路面基层应用，设计方案为水泥稳定砂砾，配合比水泥（5）:粉煤灰（10）:砂砾（85），设计强度3.0 MPa。试验结果为:最大干密度为2.23 g/cm3，最佳含水量为8.4%，7天饱水无侧限平均抗压强度为3.6 MPa，符合设计施工要求。

表7 试验结果一览表

表8 无机结合稳定土无侧限抗压强度试验结果

3）结果分析:

①该材料与普通水泥相比较:混凝土的和易性改善,水化热小，干缩小，凝结时间有所延长，为公路基层施工的拌和、运输、摊铺、整平、碾压、检测等工序，争得了宝贵时间，从而保证了在水泥初凝之前，碾压工序结束，终凝前检测工序完成。因此比普通水泥更符合公路施工特性。

②与普通水泥稳定砂砾混合料的7天饱水无侧限抗压强度基本相等,都符合《公路路面基层施工技术规范》（JTJ 034-2000）和《公路工程质量检验评定标准》（JTGF80/1-2004）的规定，并且满足中华人民共和国《工程建设强制性条文》中公路工程部分的规定。后期取芯饱水抗压强度高与水泥稳定砂砾混合料相比，90天、180天的强度增长幅度不等,水泥基材料稳定砂砾混合料的后期取芯饱水抗压强度高，略高于水泥稳定砂砾混合料，详见取芯试验结果表9、表10。

表9 水泥、水泥基材料稳定砂砾混合料基层的取芯结果比较（90天）

③水泥基材料稳定砂砾混合料基层的横向裂缝（前、后期）明显少于水泥稳定砂砾混合料基层，主要得益于水泥基材料的微膨胀性（7天大于1.0‰）。表11是两种材料在铺设面层前后裂缝对比数据，时间分别是:基层施工后60天，面层施工后300天。

表11 水泥、水泥基材料稳定砂砾混合料基层的横向裂缝

4 结论

1）用50%的粉煤灰为主要原料,掺加20%左右的熟料,10%～15%的矿渣、石膏与其他组份，可以生产满足公路基层用水泥的施工技术（强度、凝结时间）要求。

2）由于该水泥粉煤灰掺量大，同时引进了膨胀源，使水泥的龄期水化热比低热粉煤灰水泥低，线膨胀系数7 d达到0.1%以上，28 d0.2%左右，使该水泥具有低水化热和微膨胀特点，有效解决了目前路面基层干缩开裂技术问题，延长公路使用寿命。

3）由于大量使用工业废渣，因此该水泥生产符合我国的产业政策要求；产品生产成本比普通水泥低很多，经济效益明显。产品的开发为我国公路建设提供了新的水泥品种，具有广泛的市场前景。