耐磨低收缩抗裂路面水泥的试验与应用

文 福建省公路事业发展中心 陈峰

近年来，伴随我国经济的不断发展，水利、高速公路、高速铁路、机场、港口及民生工程陆续开工建设，砂石材料不断被消耗，品质好的砂石材料更是越来越少，机制砂逐渐成为砂的主要来源。机制砂破碎和生产过程中产生的不可避免的附带石粉，易与水泥浆体发生作用，影响水泥的水化、与外加剂的相容性、体积变化、混凝土强度、耐磨性能等，目前是一个较为复杂的问题。福建省交通强国项目《耐磨低收缩抗裂道面水泥应用研究》（以下简称《研究》）重点对水泥组分与机制砂石粉、外加剂对路面混凝土的影响效应开展深入研究。

国道319线福建省段景观

水泥混凝土路面是我国高等级路面的重要形式，具有强度高、刚度大、扩散能力强、稳定性好、耐高温及养护费用少等优点，在高速公路、市政工程、工业建筑和机场港口等都得到了广泛应用。

水泥混凝土路面为承受冲击、振动、疲劳、磨损的动载结构，其控制技术指标有弯拉强度、耐疲劳性、耐磨性、抗冻性、工作性等。如果施工过程中，由于原材料选择不严格或施工水平不高，路面通车不久即会出现脱皮、麻面、露骨等严重磨损病害及开裂现象，影响路面的正常使用功能和使用寿命。

水泥的组分、机制砂石粉的性质和外加剂均对路面混凝土的施工性能和长期性能有显著的影响。水泥混凝土路面使用的水泥大多为普通硅酸盐水泥或者硅酸盐水泥，其铝酸三钙含量高，铁铝酸四钙含量低，造成水泥水化速率快，放热量大，混凝土早期收缩可能性增大，混凝土耐磨性能较差。

主要研究工作成果

《研究》选用不同组分水泥、不同机制砂石粉和聚羧酸减水剂，采用水化放热实验、混凝土收缩试验、强度试验、耐磨试验及X射线衍射和扫描电子显微镜微观试验，研究了水泥的水化放热特性、混凝土收缩、耐磨性能等路用性能的影响及机制，并提出了路面混凝土性能提升技术。

水泥组分和机制砂石粉对水泥水化特性的影响

铝酸三钙含量低的道路水泥可以较普通硅酸盐水泥延长诱导期结束时间1小时至2小时。水泥混合材料过多过杂会减慢水化速率及降低放热量和强度，掺加少量混合材料能提高某种性能。不同岩性石粉均能加速水泥水化作用，聚羧酸减水剂能明显延缓水泥的诱导期时间，石粉能使减水剂延缓作用减弱，通过X射线衍射结果分析，均无新的水化产物生成。

水泥组分和机制砂石粉对混凝土早期收缩的影响

水泥组分、石粉含量和水灰比，相对于砂率和水泥用量等而言，对混凝土早期收缩影响更大。较高铝酸三钙和硅酸三钙含量的水泥，其收缩速度快与收缩总量大。当适量减少硅酸三钙含量时，水泥铝酸三钙含量低于某一数值时，在此范围内，混凝土早期收缩也能显著降低。从总体来看，石粉含量的增加会明显增加早期收缩，因此要控制石粉的含量。

水泥组分和机制砂石粉对混凝土耐磨性能的影响

增加铁铝酸四钙的含量对混凝土的耐磨性有较大的提升作用；机制砂存在一定的石粉会使混凝土耐磨性优于河砂及未添加石粉时的耐磨性能；降低砂率也有助于提高混凝土耐磨性能；通过微观试验发现，混凝土致密有序，强度和耐磨性能越好。

小型加速加载磨损试验机

减水剂对路面混凝土路用性能的影响研究

缓凝型的聚羧酸减水剂能明显降低混凝土的早期收缩，并使混凝土由体积收缩转变为体积膨胀，且减水剂含量高时，会使混凝土一直处于膨胀状态。石粉能够减弱减水剂对混凝土早期收缩的降低作用，石灰石粉的减弱作用大于花岗岩石粉。减水剂还能改善施工性能从而改善混凝土的强度和耐磨性能。减水剂掺量过大时，会对混凝土性能产生不稳定的影响，尤其是在石粉也存在时，应控制减水剂的掺量。

工程现场试验研究

通过实际工程使用效果，发现选用高含量铁铝酸四钙和低含量铝酸三钙的道路水泥，其与机制砂、减水剂共同作用时路用性能良好，具有初凝时间长、后期强度高、早期抗裂性能和耐磨性能好等优点。

轮胎磨损试验

路面磨损破坏主要是由磨粒磨损和疲劳磨损两种模式综合作用引起，两者同时发生，互相作用。对于水泥路面混凝土，车辆轮胎与混凝土直接作用的磨损研究较少，《研究》借鉴相关方法，进行水泥路面混凝土的轮胎试验磨损试验研究。磨损仪器采用项目组研制的小型加速加载磨损试验机。小型加速加载磨损试验机采用4个轮胎在试件上环形运转，模拟真实车辆轮胎作用对水泥路面的磨损作用，分别测量试件的质量损失率，并进行分析。

试验显示，通过该小型加速加载磨损试验机对水泥路面混凝土进行轮胎磨损，并以质量损失率作为磨损性能指标，具有良好的可行性，其能较好反映水泥混凝土路面在车轮作用下的耐磨性能。

《研究》主要分析了水泥组分、石粉和配合比参数等对混凝土强度和耐磨性能影响，并选取了不同水泥工况和石粉工况进行微观分析。

水泥组分和砂的类型对混凝土耐磨性能的影响

铁铝酸四钙含量提升到16.6%时能较大提高耐磨性能，硅酸三钙和铝酸三钙含量高时，抗折抗压强度大。水泥中掺加的混合材能明显影响强度和耐磨性能，掺加少量钢渣，耐磨性能提升；掺加石灰石，强度提高；混合材掺量大且种类多时，混凝土强度和耐磨性能显著下降。机制砂的强度和耐磨性能优于同配合比时的河砂混凝土，致密有序的微观结构，其宏观性能更好。

石粉对混凝土耐磨性能的影响

石粉含量在10%左右时，混凝土性能优良。随着石粉含量的增加，不同岩性石粉机制砂混凝土磨损体积和强度均先降低再升高，石粉含量为10%时，混凝土磨损体积最小，抗压抗折强度最高。石粉对混凝土对强度和耐磨性能的影响有一个最佳值，当石粉含量低于这个数值时，石粉发挥正向作用，高于这个数值，负向作用占主要作用。混凝土中石粉含量继续增加时，游离粉增多，会破环骨料与水泥石的黏结，导致界面变差，强度和耐磨性能降低。

石粉对水化产物和微观结构的影响

掺加适量石粉能改善混凝土的微观结构。掺加石粉的28日混凝土X射线衍射试验结果中，都有较多的氢氧化钙水化产物和少量的钙矾石晶体，其中掺加花岗岩石粉中的混凝土中二氧化硅含量较多，多于掺加石灰石粉中的混凝土中二氧化硅含量，并随着花岗岩石粉含量的增多，衍射峰增强；掺加石灰石粉中的混凝土中碳酸钙含量较多，还有新的产物水化碳铝酸钙生成，这也是石灰石粉活性大，对水泥水化的加速作用大于花岗岩石粉的主要原因。掺加10%含量石粉时，其微观形貌中的水化产物分布较均匀，并交织紧密，对混凝土的孔隙有较大的改善作用，从而石粉含量在10%时，宏观性能较好。

配合比参数对混凝土耐磨性能的影响

水灰比对强度和耐磨性能的影响高于单位水泥用量和砂率。为提高路面混凝土强度和耐磨性能，可以在保证施工性能的前提下，尽量降低水灰比；提高单位水泥用量并保持单位水泥用量每立方米不超过380千克；控制砂率在36%左右。同时，在施工性能良好的情况下，调整水灰比大小对混凝土强度和耐磨性能的提升作用更大，其次是调整水泥用量，尽量不调大砂率。

国道319线福建省漳州市段

轮胎磨损试验方法研究

通过新型加速加载磨损试验机对水泥路面混凝土进行轮胎磨损，并以质量损失率作为磨损性能指标，具有良好的可性行，能较好反映水泥混凝土路面在车轮作用下的耐磨性能。

试验段应用成果

为检验路面耐磨抗裂低收缩水泥的实际工程耐磨效果；验证配合比设计方法的科学性及后续观察验证路面耐磨水泥混凝土实际耐磨抗裂低收缩性能提供了依据。在泉州惠安和福州琅岐开展了试验段研究。

试验段采用的是华润路面抗裂低收缩耐磨水泥，其严格控制了铝酸三钙的含量和大幅度提升了铁铝酸四钙含量，施工凝结的路面呈铁青色，施工完成后路面表面温度低，水化速率慢，放热低，路面裂纹少，技术提升改善效果明显。

在泉州惠安县道进行试验段施工，试验段为单侧右幅第二车道，浇筑长为430米，浇筑板宽为4米，铺筑面积为1720平方米。

表1 泉州试验段现场施工试验配合比

试验段配合比设计时，粗骨料最佳级配通过最大密实度理论确定，细集料采用泉州机制砂其细度模数为2.92，级配良好符合使用要求。最终确定试验段配合比，具体工况如表1所示。减水剂采用福建科之杰聚羧酸缓凝型减水剂。

试验段采用排式振捣加三辊轴施工，在正常风况下施工，后采用土工布覆盖洒水养护。

在实际试验段铺筑过程中，路面水泥混凝土的施工性能较好，混凝土出浆速度较快满足施工要求。水泥混凝土砂浆层厚度适宜，对于水泥混凝土耐磨性能有提升效果。

抗折强度试验

在试验段施工过程中取路面水泥混凝土进行室内标准养护，以及施工现场同时养护，后达到相应龄期后进行抗折强度试验，具体试验结果如表2所示。

表2 泉州试验段7日抗折强度

由表2可知，在同样工况下实验室标准养护的抗折强度均略大于现场同等养护，在现场同等养护情况下使用路面水泥的工况F1抗折强度为4.6兆帕，工况F2为4.5兆帕相差较小。

试验段试件养护28日抗折强度试验结果如表3所示。由表3可知，在同样工况下实验室标准养护的抗折强度均略大于现场同等养护，在现场同等养护情况下工况F1的28日抗折强度为5.8兆帕，F2的抗折强度也为5.8 兆帕，现场同等养护情况下抗折强度均大于5.0兆帕满足规范要求，满足规范要求。

劈裂试验

对泉州试验段进行路面的钻芯取样，后续进行劈裂试验。根据钻芯取得的试样观察其表面可以发现，其中第一天前几车铺筑观测到一些孔隙，主要由于当天施工刚开始时施工现场缺少振动提浆设备，振捣不到位，导致气泡未及时排出，后聚集与混凝土内部随着路面混凝土硬化最终生成气泡孔隙。后续铺筑的路面水泥混凝土整体密实度较好。

对路面混凝土钻芯试样进行劈裂试验。其中工况F1的试件①为试验段刚开始铺筑时未使用竖向振捣工具时试样，试件①中存在一些空隙，这主要是由于缓凝型聚羧酸减水剂的掺入引入气泡，在施工过程中未振捣密实导致气泡未及时排除，留在路面混凝土影响混凝土性能。

表3 泉州试验段28日抗折强度

对各工况试件进行劈裂试验得到其极限荷载，通过极限荷载可知劈裂抗拉强度，换算成弯拉强度来表示其性能，具体试验结果如表4所示。

表4 泉州试验段劈裂试验结果

由表4可知，工况F1其弯拉强度为7.07 兆帕、F2的弯拉强度为6.83 兆帕均显著大于设计弯拉强度，抗裂性能好且能改善其耐磨性能。表明掺聚羧酸缓凝型减水剂的路面混凝土具有优异的抗裂、耐磨性能，能够有效提升路面的使用寿命。其中F1工况试件①劈裂弯拉强度仅为5.92 兆帕，显著小于F1代表值，主要由于其施工过程中未使用竖向振捣设备，振捣不充分引入的气泡未能及时排出，留在混凝土内影响性能。

综上试验段的应用显示，使用路面水泥的路面水泥混凝土具备有良好的施工性能、强度、抗裂性能、耐磨性能。在实际使用中掺加减水剂可以有效提升路面混凝土的性能，但在使用减水剂时应注意施工振捣，排出气泡使减水剂能达到最佳效果。