馮 浩 宋宏偉 薛耀東 朱宇杰

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.南京潤(rùn)程工程咨詢有限公司，南京 210000）

0 引言

近些年，受?chē)?guó)家環(huán)保政策影響，多數(shù)石場(chǎng)被要求關(guān)?；蛘D，影響了水泥生產(chǎn)原材料的供應(yīng)，增加了水泥的生產(chǎn)成本。同時(shí)，水泥需求量受季節(jié)影響，在用量高峰季節(jié)，往往存在供不應(yīng)求的狀況，影響工程進(jìn)度。

礦渣微粉作為選礦或冶煉后的殘余物， 具有潛在的水硬性和較強(qiáng)的混凝土活性， 是水泥和混凝土的優(yōu)質(zhì)摻和料。礦渣微粉已被廣泛應(yīng)用于混凝土的拌制，水泥的替代率可達(dá)30%～50%，且能夠改善水泥混凝土泌水性和流動(dòng)性，降低水化熱等[1]。

然而， 礦渣微粉在公路工程中的應(yīng)用與研究則相對(duì)較少。 目前我國(guó)公路基層絕大多數(shù)采用水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層[2]，若能夠?qū)⒌V渣微粉用于水穩(wěn)基層中，對(duì)于節(jié)約水泥用量、降低工程造價(jià)、緩解工期壓力、減少環(huán)境污染等方面皆具有積極意義。

本文將礦渣微粉與水泥的摻和料視為一種復(fù)合膠凝材料，分別進(jìn)行不同礦渣微粉與水泥摻配比例下，復(fù)合膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間與抗折強(qiáng)度分析； 進(jìn)行固定復(fù)合膠凝材料摻量下不同礦渣微粉與水泥摻配比例時(shí)水穩(wěn)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)比；進(jìn)行復(fù)合膠凝材料的經(jīng)濟(jì)性分析。對(duì)比分析表明， 礦渣微粉在水穩(wěn)混合料中可以替代一定量的水泥，并給出了推薦摻配比例。

1 原材料

試驗(yàn)采用原材料及指標(biāo)如下：

⑴水泥。采用海螺水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5 水泥，水泥檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，其各項(xiàng)指標(biāo)均符合GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》[3]中對(duì)P.O 42.5 水泥的要求。

⑵礦渣微粉。 采用寶鋼湛江鋼鐵有限公司生產(chǎn)的S95 級(jí)礦渣微粉，礦渣微粉檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，其各項(xiàng)性能均滿足GB/T 18046-2017 《用于水泥和混凝土中的?；郀t礦渣粉》[4]的要求。

⑶標(biāo)準(zhǔn)砂。 采用廈門(mén)艾思?xì)W生產(chǎn)的IOS 標(biāo)準(zhǔn)砂。

⑷集料。 粗骨料與細(xì)集料均為廣東省廉江市興順石廠產(chǎn)花崗巖碎石，集料指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表1 水泥的基本物理性能

表2 礦渣微粉的基本物理性能

表3 粗集料物理指標(biāo)

表4 細(xì)集料物理指標(biāo)

⑸水。采用自來(lái)水，檢測(cè)指標(biāo)滿足JGJ 63-2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》[5]中的要求。

2 復(fù)合膠凝材料基本性能分析

分析研究表明：礦渣微粉融入水中后，礦渣顆粒表面就會(huì)形成鋁硅酸鹽薄膜，若無(wú)化學(xué)激發(fā)劑加入，進(jìn)一步的水化作用就會(huì)終止，只有在堿性環(huán)境（PH＞13.5）激發(fā)礦渣玻璃體結(jié)構(gòu)解體，形成硅酸根與鋁酸根陰離子團(tuán)，并與鈣為代表的陽(yáng)離子生成水化硅酸鈣、 水化鋁酸鈣等具有凝膠性質(zhì)的水化產(chǎn)物， 因此需添加足夠劑量的水泥作為復(fù)合材料的激發(fā)劑[6-7]。

礦粉微粉與水泥共同摻入水泥穩(wěn)定碎石中， 可以將兩者視為一種復(fù)合膠凝材料， 必須滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[8]中對(duì)水泥材料的相關(guān)要求：水泥強(qiáng)度等級(jí)滿足32.5 或42.5，且水泥初凝時(shí)間應(yīng)不大于3h，終凝時(shí)間應(yīng)大于6h 且小于10h。

因此，本次試驗(yàn)采用4 種不同摻配比例，水泥與礦渣微粉摻配分別為100%∶0%、60%∶40%、50%∶50%和40%∶60%，分析不同水泥和礦渣微粉摻配比例時(shí)，復(fù)合膠凝材料是否滿足凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度指標(biāo)要求。

2.1 凝結(jié)時(shí)間

按照GB/T1346-2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》[9]測(cè)定對(duì)不同摻量的礦渣微粉和水泥復(fù)合膠凝材料凈漿凝結(jié)時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：

⑴不同摻配比例復(fù)合膠凝材料初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均滿足JTG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》中要求。

⑵配方2 時(shí)，復(fù)合膠凝材料初、終凝時(shí)間均較配方1（未摻礦渣微粉時(shí)）提高約30min。 配方3、4 時(shí)，復(fù)合膠凝材料初、終凝時(shí)間與配方1 相當(dāng)。配方1～4 凝結(jié)時(shí)間無(wú)明顯差異，表明水泥是初期水化產(chǎn)物的主要提供者，當(dāng)水泥劑量在40%～60%之間，通過(guò)降低水泥劑量減少初期水化產(chǎn)物量仍無(wú)法有效延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間。

⑶配方2～4 標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量均較配方1 提高了3.0%左右， 表明加入礦渣微粉使得凈漿失去流動(dòng)性的時(shí)間略微增加。

2.2 抗折、抗壓強(qiáng)度

按照J(rèn)TG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[10]中規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定不同摻量的礦渣微粉和水泥復(fù)合膠凝材料在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下膠砂的抗壓和抗折強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 抗折抗壓試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明： 不同摻量的礦渣微粉和水泥復(fù)合膠凝材料在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下膠砂的抗壓和抗折強(qiáng)度均能達(dá)到GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》中對(duì)P.O 42.5 水泥的要求，且隨著礦渣微粉的摻入，復(fù)合膠凝材料抗折、抗壓強(qiáng)度有一定的提升， 說(shuō)明復(fù)合膠凝材料中水泥劑量水化生成的Ca(OH)2能夠較好的激發(fā)礦渣微粉水化。

3 復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定碎石無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

按照J(rèn)TG/T F20-2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》要求，復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定碎石必須滿足7d 齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的要求。 試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有材料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)， 并按JTG E51-2009 《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》[11]試驗(yàn)方法測(cè)試不同摻量的礦渣微粉和水泥復(fù)合膠凝材料確定材料最佳含水量、最大干密度和7d 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度，驗(yàn)證混合料相關(guān)指標(biāo)，分析不同摻配比例的差別。

⑴設(shè)計(jì)級(jí)配。 按照配方1，進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石配合比試驗(yàn)，確定設(shè)計(jì)級(jí)配及相關(guān)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，并以此設(shè)計(jì)級(jí)配作為復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定碎石的試驗(yàn)級(jí)配。 設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表7。

表7 復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定碎石設(shè)計(jì)級(jí)配

⑵最大干密度及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 按4.6%的復(fù)合膠凝材料總摻量，采用振動(dòng)成型法，測(cè)試不同水泥與礦渣微粉摻配比例時(shí)， 復(fù)合膠凝材料穩(wěn)定碎石混合料的最大干密度、 最佳含水率及98%壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)條件下的試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8，表9。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

⑴水泥與礦渣微粉不同摻配比例時(shí)， 混合料最大干密度與最佳含水量基本無(wú)差異；

⑵礦渣微粉的摻入，對(duì)混合料7d 齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯影響，在摻配比例為50%∶50%時(shí)強(qiáng)度提升最多，約0.6MPa。

表8 振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

以路面基層中常用的普通硅酸鹽水泥P.O 42.5 為比照對(duì)象， 進(jìn)行水泥礦渣微粉復(fù)合凝膠材料的經(jīng)濟(jì)效益分析。以廣東省湛江市2020 年1 月地材價(jià)格為例進(jìn)行成本估算，估算結(jié)果見(jiàn)表10。 水泥和礦渣微粉復(fù)合膠凝材料與水泥相比能夠降低15%以上的成本， 每噸混合料 （按4.6%的復(fù)合膠凝材料總摻量計(jì)）節(jié)約成本3.6～5.5 元。

表9 不同復(fù)合凝膠7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

5 結(jié)論

⑴在水泥-礦渣微粉復(fù)合膠凝材料中，水泥是初期水化產(chǎn)物的主要提供者。 當(dāng)水泥摻量在40%～60%之間，復(fù)合膠凝材料初、終凝時(shí)間相當(dāng)，通過(guò)降低水泥劑量減少初期水化產(chǎn)物量無(wú)法有效延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間。

表10 經(jīng)濟(jì)效益分析

⑵水泥摻量達(dá)到40%及以上時(shí)對(duì)礦渣微粉強(qiáng)度的形成有很好的促進(jìn)作用， 礦渣微粉能夠替代部分水泥并能滿足強(qiáng)度要求。

⑶水泥與礦渣微粉不同摻配比例時(shí)， 混合料最大干密度與最佳含水量基本無(wú)差異， 礦渣微粉摻量在40%～60%時(shí)，混合料7d 齡期無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度無(wú)明顯影響。 水泥與礦渣微粉摻配比例為50%∶50%時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升最多，約0.6MPa。

⑷水泥和礦渣微粉復(fù)合膠凝材料與水泥相比經(jīng)濟(jì)性顯著， 能夠降低15%以上的水泥成本， 每噸混合料 （按4.6%的復(fù)合膠凝材料總摻量計(jì)）節(jié)約成本3.6～5.5 元。

⑸建議水泥-礦渣微粉復(fù)合膠凝材料中礦渣微粉摻量為40%～60%，不同材料需要通過(guò)配合比試驗(yàn)與試驗(yàn)段綜合確定礦渣微粉合理?yè)搅俊?/p>