車紅衛(wèi)

（山西路橋集團(tuán)試驗(yàn)檢測中心有限公司，山西 太原 030006）

目前，為了進(jìn)一步保證路面水穩(wěn)基層施工質(zhì)量，延長水泥凝結(jié)時間，急需研制一種道路水穩(wěn)基層緩凝專用水泥代替普通硅酸鹽水泥[1]。中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局與中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2018年11月發(fā)布實(shí)施《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》GB/T 35162—2017標(biāo)準(zhǔn)，據(jù)此，研究的主要目的是利用循環(huán)流化床固硫灰渣制備大摻量的脫硫灰渣水泥，探究脫硫灰渣水泥力學(xué)性能以及在水泥穩(wěn)定基層方面的應(yīng)用[2]。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

該試驗(yàn)中采用的脫硫灰渣來自晉能電廠（化學(xué)成分見表1），水泥熟料來自國金水泥廠（化學(xué)成分見表2），天然石膏來自昌泰恒源建材有限公司，緩凝劑型號為TDA117，以上材料主要化學(xué)成分用X射線熒光光譜儀測定。

表1 脫硫灰渣化學(xué)成分 %

表2 水泥熟料化學(xué)成分 %

1.2 試樣制備

采用Φ500×500 mm磨機(jī)對摻有一定比例的水泥熟料、脫硫灰渣、天然石膏、緩凝劑粉料進(jìn)行研磨，研磨時間20～30 min，得到脫硫灰渣緩凝專用生態(tài)水泥P.RS32.5。

1.3 測試方法

1.3.1 脫硫灰渣水泥力學(xué)性能測定

a）依據(jù)《水泥密度測定方法》GB/T 208—2014進(jìn)行密度測定。

b）依據(jù)《水泥細(xì)度檢驗(yàn)方法篩析法》GB/T 1345—2005進(jìn)行細(xì)度測定。

c）依據(jù)《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量凝結(jié)時間 安定性檢測方法》GB/T 1346—2011分別對標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間及沸煮法安定性進(jìn)行測定。

d）依據(jù)《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》GB/T 35162—2017、《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO）法》GB/T 17671—1999進(jìn)行力學(xué)性能測定。

e）依據(jù)《膨脹水泥膨脹率試驗(yàn)方法》JC/T 313—2009進(jìn)行線膨脹率測定。

f）依據(jù)《硫酸鈣改性硅酸鹽水泥》JC/T 1099—2009、《水泥壓蒸安定性試驗(yàn)方法》GB/T 750—92進(jìn)行浸水法和壓蒸法安定性測定。

1.3.2 脫硫灰渣水泥形貌測定

采用Hitachi S4800掃描電鏡測試型掃描電子顯微鏡，高壓25 kV。從規(guī)定齡期的水泥膠砂基體上取約2 mm的顆粒，先用酒精中止水化后再用丙酮清洗掉表面上的污漬，放入110℃的真空干燥箱內(nèi)烘干，然后置于掃描電子顯微鏡中進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥性能分析

采用1.3測試方法測定結(jié)果見表3。

表3 脫硫灰渣緩凝專用生態(tài)水泥性能指標(biāo)

從表3看出：此水泥的凝結(jié)時間、細(xì)度及7 d和28 d力學(xué)性能滿足《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》GB/T 35162—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。前期強(qiáng)度增長較慢，這是因?yàn)樵撍鄵饺肓舜罅棵摿蚧以嗍肓蠐搅枯^少，前期水泥水化速率減慢造成的。后期強(qiáng)度增大是由于摻入大摻量脫硫灰，脫硫灰含有較多火山灰等活性物質(zhì)，在硫酸鹽及水泥熟料堿性條件下，生成大量的C-S-H和C-A-H膠凝材料。同時由于混合料中存在大量的Ca2+也在一定程度上使鋁酸鹽的聚合度增加，宏觀方面表現(xiàn)為水泥膠砂試件更加致密化，從而提高水泥膠砂的強(qiáng)度[3]。此外，在低堿度環(huán)境下，水化反應(yīng)生成的鈣礬石在一定程度上彌補(bǔ)水泥收縮，增加水泥機(jī)體強(qiáng)度。從表3還可以看出，此水泥較常規(guī)水泥而言，凝結(jié)時間延長。這是因?yàn)橛妹摿蚧以鏊鄵胶狭蟍4]，脫硫灰渣中含有較多的硫酸鹽、亞硫酸鹽，經(jīng)過粉磨，脫硫灰渣晶粒細(xì)度增加，加快了與鋁酸鹽的反應(yīng)速率，未水化的水泥孰料表面短時間內(nèi)被大量的鈣礬石包圍，在一定程度上延長了水泥漿體的凝結(jié)時間。此外，此水泥中存在硬石膏，硬石膏與二水石膏相比，溶解速率小，在二水石膏完成反應(yīng)后，硬石膏又與硫鋁酸鈣反應(yīng)再次生成鈣礬石。在上述兩個方面作用下，促使了此水泥的凝結(jié)時間延長。

2.2 脫硫灰渣緩凝專用生態(tài)水泥在路面基層的性能分析

試驗(yàn)采用4種水泥劑量（4.0%、4.5%、5.0%、5.5%），碎石來自文水混凝土攪拌站，依據(jù)《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTG/T F20—2015進(jìn)行礦料集配合成，得出混合料摻配比例為10～30 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶石粉=10∶35∶20∶35。通過不同水泥劑量對水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的影響，分析脫硫灰渣水泥在路面基層穩(wěn)定材料中的作用效果，為其在工程中的推廣應(yīng)用提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。通過擊實(shí)試驗(yàn)及7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 脫硫灰渣緩凝專用生態(tài)水泥穩(wěn)定碎石擊實(shí)結(jié)果和7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

從表4看出：隨著水泥劑量摻量增大，無機(jī)結(jié)合料最佳含水率逐漸增大。這是因?yàn)樗鄤┝吭龃?，混合料中?xì)料增多，同時流化床固硫灰渣顆粒大多成不規(guī)則形狀，表面呈現(xiàn)出疏松多孔的狀態(tài)，且與外界之間存在大量的連通孔，且固硫灰渣進(jìn)行粉磨處理破壞其宏觀面貌之后其微觀的顆粒形貌基本上不會改變，所以最佳含水率隨水泥摻量增大呈增大趨勢。隨著水泥劑量摻量增大，最大干密度呈增大趨勢。這是因?yàn)樵撍嗉?xì)度大，水化反應(yīng)速率較快，在擊實(shí)試驗(yàn)過程中，會有部分水泥發(fā)生水化反應(yīng)，生成水泥石，增加混合料比重，故表現(xiàn)為混合料干密度呈增大趨勢。隨著水泥劑量摻量增大，7 d無側(cè)限強(qiáng)度也呈增大趨勢。這是因?yàn)樗鄤┝吭龃?，水泥摻量增多，生成更多的水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，從而增加機(jī)體強(qiáng)度。

2.3 微觀機(jī)理分析

掃描電鏡下觀測7 d、28 d的水泥膠砂水化反應(yīng)微觀形貌（見圖1），在水泥膠砂內(nèi)部，有大量的鈣礬石生成。鈣礬石的生成有利于強(qiáng)度的提高，而且鈣礬石的微膨脹也會使體系更加密實(shí)（圖1a），同時還有部分微小顆粒物填充及部分膠凝材料生成，在一定程度上提高水泥膠砂強(qiáng)度。觀察28 d水泥膠砂水化反應(yīng)微觀形貌（圖1b、圖1c），水泥水化反應(yīng)主要是玻璃相的硅鋁相物質(zhì)與溶解在液相中鈣離子的結(jié)合反應(yīng)[3-4]，水泥細(xì)度越大，水泥水化反應(yīng)速率越快，而水化產(chǎn)物的數(shù)量和種類決定膠凝材料的活性，由于灰渣中含有較多的活性物質(zhì)，決定該種水泥有較高的力學(xué)性能。

圖1 掃描電鏡下觀測的水泥膠砂水化微觀形貌

3 結(jié)語

a）用大摻量脫硫灰渣（超過60%以上）制備道路基層緩凝專用生態(tài)硅酸鹽水泥，該水泥力學(xué)性能符合《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》GB/T 35162—2017標(biāo)準(zhǔn)要求。

b）用于路面基層（底基層）中時，隨著水泥摻量增大，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也呈增大趨勢。

c）脫硫灰渣大摻量制備道路基層緩凝專用生態(tài)硅酸鹽水泥是可行的。