■謝昌鍇

（福州市公路事業(yè)發(fā)展直屬中心，福州 350002）

水泥混凝土路面因水泥與集料質(zhì)量、施工工藝、養(yǎng)護(hù)不及時(shí)、重載交通等原因，造成路面裂縫、板角斷裂、邊角剝落、麻面露骨等早期病害，嚴(yán)重影響公路行車(chē)舒適性和安全而提前退役。路面水泥混凝土作為道面鋪裝，對(duì)耐磨、抗裂性要求高；水泥原材料作為混凝土中的膠凝材料是影響混凝土早期收縮開(kāi)裂、壽命過(guò)短、耐磨性差等重要因素，而目前市面上使用的水泥性能往往不能滿足日益繁忙的重載交通道路要求。以福州瑯岐國(guó)道228 路面加鋪工程試驗(yàn)段使用福建省交通強(qiáng)國(guó)科研項(xiàng)目研配的耐磨低收縮抗裂水泥為例，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與工程實(shí)例，檢驗(yàn)該水泥的實(shí)際工程耐磨效果和抗收縮開(kāi)裂性能。

1 水泥組分對(duì)路面混凝土耐磨與收縮性能的影響

路面混凝土不僅應(yīng)滿足其強(qiáng)度，還需具有良好的耐磨和抗裂性能。根據(jù)相關(guān)研究[1]表明，混凝土耐磨性與其抗壓強(qiáng)度有較好的相關(guān)性，耐磨性隨抗壓強(qiáng)度的提高而提高?；炷猎缙谑湛s與水化放熱特性有較大關(guān)系，主要表現(xiàn)為：水化速率快，放熱量大，早期收縮大，容易造成開(kāi)裂。影響路面混凝土耐磨與收縮性能的因素有很多，如混凝土原材料（水泥、集料、礦物摻合料、外加劑等）、配合比、施工工藝、養(yǎng)護(hù)手段、自然環(huán)境與交通量等。本文著重分析水泥組分這一重要因素對(duì)路面混凝土的耐磨和收縮性能的影響。

水泥組分對(duì)混凝土的水化放熱、早期收縮和路用性能影響較大，水泥中有4 種主要成分：硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）。（1）C2S：水化反應(yīng)速度慢，能有效防止裂縫產(chǎn)生，促進(jìn)裂縫的愈合，一般對(duì)含量要求較高，但過(guò)高會(huì)造成混凝土28 d 強(qiáng)度較低，產(chǎn)生泌水的可能性增大。當(dāng)C2S 含量大于25%時(shí)，混凝土的自愈合能力明顯增大，耐久性變好。（2）C3S：水化反應(yīng)快，放熱量大，是影響混凝土早期與后期強(qiáng)度的重要因素。提高C3S 含量，可提高混凝土早期強(qiáng)度，縮短拆模時(shí)間，加快工期，也有利于配制高標(biāo)號(hào)混凝土；但過(guò)高含量會(huì)加大水泥水化放熱量，強(qiáng)度和溫度上升過(guò)快，混凝土容易產(chǎn)生收縮裂紋[2-3]，其也是路面開(kāi)裂斷板的主要原因之一。（3）C3A：在水泥成分中水化放熱速度最快，早期強(qiáng)度較高 （3 d 內(nèi)能充分發(fā)揮），但絕對(duì)值較小，后期強(qiáng)度幾乎不增長(zhǎng)。含量高時(shí)，水化放熱迅速，造成混凝土失水過(guò)快，容易產(chǎn)生收縮裂縫；含量低時(shí)，混凝土初凝和終凝時(shí)間延長(zhǎng)，容易產(chǎn)生泌水[3]?！兜缆饭杷猁}水泥》（GB/T 13693-2005）規(guī)定水泥中C3A 含量不應(yīng)大于5%。（4）C4AF：水化速度較快，但水化熱低，干縮變形小，因其在水泥中含量較低，對(duì)混凝土初凝和終凝時(shí)間影響較小[3]；且其具有耐磨與抗沖擊性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此常用于有較高的耐磨與抗折強(qiáng)度需求的重載交通道路與飛機(jī)跑道等。

一般情況下，為使混凝土早期強(qiáng)度高，要提高水泥成分中的C3S 含量，不降低C3A 含量；提高C4AF 含量和降低C3A 含量能有效提高水泥的耐磨性能，降低C3A 含量和C3S 含量能降低混凝土早期收縮，避免早期微裂紋產(chǎn)生。但會(huì)存在一個(gè)問(wèn)題，即水泥早期強(qiáng)度會(huì)隨著C4AF 含量的提高，C3A 含量和C3S 含量的降低而下降。由此可知，混凝土早期強(qiáng)度和耐磨、收縮性能間存在對(duì)立關(guān)系，要使兩者都發(fā)揮良好效應(yīng)，可考慮以下2 方面：一是找到使早期強(qiáng)度不顯著下降，而耐磨收縮性能也能大幅提升的4 種礦物成分合適的含量；二是摻加混合料，使耐磨收縮性能提升時(shí)也能保證早期強(qiáng)度不下降。

2 耐磨低收縮抗裂路面水泥混凝土研制

根據(jù)水泥組分的不同，選用華潤(rùn)水泥公司生產(chǎn)的4 種水泥，按照同樣的配合比制作混凝土，進(jìn)行混凝土強(qiáng)度、耐磨、早期收縮試驗(yàn)研究，以期找到適合組分的路面專用水泥，滿足路面混凝土耐磨、低收縮、抗裂要求。4 種水泥分別為：PR7.5 （路面水泥）、PN42.5（核電低水化熱水泥）、PO42.5R（普通硅酸鹽水泥）和PII42.5R（硅酸鹽水泥）。水泥編號(hào)分別為C1、C2、C3 和C4，其水泥熟料組分含量如表1所示，再按表2 的配合比制作路面混凝土試件。由表1 可知，C1 水泥C4AF 含量最高，C3A 含量最低；C2 水泥和C1 水泥C3S 和C2S 含量相差不大，C4AF含量降低和C3A 含量增大。C3 水泥和C4 水泥各組分相差不大。

表1 4 種水泥熟料組分含量

表2 路面混凝土配合比參數(shù)

2.1 混凝土耐磨與強(qiáng)度試驗(yàn)

采用上述4 種水泥按表2 混凝土配合比參數(shù)分別制作混凝土試件，共4 個(gè)工況，水泥C1～C4 分別對(duì)應(yīng)工況G1～G4，對(duì)每個(gè)工況開(kāi)展抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和磨耗試驗(yàn)（在鋼輪式耐磨機(jī)采用140 N 荷載進(jìn)行200 s 的磨耗實(shí)驗(yàn)）。試驗(yàn)結(jié)果如表3、圖1～3所示。從表3、圖3 可知，C1 水泥（路面水泥）混凝土磨損體積最小，其C4AF 和C3A 含量分別為16.66%和2.69%，分別為4 種水泥中最高和最低；工況G1～G4 中，C1 分別比C2、C3、C4 磨損體積下降13.4%、30.4%、24.7%，C1 水泥的磨損體積比普通硅酸鹽水泥降低30%左右，說(shuō)明C4AF 含量和C3A 含量對(duì)水泥路面混凝土的磨損體積影響較大。C4（硅酸鹽水泥）中的C3S 和C3A 含量在4 種水泥中最高，其混凝土抗折強(qiáng)度最大（5.83 MPa）約為C1 的107%、C2 的110% ；C4 混凝土抗壓強(qiáng)度也是最大（54.7 MPa），是C1 的101%、C3 的110%。說(shuō)明水泥組分的C3S 和C3A 含量會(huì)明顯影響混凝土的強(qiáng)度。從上述圖表可知，4 種水泥混凝土抗壓強(qiáng)度從高到低為：C4＞C1＞C3＞C2；抗折強(qiáng)度從高到低為：C4＞C1＞C2＞C3；磨損體積從低到高為：C1＞C2＞C4＞C3，說(shuō)明C1 水泥（路面水泥）混凝土耐磨性能最好，強(qiáng)度也較高。

圖1 4 種水泥混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值

圖2 4 種水泥混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)值

圖3 4 種水泥混凝土磨耗試驗(yàn)值

表3 4 種水泥混凝土的強(qiáng)度與磨耗試驗(yàn)結(jié)果

2.2 混凝土早期收縮性能試驗(yàn)

初凝開(kāi)始的早期收縮是造成混凝土早期開(kāi)裂的重要原因?；炷猎缙谑湛s主要由膠凝材料的收縮引起，而粗骨料本身一般不會(huì)收縮，但會(huì)抑制膠凝材料收縮的開(kāi)展[4]。按上述4 種類型水泥以及表2的配合比進(jìn)行混凝土早期收縮性能試驗(yàn)。試驗(yàn)工況分別為A1、A2、A3 和A4，不同組分水泥3 d 的收縮率試驗(yàn)結(jié)果如表4 和圖4 所示。從表4 與圖4 可知，具有低C3A 含量的C2 水泥的各齡期混凝土早期收縮率均為最低，C1 水泥次之；具有高C3A 和C3S 含量的C4 水泥，其混凝土收縮增長(zhǎng)最快，收縮率最高，說(shuō)明不同水泥組分對(duì)混凝土早期收縮影響較大。C2 水泥12 h 早期收縮率為105×10-6，是C4 水泥的55.6%，72 h 收縮率是C4 水泥的63.7%；C4 水泥12 h 完成了72 h 收縮的71.3%，收縮率快。C1 與C2 相比，兩者的C3S 含量與C2S含量相差不大，C1 水泥雖然C3A 含量更低，但水泥4 種組分中，以C3A 干縮性最大，是其他3 種礦物成分的幾倍，C3S 含量因在4 種熟料組分中占比很大，故對(duì)收縮的影響相對(duì)較大。C1、C2、C4 3 種水泥的C3S 和C3A 含量分別為：49.19%和2.69%、49.39%和4.25%、55.67%和7.52%，C1 和C2 水泥混凝土早期收縮率遠(yuǎn)低于C4 水泥的收縮率。因此，選擇具有低C3A 和C3S 含量的水泥可以有效降低混凝土的早期收縮。

圖4 4 種水泥混凝土早期收縮率對(duì)比圖

2.3 耐磨低收縮抗裂路面水泥組分建議

根據(jù)上述試驗(yàn)研究，路面水泥組分設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)控制C3A 含量，當(dāng)其含量在4.25%左右時(shí)，便可較大幅度降低水化熱和混凝土早期收縮；當(dāng)C4AF 含量提升到16.66%左右時(shí)，路面混凝土的磨損體積減少，耐磨性能較高；為避免早期強(qiáng)度下降比較明顯，C3S 含量應(yīng)盡量保持在50%以上；C2S 含量控制在18%～28%范圍為宜，并可添加2%的鋼渣作為混合材，有助于提高混凝土耐磨能力。

3 耐磨低收縮抗裂水泥工程驗(yàn)證

3.1 工程概況

福州瑯岐國(guó)道228 路面加鋪工程路線全長(zhǎng)2.73 km，設(shè)計(jì)速度40 km/h，路面寬度9 m。舊路為水泥混凝土路面，該路段交通量大、重載交通多，在長(zhǎng)期重載交通通行下路面出現(xiàn)沉陷、斷板、開(kāi)裂等病害，故進(jìn)行路面加鋪改造。設(shè)計(jì)方案為：（1）破損嚴(yán)重路段：挖除舊路面后采用26 cm 鋼筋混凝土面層+1 cm 乳化瀝青碎石層+18 cm 5%水穩(wěn)層+15 cm填隙碎石+換填50 cm 石渣；（2）較完好路段：采用26 cm 鋼筋混凝土面層+1 cm 乳化瀝青碎石層+15 cm 5%水穩(wěn)層+hcm5%水泥穩(wěn)定碎石調(diào)整層（核對(duì)）+舊路面較完好路段利用。

3.2 試驗(yàn)段混凝土配合比及原材料

選取200 m 作為工程試驗(yàn)段，采用前述研究的華潤(rùn)路面耐磨低收縮抗裂水泥（其他段采用煉石牌P.042.5 普通硅酸鹽水泥），碎石粒徑選用4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm 摻配成連續(xù)集配，砂采用中粗機(jī)制砂，外加劑采用減水型抗折劑；設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度為5.0 MPa，根據(jù)室內(nèi)配合比試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出混凝土施工配合比參數(shù)見(jiàn)表5。試驗(yàn)段鋼筋混凝土路面分左右兩幅進(jìn)行攤鋪：右幅攤鋪時(shí)間為2022 年5 月27—28 日，左幅攤鋪時(shí)間為2022 年7 月13—14 日。

表5 試驗(yàn)段路面混凝土施工配合比

3.3 試驗(yàn)段路面施工要點(diǎn)

（1）粗集料公稱最大粒徑不應(yīng)超過(guò)26.5 mm，路面用砂為機(jī)制砂，應(yīng)堅(jiān)硬、潔凈，無(wú)雜質(zhì)，含泥量＜2%，細(xì)度模數(shù)不宜小于2.5。（2）混凝土拌和站設(shè)置在工地附近，運(yùn)輸采用翻斗車(chē)?；炷列读虾?，分2層鋪筑混凝土，先人工攤鋪1 層，用插入式振搗棒振搗后，安裝定位路面鋼筋網(wǎng)；再攤鋪第2 層混凝土，插入式振搗后，再人工補(bǔ)料并配合三輥軸攤鋪機(jī)鋪筑混凝土，整平提漿；最后用旋轉(zhuǎn)抹面機(jī)密實(shí)精平飾面兩遍。（3）機(jī)制砂中含有石粉，一定程度上會(huì)減弱減水劑效果，導(dǎo)致坍落度?。辉黾訙p水劑含量可改善活易性，但過(guò)多減水劑會(huì)導(dǎo)致施工抹面后出現(xiàn)小氣泡、鼓包；調(diào)整減水劑內(nèi)成分摻量（不加引氣和緩凝成分）可改善小氣泡、鼓包情況。（4）路面混凝土屬于干硬性混凝土，坍落度小，采用普通的三滾軸施工比較困難，容易出現(xiàn)提漿困難、振搗不密實(shí)情況；再加上攤鋪混凝土過(guò)程中需安裝鋼筋網(wǎng)，導(dǎo)致攤鋪施工較費(fèi)勁，攤鋪拌和時(shí)間較慢；可以添加垂直振動(dòng)設(shè)備，例如震動(dòng)平板來(lái)改善施工難度。（5）因施工時(shí)間在炎熱的夏天，需安排專人負(fù)責(zé)混凝土養(yǎng)護(hù)，確保養(yǎng)護(hù)期間混凝土處于潮濕狀態(tài)。及時(shí)用切縫機(jī)切割水泥混凝土路面縮縫，防止路面出現(xiàn)裂縫，深度為5 cm，清除縫內(nèi)雜質(zhì)；路面表面構(gòu)造采用刻槽機(jī)刻紋，深度為1.1 mm，刻槽間距為2.5 cm，段落間距為6 cm。

3.4 試驗(yàn)段實(shí)施效果

瑯岐G228 線試驗(yàn)段路面施工效果如圖5 所示，可知（1）試驗(yàn)段路面水泥水化速度慢，放熱量低，初凝后路表溫度較低，終凝后路面呈青灰色。工程完工后路面未發(fā)現(xiàn)收縮裂紋，說(shuō)明該水泥早期效果較好；（2）路面外觀：施工結(jié)束后近1 年，路面未出現(xiàn)裂紋，現(xiàn)場(chǎng)色澤均勻、美觀，平整度符合要求；與其他路段相比，試驗(yàn)段路面混凝土表面未見(jiàn)磨損，耐磨性能更好；（3）抗折強(qiáng)度：根據(jù)28 d 室內(nèi)小梁抗折強(qiáng)度試驗(yàn)以及試驗(yàn)段路面芯樣劈裂試驗(yàn)換算抗折強(qiáng)度，如表6 所示，其值均遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度5.0 MPa，說(shuō)明該路面混凝土強(qiáng)度滿足要求。

圖5 瑯岐G228 線試驗(yàn)段路面施工效果圖

表6 試驗(yàn)段路面抗折強(qiáng)度測(cè)定值（單位：MPa）

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)4 種水泥室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，C1水泥（路面水泥）混凝土耐磨性能最好，C4 水泥（硅酸鹽水泥）混凝土強(qiáng)度最高，C1 水泥混凝土次之；混凝土早期收縮率C2 水泥（核電低水化熱水泥）最低，C1 水泥混凝土次之；說(shuō)明C1 路面水泥混凝土耐磨性能最佳，強(qiáng)度也較高。

（2）從福州瑯岐國(guó)道228 線路面加鋪工程試驗(yàn)段使用效果來(lái)看，工程通車(chē)近1 年未見(jiàn)裂縫與明顯磨損，外觀美觀平整，說(shuō)明耐磨低收縮抗裂路面水泥的耐磨、抗裂性能優(yōu)良，配合比設(shè)計(jì)科學(xué)合理，適用于重載交通道路。