摘 要：集料是水泥穩(wěn)定碎石的主要組成材料之一，集料化學(xué)組成特性對(duì)水泥穩(wěn)定碎石初期水化存在潛在影響。該研究初選石灰?guī)r、白云巖、玄武巖、片麻巖和閃長巖5種不同來源集料，并基于CemGEMS在統(tǒng)一環(huán)境和水泥條件下進(jìn)行水化模擬分析。在此基礎(chǔ)上，以石灰?guī)r集料為例對(duì)比分析水泥水化過程中各類水化產(chǎn)物的生成演變規(guī)律，進(jìn)而比較不同集料條件下鈣礬石、水化硅酸鹽等關(guān)鍵產(chǎn)物的生成速率，并統(tǒng)計(jì)分析集料化學(xué)成分與水化產(chǎn)物生成之間的內(nèi)在關(guān)系。結(jié)果表明，相比玄武巖、閃長巖等酸性集料，石灰?guī)r、白云巖等高碳酸鹽類集料條件下鈣礬石生成速率相對(duì)緩慢，且水化硅酸鹽生成量相對(duì)較少；集料SiO2含量與水化硅酸鹽生成量呈線性關(guān)系，SiO2含量越高則水泥水化生成的水化硅酸鹽越多。

關(guān)鍵詞：多源集料；組成成分；水泥水化；數(shù)值計(jì)算；過程分析

中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）31-0092-04

Abstract： Aggregate is one of the main components of cement stabilized gravel， and the chemical composition characteristics of aggregate have a potential impact on the initial hydration of cement stabilized gravel. In this study， five different sources of aggregate， including limestone， dolomite， basalt， gneiss， and diorite， were selected， and hydration simulation analysis was carried out based on CemGEMS under a unified environment and cement conditions. On this basis， taking limestone aggregate as an example， the formation and evolution laws of various hydration products during cement hydration were compared and analyzed， and then the formation rates of key products such as ettringite and hydrated silicate under different aggregate conditions were compared.， and the intrinsic relationship between the chemical composition of aggregate and the formation of hydration products was statistically analyzed. The results show that compared with acidic aggregates such as basalt and diorite， ettringite formation rate is relatively slow under high carbonate aggregate conditions such as limestone and dolomite， and the amount of hydrated silicate formation is relatively small; the SiO2 content of aggregate is linearly related to the amount of hydrated silicate formation. The higher the SiO2 content， the more hydrated silicate formed by cement hydration.

Keywords： multi-source aggregate; composition; cement hydration; numerical calculation; process analysis

水泥穩(wěn)定碎石作為一種高性能建筑材料，由于其具有高承載力、耐久性優(yōu)及價(jià)格低廉等優(yōu)勢，致使其在現(xiàn)代工程領(lǐng)域成為一種不可或缺的材料。隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高及對(duì)環(huán)境友好型建筑材料需求的增長，多源集料水泥穩(wěn)定碎石的開發(fā)和應(yīng)用展現(xiàn)出了更大的研究空間和潛力[1]。多源集料水泥穩(wěn)定碎石是以水泥為穩(wěn)定劑混合多種不同來源的碎石、砂礫以及其他補(bǔ)充材料經(jīng)拌和、壓實(shí)與養(yǎng)護(hù)后形成的具有高穩(wěn)定性的復(fù)合材料，其大規(guī)模使用有助于降低廢舊集料對(duì)環(huán)境的影響并實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。為確保工程應(yīng)用，如何進(jìn)一步提升其性能成為了研究者關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。現(xiàn)有研究多集中于集料自身強(qiáng)度、顆粒形態(tài)及其組成設(shè)計(jì)對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的影響[3-5]，而各類集料對(duì)多源集料水泥穩(wěn)定碎石的水化反應(yīng)影響尚不明確，同時(shí)不同集料在水化反應(yīng)過程中生成的水化產(chǎn)物及對(duì)材料力學(xué)性能的影響機(jī)理仍需進(jìn)一步分析?；诖?，本文對(duì)集料參與水化反應(yīng)部分進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析，以研究各類集料對(duì)水泥水化過程的影響。

1 研究材料與研究方法

1.1 集料組成

為明確各類集料的化學(xué)組成成分以探究各類集料在水泥穩(wěn)定碎石中如何參與水泥水化反應(yīng)，本文通過統(tǒng)計(jì)分析相關(guān)研究文獻(xiàn)，匯總了目前用于道路工程的各類典型巖性集料主要化學(xué)組成成分，見表1。

1.2 研究方法

多源集料水泥穩(wěn)定碎石的水化反應(yīng)過程受多種因素影響，包括水泥摻量、集料種類、水化反應(yīng)環(huán)境（如溫度和濕度）等。其中，多種集料組成成分對(duì)水化反應(yīng)的耦合作用機(jī)理尚不明確，反應(yīng)速率、各類水化產(chǎn)物含量如何變化以及如何影響多源集料水泥穩(wěn)定碎石最終強(qiáng)度和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步探究，這對(duì)優(yōu)化水泥穩(wěn)定碎石配方和施工工藝具有重要意義。

CemGEMS作為一款用于水泥水化計(jì)算的在線軟件，可以模擬計(jì)算水泥基材料在給定溫度和壓力等條件下的相關(guān)化學(xué)成分變化、體積變化和熱效應(yīng)[10-11]。本文利用CemGEMS模擬各類集料在水泥中的水化過程以分析水化反應(yīng)速率及各類水化產(chǎn)物含量的變化并探究多種集料組成成分對(duì)水化反應(yīng)的耦合作用機(jī)理。參考JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》及JTG E51—2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》，本研究控制水化反應(yīng)物質(zhì)初始總質(zhì)量相同，其中模擬水化反應(yīng)的普通硅酸鹽水泥摻入量設(shè)置為5.0%，集料參與反應(yīng)比例設(shè)置為集料總質(zhì)量的0.1％，水灰比為0.4，初始實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃。

2 水化過程分析

2.1 水化過程研究

本文以水泥穩(wěn)定石灰?guī)r碎石為例研究多源集料水化過程。在水化反應(yīng)過程中，水泥穩(wěn)定碎石中的水泥與水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生如水化硅酸鹽、鈣礬石等多種水化產(chǎn)物，水化過程中各化學(xué)成分含量隨水化反應(yīng)時(shí)間的變化情況如圖1所示（各物質(zhì)總占比按100%計(jì)算）。圖1顯示在水化反應(yīng)最初的1 h內(nèi)，水泥穩(wěn)定碎石與水發(fā)生初步反應(yīng)，各組分含量變化幅度相對(duì)較小，水化產(chǎn)物尚未顯著形成。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，在1～24 h內(nèi)，石膏（Gypsum）含量迅速減少直至為0，硅酸二鈣（C2S）的含量也迅速減少，而水化生成的水化硅酸鈣（C-S-H）的含量則大幅增加。隨著水泥水化反應(yīng)逐漸加劇，水化產(chǎn)物開始大量生成，各化學(xué)組成的化學(xué)反應(yīng)速率開始加快，化學(xué)反應(yīng)表達(dá)式如式（1）與式（2）所示。

2C3S+6H→C-S-H+3CH， （1）

2C2S+4H→C-S-H+CH。 （2）

在反應(yīng)進(jìn)行的1～7 d內(nèi)，隨著水化硅酸鈣含量的逐步增加，促使水泥中的鋁酸三鈣（C3A）和水化硅酸鈣進(jìn)一步反應(yīng)生成致密的鐵鋁酸鹽鈣礬石（A_{pp2oQc2q2/pGfc5A0B8kAsPdZ+M13ZPzdsD8ObqGQfA=}Ft），為水泥穩(wěn)定碎石提供早期強(qiáng)度。此階段水泥水化反應(yīng)持續(xù)加劇，水化產(chǎn)物的生成速率增加，水化硅酸鈣凝膠逐漸形成并逐漸增長，進(jìn)而與水中的鈣離子形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在此期間，水泥穩(wěn)定碎石的物理和化學(xué)特性發(fā)生顯著變化，其力學(xué)性能和耐久性得到顯著提升。水泥水化反應(yīng)7 d后仍在進(jìn)行，但速率逐漸減緩。水化硅酸鈣凝膠繼續(xù)發(fā)育并進(jìn)一步增長，提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性；水化產(chǎn)物的不斷形成和累積使得水泥基材料的性能在28 d內(nèi)不斷提高，達(dá)到整體強(qiáng)度90%以上。

2.2 多源集料水化特征影響分析

為進(jìn)一步明確多源集料對(duì)水化反應(yīng)的影響，本文對(duì)各類集料在水泥水化過程中的水化產(chǎn)物進(jìn)行分析；考慮到水化反應(yīng)生產(chǎn)的水化硅酸鹽（主要是水化硅酸鈣，C-S-H）、鈣礬石（AFt）等對(duì)材料的整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度的形成起決定性作用，本文著重探究鈣礬石（AFt）、水化硅酸鹽等水化產(chǎn)物的形成過程與機(jī)理。

根據(jù)集料中含二氧化硅和碳酸鹽（軟件計(jì)算時(shí)以CaO計(jì)算質(zhì)量）含量將其可大致分為2類：一類是以二氧化硅為主的玄武巖、閃長巖和片麻巖；另一類是含碳酸鹽較多的石灰?guī)r和白云巖。鈣礬石是水泥水化反應(yīng)中的早期水化產(chǎn)物之一，其形成可以促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的進(jìn)行[12]，有助于提高水泥穩(wěn)定碎石的早期強(qiáng)度的形成，提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性[13]。根據(jù)CemGEMS模擬結(jié)果，鈣礬石（AFt）含量隨水化反應(yīng)時(shí)間的變化情況如圖2所示。圖2顯示水泥水化過程中鈣礬石的形成主要發(fā)生在水化反應(yīng)前72 h內(nèi)，相對(duì)于玄武巖、片麻巖和閃長巖，石灰?guī)r與白云巖對(duì)AFt的產(chǎn)生有較為顯著的延緩作用。這可能是由于在水泥水化反應(yīng)初期，碳酸鹽的分解釋放出二氧化碳速率較高，其會(huì)消耗水泥漿料中的氫氧化鈣促使水泥漿料中的堿性物質(zhì)會(huì)減少，進(jìn)而導(dǎo)致水泥水化環(huán)境在較短時(shí)間內(nèi)堿性下降，延緩鈣礬石的形成速率[14]。相比之下，玄武巖、片麻巖和閃長巖等二氧化硅含量較多的集料在水泥水化反應(yīng)初期釋放的二氧化碳較少，能夠?yàn)殁}礬石的產(chǎn)生提供較好的堿性條件，因此對(duì)鈣礬石形成速率的抑制影響較小。

水化28 d后不同種集料水泥穩(wěn)定碎石水化產(chǎn)物含量如圖3所示，圖3顯示水泥穩(wěn)定碎石水化產(chǎn)物主要由水榴石、水化硅酸鹽、碳酸氫鹽和水滑石所組成，其中水化硅酸鹽在各種集料水泥穩(wěn)定碎石水化產(chǎn)物含量占比均達(dá)到75%以上。由于水化硅酸鹽在水化過程中以膠凝體的形式存在，且通過物理交纏和化學(xué)鍵合作用形成多孔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)填充在原材料的顆粒間隙中致使水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)更加緊密。因此，水化反應(yīng)過程中生成的水化硅酸鹽是水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度的主要來源，對(duì)混凝土的穩(wěn)定性和耐久性起到關(guān)鍵作用[15]。圖3顯示石灰?guī)r和白云巖2類集料水泥穩(wěn)定碎石水化產(chǎn)生的水化硅酸鹽少于其他種類集料，這是由于其SiO2含量較少所致，進(jìn)而導(dǎo)致石灰?guī)r和白云巖2類集料水泥穩(wěn)定碎石力學(xué)性能的減弱并降低水泥穩(wěn)定碎石的服役性能。此外，其他各類產(chǎn)物受集料自身組成成分影響，其單位質(zhì)量有一定的差異，但因其產(chǎn)物較為穩(wěn)定且數(shù)量較少，對(duì)水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度產(chǎn)生無明顯影響[16]。

同時(shí)為探究水化反應(yīng)過程中水化硅酸鹽生成量與集料自身組成的關(guān)系，本文對(duì)集料化學(xué)組成成分與水化反應(yīng)28 d后的水化硅酸鹽含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖4所示。圖4表明水化反應(yīng)生成的水化硅酸鹽質(zhì)量與集料中的SiO2含量相關(guān)性高且呈線性關(guān)系，表明使用玄武巖、閃長巖與片麻巖等SiO2含量高的集料有助于提高水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度。因此，從水化反應(yīng)角度研究，為提高其強(qiáng)度，推薦使用玄武巖、閃長巖和片麻巖作為水泥穩(wěn)定碎石材料。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)多源集料水泥穩(wěn)定碎石進(jìn)行水化動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算分析，探究了各類典型集料對(duì)水化反應(yīng)的影響。

1）石灰?guī)r、白云巖等高碳酸鹽含量的集料相較于玄武巖、閃長巖和片麻巖等含二氧化硅較多的集料在參與水泥水化時(shí)會(huì)在一定程度上降低鈣礬石的產(chǎn)生速率，導(dǎo)致其水泥穩(wěn)定碎石早期強(qiáng)度無法快速形成，降低水泥穩(wěn)定碎石的抗?jié)B性和耐久性。

2）石灰?guī)r和白云巖2類集料水泥穩(wěn)定碎石在水化反應(yīng)過程中生成的水化硅酸鹽較其他巖性集料更少，致使其較其他巖性集料的水泥穩(wěn)定碎石強(qiáng)度及服役性能有所降低。

3）水泥穩(wěn)定碎石水化反應(yīng)過程中生成的水化硅酸鹽含量與集料中的SiO2含量具有良好的相關(guān)性且呈線性相關(guān)關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1] ZHAO Y， HU X， LI H， et al. Factors affecting free chloride contents of hardened cement paste with a low water-to-binder ratio determined by rapid water extraction [J]. Cement and Concrete Composites， 2024，148.

[2] MIAO Y， YU W， HOU Y， et al. Influences of clay brick particles on the performance of cement stabilized recycled aggregate as pavement base[J].Sustainability，2018，10（10）：3505.

[3] 陸海珠.水泥穩(wěn)定碎石基層抗裂性能及相關(guān)措施研究[D].南京：東南大學(xué)，2008.

[4] 劉九正.高速公路抗裂型水泥穩(wěn)定碎石基層應(yīng)用研究[J].公路工程，2013，38（6）：173-178.

[5] LICHO？覵AI L， RUCI SKA T， D BSKA B， et al. Sustainable cement mortars [C]//E3S Web of Conferences，2018.

[6] 季節(jié)，楊躍琴，許鷹，等.溫拌條件下集料中水分與化學(xué)成分對(duì)混合料性能的交互影響分析[J].市政技術(shù)，2021，39（3）：134-138.

[7] NETINGER I， KESEGIC I， GULJAS I. The effect of high temperatures on the mechanical properties of concrete made with different types of aggregates [J]. Fire Safety Journal， 2011，46（7）：425-430.

[8] 畢研秋.基于多級(jí)分散體系的瀝青混合料流變特性研究[D].西安：長安大學(xué)，2020.

[9] XIE J， XIAO Y， WU S， et al. Research on fracture characteristic of gneiss prepared asphalt mixture with direct tensile test [J]. Construction and Building Materials， 2012，28（1）：476-481.

[10] KULIK D A， WINNEFELD F， KULIK A， et al. CemGEMS - an easy-to-use web application for thermodynamic modeling of cementitious materials[J].RILEM Technical Letters，2021（6）：36-52.

[11] LEE M， KIM K， CHUNG C W， et al. Mechanical characterization of recycled-PET fiber reinforced mortar composites treated with nano-SiO2 and mixed with seawater [J]. Construction and Building Materials，2023，392：131882.

[12] 李學(xué)亮，趙慶朝，李偉光，等.煤系偏高嶺土對(duì)混凝土力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理[J].硅酸鹽通報(bào)，2023，42（9）：3221-3230.

[13] 張會(huì)芳，顏政偉，龔琳洋，等.鐵尾礦對(duì)水泥基灌漿料性能影響試驗(yàn)研究[J].森林工程，2023，39（4）：191-198.

[14] SILVA D M G D， CAPPELLESSO V G， GARCIA M G L， et al. Calcium hydroxide influence in autogenous self-healing of cement-based materials in various environmental conditions [J]. Ambiente Construído， 2021，21（2）：209-224.

[15] JU J， ZHANG Q， LUO N， et al. Study on the hydration characteristics of steel slag cement [J]. Construction and Building Materials， 2024（420）：135605.1-135605.9.

[16] SANOU I， OUEDRAOGO M， BAMOGO H， et al. Microstructural， physical， and mechanical characteristics of adobes amended with cement-metakaolin mixtures [J]. Emergent Materials， 2024，73（3）：1203-1217.