（材料学专业论文）大掺量粉煤灰路面基层稳定专用水泥的制备与研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 水泥稳定粒料是目前我国高等级公路中应用最为广泛的基层材料，它具有 承载力高，水稳性和冰冻稳定性好，较强的抗冲刷能力，与下封层有较好的粘 结力，施工方便等优点。但是水泥稳定粒料基层容易出现过于密集的收缩开裂。 水泥稳定类路面基层材料开裂的根本原因在于集料中细颗粒( 粉粒和粘粒) 和 水泥水化产物的收缩；水泥水化产物的收缩包括干缩、温缩以及水化过程的自 收缩。由于收缩开裂而造成的早期水损害在半刚性基层沥青路面中广泛存在， 而早期的水损害则大大降低了路面的服役年限，寻找经济有效的抗裂措施对改 善路面的整体质量十分关键；另外新标准水泥凝结快，大多不能满足规范要求 的终凝时间应大于6h 的要求。本文研制了具有缓凝微膨胀性的路面基层专用水 泥，并结合胶凝材料学和正交回归方法，对大掺量粉煤灰路面基层稳定专用水 泥的配合比进行优化设计，并与通用水泥作对比研究了其性能物理力学性能、 水化过程与抗裂机理，并进行了该水泥的工程应用研究： ( 1 ) 路面基层专用水泥早期无侧限抗压强度贡献主要是水泥熟料，3d 和2 8d 强 度随熟料掺量线性关系增加；熟料含量在4 5 时，既能保证一定的强度，而且 其净膨胀量在后期也较大，能有效的补偿水泥水化产物的收缩。路面基层稳定 专用水泥凝结时间随石膏掺量的增加而增加，水泥的终凝时间可达到6h 以上； 石膏是影响专用水泥膨胀性能的显著因数，当s 0 3 含量在4 0 ，其膨胀率可到 0 5 ，这对改善路面基层材料的抗裂性能有重要作用。 ( 2 ) 路面基层专用水泥早期水化热低，水化过程持续且平缓，因此其凝结时间较 长，有利于延迟成型施工操作；专用水泥水化产物主要是的c s h 凝胶和针棒 状的a f t 晶体，a f t 的形成伴随着固相体积的增长，起到了补偿收缩的作用，减 少了路面基层的收缩开裂，另外且a f t 穿插于凝胶之间，增加了浆体的强度。 ( 3 ) 工程应用表明：路面基层稳定专用水泥强度高、生产和使用方便、抗裂性好 并具有显著的技术经济效益。 “) 路面基层专用水泥稳定粒料土的延迟碾压时间可长达6 h ，达到了用于路面 基层稳定水泥凝结时间的要求。路面基层专用水泥稳定粒料的强度较高，对各 种粒料稳定效果良好。在相同条件下，比3 2 5 级通用水泥稳定粒料土强度提高 约2 0 ；达到相同的强度，掺量比3 2 5 级水泥可节约1 0 2 0 。最优配方的路 面基层专用水泥，其稳定粒料的干缩率比p $ 3 2 5 降低1 0 。 关键词：路面基层；专用水泥；凝结时间；微膨胀性；抗裂性 a b s tr a c t c e m e ms t a b i l i z e dg r a n u l a rs o i la r em o s tw i d e l yu s e da sr o a db a s em a t e r i a l si n c h i n e s eh i g h w a yc u r r e n t l y , i th a sh i g hb e a r i n gc a p a c i t y , g o o dw a t e rs t a b i l i t ya n d f r e e z i n gs t a b i l i t y , s t r o n ge r o s i o nr e s i s t i b i l i t y , g o o db o n d f o r c ew i t hu n d e r - s e a l e dl a y e r , a n dc o n v e n i e n tc o n s t r u c t i o n ，e t c h o w e v e r , c e m e ms t a b i l i z e dg r a n u l a re a s yt oo c c u r t o od e n s e l ys h r i n k a g ec r a c k i n g t h er o o tc a u s e s o fc r a c k i n gf o rt h e ml i e di n s h r i n k a g eo ft h ef i n ep a r t i c l e ( s i l ta n dc l a y ) o fg r a n u l a ra n dh y d r a t i o np r o d u c t so f t h e c e m e n t ；w a t e rd a m a g ed u et os h r i n k a g ec r a c k i n ge x i s t sw i d e l y i nt h ee a r l ys e m i - r i g i d a s p h a l tp a v e m e n t ，w h i c hw a t e rd a m a g ei ne a r l yg r e a t l yr e d u c e st h es e r v i c e1 i f e o f p a v e m e n t ，i ti sv e r yc r i t i c a ls e a r c h i n gf o re c o n o m i c a la n de f f e c t i v ea n t i c r a c k i n g m e a s u r e s i na d d i t i o n ，t h en e ws t a n d a r dc e m e n ts e t t i n gf a s t e r , m o s to ft h e mc a nn o t m e e tt h er e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t st h ef i n a ls e t t i n gt i m es h o u l db el o n g e rt h a n6h t h i s a r t i c l eh a sb e e nd e v e l o p e dan e wt y p eo fs p e c i a lp u r p o s ec e m e n tw i t hr e r e a d i n ga n d s l i g h te x p a n d a b i l i t y , a n dd e d i c a t e dt oo p t i m i z et h ed e s i g nt h em i xo fs p e c i a lp u r p o s e c e m e n tw i t hh i g hv o l u m ef l y a s hf o rr o a db a s es t a b i l i z a t i o n ，u s i n gt h em e t h o do f c e m e n t i t i o u sm a t e r i a l sa n dq u a d r a t i co r t h o g o n a lr e g r e s s i v ea n a l y s i s ，a n ds t u d yo n t h e i rp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，h y d r a t i o na n da n t i c r a c k i n gm e c h a n i s mo f t h ep r o c e s sa n dt h ea p p l i c a t i o no ft h ec e m e n tw o r k sc o m p a r e dw i t hg e n e r a lc e m e n t ： ( 1 ) c e m e n tc l i n k e ri sm a i n l yd e d i c a t e dc o n t r i b u t i o nt o t h ee a r l ys t r e n g t ho ft h e s p e c i a lp u r p o s ec e m e n t ，t h e3da n d2 8ds t r e n g t hi n c r e a s ew i t ht h ec o n t e n to f c e m e m c l i n k e rw i t hal i n e a rr e l a t i o n s h i p w h e nc l i n k e rc o n t e n ti s4 5 ，t h es p e c i a lp u r p o s e c e m e n tc a ne n s u r et h es t r e n g t h ，a n di t se x p a n s i o nc a p a c i t yi sa l s ol a r g e ri nt h el a t e ， w h i c he f f e c t i v ec o m p e n s a t i o nf o rt h es h r i n k a g eo fc e m e n th y d r a t i o np r o d u c t s t h e s e t t i n gt i m eo ft h es p e c i a lp u r p o s ec e m e n ti n c r e a s ew i t ht h ec o n t e n to fg y p s u m ，i t s f i n a ls e t t i n gt i m er e a c h e d 6h o u r s ；g y p s u mi st h es i g n i f i c a n tf a c t o ro fe x p a n s i o n o ft h e s p e c i a lp u r p o s ec e m e n t ，w h e ns 0 3c o n t e n ti s4 5 ，i t se x p a n s i o n c a nb eo 5 ，w h i c h i m p r o v et h ea n t i c r a c k i n gp e r f o r m a n c eo f t h er o a db a s ec o u r s em a t e r i a l s ( 2 ) t h er o a db a s es t a b i l i z i n gc e m e n th a sl o w e rh y d r a t i o nh e a ta n das t a b l yh y d r a t i o n p r o c e s s ，s oi t ss e t t i n gt i m ew a sl o n g e r , t h a tb e n e f i t st h ec o m p a c t i n gd e l a yt i m eo f t h e 武汉理工大学硕十学位论文 r o a db a s ec o u r s ec o n s t r u c t i o n t h em a i nh y d r a t i o np r o d u c to ft h i sk i n do fc e m e n tw a s a m o r p h o u sc s hg e la n dn e e d l el i k ea f t ，a n da f ta c c o m p a n i e db yt h ef o r m a t i o no f t h eg r o w t ho fs o l i d - p h a s ev o l u m e ，p l a y e dam o s ts h r i n k a g ec o m p e n s a t i o n , a n d r e d u c e ds h r i n k a g ec r a c k i n go fr o a db a s ep a v e m e n t i na d d i t i o n ，t h ea f ti n t e r s p e r s e d b e t w e e nt h ec s - hg e l sw h i c hi n c r e a s e do ft h es t r e n g t ho fp a s t e ( 3 ) a p p l i c a t i o nr e s u l t ss h o w ：t h es p e c i a lp u r p o s ec e m e n tf o rr o a db a s ec o u r s e s t a b i l i z i n gh a sh i 曲i n t e n s i t y , c o n v e n i e n tp r o d u c t i o na n da p p l i c a t i o n , b e t t e rc r a c k r e s i s t a n c ea n ds i g n i f i c a n t l yt e c h n o l o g ye c o n o m i cb e n e f i t s ( 4 ) t h ec o m p a c t i n gd e l a yt i m eo fg r a n u l a rs o i ls t a b i l i z e dw i t ht h es p e c i a lp u r p o s e c e m e n ti sl o n g e rt h a n6h ，w a su pt ot h es t a n d a r do ft h er o a db a s es t a b i l i z i n gc e m e n t s e t t i n gt i m e g r a n u l a rs o i ls t a b i l i z e dw i t ht h es p e c i a lp u r p o s ec e m e n th a ss t e a d i e r s t r e n g t hd e v e l o p m e n t ，a n db e t t e rs t a b i l i t y , t h e i rs t r e n g t hi n c r e a s e db y2 0 t h a n g r a n u l a rs o i ls t a b i l i z e dw i t he s 3 2 5c e m e n tw i t hc o n t e n to fc e m e n t t oa t t a i nt h e s a m es t r e n g t hg r a d e ，t h ec o n t e n to ft h es p e c i a lp u r p o s ec e m e n tc a nb ee c o n o m i z e d10 - 2 0 t h es h r i n k a g er a t eo fg r a n u l a rs o i ls t a b i l i z e dw i t ht h es p e c i a lp u r p o s e c e m e n ti no p t i m a lr a t i ow a sl o w e r10 t h a nt h a tw i t hp $ 3 2 5c e m e n t k e y w o r d s ：r o a db a s ec o u r s e ；t h es p e c i a lp u r p o s ec e m e n t ；t h es e t t i n gt i m e ；s l i g h t e x p a n d a b i l i t y ；a n t i c r a c k i n g h i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：日期 武汉理工大学硕士学位论文 研究的意义与目的 第1 章绪论 目前，我国高速公路广泛采用的路面结构形式为半刚性基层沥青路面。该 种路面大多采用较优质的重交通沥青混合料面层和较优质半刚性基层，沥青面 层厚介于9 2 3 c m ，半刚性基层、底基层总厚介于4 5 8 0 c m 。 高速公路路面基层是位于路面面层下，路基土层上间接承受路面荷载并传 递应力的功能层。基层的强弱和好坏对整个路面的强度、使用质量和使用寿命 都有十分重要的影响【。国外高速公路的基层分柔性基层和半刚性基层，半刚性 基层实质上都使用水泥稳定粒料。我国已建的高速公路基层均为半刚性基层， 常用的是水泥稳定粒料和石灰粉煤灰稳定粒料。 表1 1 我国主要采用的两种半刚性基层材料的路用性能比较【2 】 从表中可以看出：水泥稳定粒料优势明显：承载力高，水稳性和冰冻稳定 性好，具有较强的抗冲刷能力，与下封层有较好的粘结力，施工方便；但是由 于水泥稳定碎石类材料呈脆性，尤其对温度、湿度敏感性较差，在外界温度、 湿度变化下产生干缩、温缩裂缝，这种具有裂缝的基层在干缩、温缩应力的进 一步作用下，裂缝顶端产生拉应力集中，这是造成基层裂缝沿面层底部向上反 射直至贯通的主要原因。而基层一旦开裂，不仅影响到基层的整体性和承载能 力，而且反射到沥青混凝土面层，出现反射裂缝并可导致沥青路面结构破坏【3 】。 二灰稳定粒料具有后期强度高，收缩系数小，板体性好，水稳性、抗冻性 较好，且能大量利用工业废料( 粉煤灰) ，经济性好等优点。但同时也存在早期 武汉理工大学硕士学位论文 强度低，施工进度受到限制，表面松散起灰，不利于层间结合，耐冲刷性一般， 影响耐久性等缺点 4 】【5 】 6 】。 就目前使用情况而言，水泥稳定基层的抗裂性能差和二灰稳定基层的早期 强度低等缺点已经严重影响了我国高速公路基层的建设质量。特别是二灰稳定 类基层材料，为了提高其早期强度，已经采用过很多方法。如在二灰材料中掺 加少量的碱或者硫酸盐 6 】，但这样使原本就很复杂的施工工艺变得更加复杂，且 增加了材料的成本，所以二灰早强低的问题仍然没有得到很好的解决。 初期产生的裂缝对沥青路面的实用性能常无明显影响，但随着表面雨水或 雪水的侵入，导致裂缝两侧的路面结构层，特别是裂缝附近土基的含水量加大， 甚至饱和。其结果是路面强度明显降低，在大量行车荷载反复作用下，产生冲 刷和唧浆现象，甚至路面很快产生结构性破坏。前一现象使裂缝两侧的沥青面 层破裂，影响沥青路面的使用性能并加速沥青路面破坏。 经过从“七五 开始至今的长期研究工作，人们对道路面层的裂缝机理有 了深入地认识。但是直到目前为止，仍然没有找到有效的方法阻止路面裂缝的 产生。 由此，本文以高等级公路基层水泥要求为设计指标，以粉煤灰等工业废渣 的综合利用为指导思想【7 】，对路用基层专用水泥这一高性能的路面基层材料进行 设计，并研究该种材料性能的影响因素，同时，对其在高等级公路上的应用也 将进行一系列的研究。这将为我国的公路建设提供一种高性能的、环保型的路 面基层材料，并为大掺量粉煤灰水泥材料的进一步推广应用提供可靠的理论依 据与技术保证。 由此本文拟在研究一种新型缓凝微膨胀水泥【8 】，它是以大掺量粉煤灰取代普 通水泥熟料，再通过天然石膏等材料来调节凝结时间，一方面由于形成大量a f t 相的生成来弥补基层内部的微观裂缝、补偿基层材料的收缩应变、抑止裂缝的 产生；另一方面通过改变水泥矿物水化反应过程，延长水泥水化凝结时间以及 水泥稳定基层混合料的延迟成型时间【9 】，方便了基层的施工。 随着公路建筑的蓬勃发展，作为最大宗的路面结构材料，路面基层材料的 兴建规模十分巨大。据2 0 0 7 年中国高速公路行业发展预测与投资前景分析报告 【lo 】：2 0 0 5 年我国新增公路运输里程4 9 万公里，其中高速公路运输6 7 0 0 公里。 高速公路总里程已经达到4 1 万公里，继续稳居世界第二，全国高速公路网络进 一步得到完善。根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起 2 武汉理工大学硕士学位论文 到2 0 3 0 年，国家将斥资两万亿元，新建5 1 万公里高速公路，使我国高速公路 里程达到8 5 万公里。2 0 0 6 年全国计划建成高速公路运输约5 0 0 0 公里。 舍 邑 裂 母f 瀣 愈 瑙 惺 8 7 黜猡9 09 l9 2 9 3 9 4 9 5 9 69 7 哪9 9 ( ) 【jo l0 2 0 30 4 ) 5u 6t y 70 8 年份 图1 1 我国高速公路发展里程 加上大量其它公路的建设，路面基层材料的使用量估计已经超过6 0 亿m 3 。 用于基层建设的原材料达到1 2 亿吨以上，按照水泥稳定碎石材料中专用水泥粉 煤灰的典型掺量为5 0 计算，则用于基层建设的低品质粉煤灰可达到6 亿吨左 右。可见，研究水泥粉煤灰路面基层材料能大量消耗低品质粉煤灰，将对环保 产生极大的促进作用，对社会产生巨大的经济效益。 1 2 国内外研究现状及存在的问题 半刚性材料的收缩与开裂性能是基层材料一个非常重要的路用性能，它直 接影响着路面结构的耐用性能。半刚性基层的缺点是抗变形能力差，在温度和 湿度变化时发生收缩，易产生开裂，当沥青面层较薄时，易形成反射裂缝，进 而严重影响路面的使用性能。由于基层材料是水硬性材料，在失水干燥的过程 中会产生收缩，进而产生收缩应力。同时，在温度变化过程中，会在其内部产 生温度应力。在干缩应力和温度应力的共同作用下，水泥稳定基层中会产生裂 缝。随着温度和湿度的变化，基层中的裂缝会扩展或缩小。在交通荷载的作用 下，会使裂缝竖向错动。在温度与交通荷载综合作用下，会使裂缝逐渐向上层 咖咖咖咖咖咖咖咖咖咖咖咖咖o ：8印贷卯筋弱如筋m h m i 武汉理工大学硕士学位论文 延伸，逐渐贯通整个沥青面层，最终形成反射裂缝。有关研究表明：温度和干 燥收缩应力引起反射裂缝的产生与最初的发展；荷载应力则主要加速裂缝的发 展。 1 2 1 水泥稳定基层抗裂研究的现状 关于水泥稳定基层材料的抗裂性能评价指标最基本的是干缩系数和温缩系 数，它们的定义较为简单明了，观测起来也比较简便，但这种方法仅仅注意到 半刚性基层材料的收缩性，没有考虑到它的抗收缩性。长安大学张登良、郑南 翔教授提出了干缩抗裂系数、温缩抗裂系数，既考虑了半刚性基层材料的收缩 性，又顾及到它的抗收缩性，但它没有很好结合应变和应力。长安大学杨红辉 等人将应力与应变结合起来，从能量的角度，提出了干缩能抗裂系数和温缩能 抗裂系数，有效地评价半刚性基层材料抗裂性，并得出了与实际相吻合的结论， 其值越大，表明材料抗温度或干燥收缩性能越好，反之亦然。 1 2 2 半刚性基层防裂措施研究 目前关于防止半刚性路面反射裂缝措施的研究已有很多，在国外曾采取过 一些措施。这些措施基本上可以分为三类。第一类是在半刚性基层和沥青混凝 土面层设置隔离裂缝中间层或应力吸收膜( 或称应变消减膜) 中间层；第二类 是增厚沥青面层。第三类是针对基层的措施。 针对基层的措施有： 1 限制水泥稳定基层材料的强度和水泥用量； 2 使基层在施工过程中产生很多的细微裂缝； 3 将水泥稳定基层预先锯缝； 4 让基层先开裂； 5 调整水泥稳定基层的施工时间。 但这些措施都只是侧重于在半刚性基层开裂无法避免的情况下，如何减小 基层裂缝对沥青面层影响防止反射裂缝的产生。至于如何尽可能地从源头 上解决问题，尽可能地减少基层自身的开裂，并未涉及。 仅依赖改变混合料的组成来达到减少开裂的目的还远不够，实际已经证明， 无论如何调整减少结合料剂量，增加粗骨料含量都只是尽量地减小了基层材料 4 武汉理工大学硕士学位论文 的收缩性能，因此还要寻找新的方法以尽可能减少基层开裂，而关于这方面的研 究还很少。 1 2 3 大掺量粉煤灰基层稳定专用水泥的研究 2 0 世纪3 0 年代，美国开始对粉煤灰掺入混凝土和砂浆进行完整的研究，而 1 9 4 8 年，r e d a v i s i l l 】成功地将粉煤灰大规模应用于美国蒙大拿州的俄马坝工程， 为粉煤灰的应用树立了典范。在2 0 世纪6 0 年代初期，英国的道路研究实验室、 索尔幅德和格拉斯哥大学则在对活性激活的粉煤灰应用于路面基层、底基层材 料中，做了广泛的研究与发展工作。在美国、法国等国家也都是从那个时期开 始，将粉煤灰用于一些干线公路作为底基层或铺设一些基层的试验段的基层材 料，且均认为该类基层材料的路用性能较好，且价格更低廉。 在可持续发展已深入人心的今天，工业废渣利用和耐久性提高已成为水泥 基材料科学研究的两大主题，尤其是当前我国正处在一个经济持续快速增长、 大兴土木的时期，要实现可持续发展，就必须对工业废渣用作水泥混凝土矿物 掺合料进行深入系统的研究。 在工业废渣再生资源化研究中，各种工业废渣的利用水平很不平衡，如矿 渣的再生资源化程度接近完全，而粉煤灰并没有被充分消化吸收利用。粉煤灰 存在的矛盾显得较为突出：一方面我国是粉煤灰资源大国，另一方面却是利用 技术水平差，综合利用率低。因此，提高粉煤灰的综合利用技术水平，增加粉 煤灰利用量，已引起学术界和工程界的密切关注。在水泥生产与应用方面，粉 煤灰有最大的应用前景。但是，粉煤灰掺入水泥中带来许多问题，其中主要是 降低水泥的早期强度，该问题多年来都没有得到彻底解决。 1 2 4 大掺量粉煤灰路用稳定基层专用水泥中石膏的调节作用 石膏对水泥凝结时间的影响，并不与掺量成正比，并且带有突变性，当超 过一定掺量时，略有增加就会使凝结时间变化很大。沈威提出s 0 3 掺量小于1 3 时，石膏还不能阻止快凝，只有将掺量进一步增加，石膏才有明显的缓凝作 用。但在掺量超过2 5 左右以后，凝结时间的增长很少。 更要注意的是，当石膏掺量增加过多时，不但对缓凝作用帮助不大，而且 还会在后期继续形成钙矾石，产生膨胀应力，从而使浆体强度削弱，发展严重 5 武汉理工大学硕士学位论文 的还会造成安定性不良的后果。 1 8 9 0 年，凯特劳脱【1 2 】( c c a n d l o t ) 首先发现c 3 a 和硫酸钙能形成钙矾石。 1 8 9 2 年，米却利斯【1 3 】( w m i c h a e l i s ) 认为钙矾石是造成硅酸盐水泥混凝土 在含硫酸盐介质中产生膨胀、破坏的原因，即所谓的“水泥杆菌”。 但是到了1 9 3 6 年，法国的洛耐1 4 】( h l o s s i e r ) 最早认识到了钙矾石具有消 除水泥收缩和产生预应力的作用，他发明了膨胀水泥，它由硅酸盐水泥、膨胀 剂和矿渣组成，膨胀剂是用矾土、石膏和白垩土磨成生料再加以煅烧而制得； 到了1 9 5 8 年，美国的克莱恩【1 5 】( a k l i e n ) 在洛西的基础上开发了k 型膨胀水 泥，6 4 年正式投入生产，它是通过波特兰水泥熟料中加入适量的膨胀剂而制成。 它的膨胀剂是使用无水硫铝酸钙、c a s 0 4 和c a o 煅烧而成，并且根据所需的膨 胀量调节膨胀剂的掺入量。 由此可以的得出：适当的石膏含量可以形成大量a f t 相的生成来弥补普通 硅酸盐水水化产生的微观裂缝、补偿其收缩应变、并抑止裂缝的产生；另一方 面还可以通过改变水泥矿物水化反应过程，延长水泥水化凝结时间，起到缓凝 的作用。 1 2 5 钙矾石( a f t ) 及其膨胀机理研究 水泥与水反应后，其绝对体积总是减小的，称为减缩或化学收缩。游宝坤 通过理论计算得出钙矾石要补偿其水泥水化的减缩，要求l o o g 硅酸盐水泥系统 中s 0 3 含量为4 7 9 9 ，即4 7 9 ，此为胀缩临界值，随着s 0 3 的提高，钙矾石形 成增加，水泥的膨胀率提高。如果s 0 3 含量继续增加，钙矾石形成过多，则会 造成安定性不良的后果。 据游宝坤等【1 6 】著，国内外学者对钙矾石膨胀机理较一致的看法是： 膨胀相是钙矾石，在水泥中有足够浓度的c a o 、a 1 2 0 3 和c a s 0 4 条件下均可 生成钙矾石，并非一定要通过固相反应生成的钙矾石才能膨胀，通过液相反应 也可以产生钙矾石膨胀。 在液相c a o 饱和时，通过固相反应或原地反应形成针状钙矾石，其膨胀力 较大，在液相c a o 不饱和时，通过液相反应形成柱状钙矾石，其膨胀力较小， 但有足够数量钙矾石时，也产生体积膨胀。 在膨胀原动力方面，一种观点是晶体生长压力，另一种观点是吸水膨胀。 6 武汉理工大学硕士学位论文 游宝坤对几种膨胀水泥和u e a 水泥进行x 射线和电镜分析，认为在水泥石孔隙 存在钙矾石结晶体，其结晶生长力能产生体积膨胀，更多的是在水泥凝胶区生 成难以分辨的凝胶状钙矾石，根据m e h t a 1 7 1 和刘崇熙【1 8 , 1 9 1 的研究结果，由于钙矾 石表面带负电荷，它们吸水肿胀是引起水泥石膨胀的主要根源。 由于凝胶状钙矾石吸水肿胀和结晶状钙矾石对孔隙产生的膨胀压的共同作 用，使水泥石产生体积膨胀，而前一种膨胀驱动比后一种大得多。这一观点可 以把结晶膨胀学说和吸水肿胀学说统一起来，使钙矾石膨胀机理得到较为合理 的解释。 1 2 6 基层专用水泥在路面基层的应用研究现状 萧庚【2 0 】等人早在上个世纪末即对粉煤灰掺入路用基层做水泥粉煤灰稳定碎 石材料的力学特性进行了全面的定性研究，并提出该材料的早期强度随粉煤灰 的增加而降低，但后期路用性能则随粉煤灰掺量的增加而提高。长安大学、交 通部科研所等单位的研究 2 l 】则表明，粉煤灰的掺入对该种材料的强度有很大影 响。当掺入粉煤灰剂量小于5 时，材料的早期强度与模量均有所提高，但继续 掺入粉煤灰则会降低材料的早期强度与模量，而材料的后期强度则会随着粉煤 灰掺量的增加而增加。可见，粉煤灰掺量对于水泥粉煤灰稳定碎石的早期以及 后期路用性能的影响一直是该领域研究的一个焦点，并且至今没有一个统一的 结论。 1 2 7 粉煤灰的掺入对路用基层材料的收缩开裂性能研究 在半刚性基层沥青路面结构中，由于基层材料是水硬性材料，在失水干燥 的过程中会产生收缩，进而产生收缩应力。同时，在温度变化过程中，会在其 内部产生温度应力。在干缩应力和温度应力的共同作用下，水泥稳定基层中会 产生裂缝。随着温度和湿度的变化，基层中的裂缝会扩展或缩小。 萧庚【2 2 】等人采用小粱试件对掺粉煤灰的路用基层材料的干缩进行了研 究，认为该类材料的收缩较水泥稳定碎石有明显降低，粉煤灰掺入能降低材 料的干缩。周诚喜【2 3 】也对水泥粉煤灰稳定碎石的干缩进行了研究，认为粉煤 灰含量增大，最大干缩应变先略有增大，后减小；平均干缩系数却先减小后 增大。徐江萍【2 4 】贝0 系统的研究了水泥剂量、集料级配、粉煤灰掺量对水泥粉 7 武汉理工大学硕士学位论文 煤灰稳定碎石材料的干缩影响，提出目前规范推荐的水泥稳定类以及二灰稳 定类集料级配均会是水泥粉煤灰稳定碎石的干缩增大，且粉煤灰的掺入能明 显降低材料的干缩系数。所以粉煤灰的掺入对路用基层材料干缩性能的研究， 也无统一结论。总之，水泥粉煤灰稳定碎石材料的抗裂性能研究有待进一步 直观化、科学化。 1 2 8 专用水泥对路用基层材料的微观结构研究 重庆交通学院对配合比为4 ：1 5 ：1 0 0 的水泥粉煤灰稳定碎石混合料在7 d ，2 8 d ， 9 0 d 进行了x 衍射和扫描电镜的测试，结果表吲2 5 1 ，7 d 龄期试样的主要物质仍 为水化氧化物丫2 c a o s i 0 2 和3 c a o s i 0 2 ，仅有少量水化硅酸钙凝胶c s h ( i ) 和 氢氧硅酸钙石c 2 s h 存在，水化是初步的；而2 8 d 龄期时，试样的主要物质为 c - s h ( i i ) 和c a ( o h ) 2 ，以及c 2 s h ；到9 0 d 的时候，试样的主要物质c s h ( i i ) ，c 2 s h 以及c 3 a h 6 以及c 3 a h 和c 3 a h l 3 。同时，他们也对比了配合比为4 ：1 0 0 的水泥 碎石混合料相同龄期的物相，发现掺入粉煤灰后混合料的早期水化比较缓慢， 粉煤灰不但自身没有被活化，反而还稀释了水泥颗粒，所以导致早期强度随粉 煤灰含量的增加而降低。随着龄期的增长，二者物相的区别逐渐减小，到了9 0 d ， 根据化学反应平衡的原理，由于粉煤灰存在而引起的二次火山灰反应，不断的 消耗c a ( o h ) 2 进一步促进水泥水化反应，混合料的后期强度将高于不掺加粉煤灰 的混合料。杨锡武 2 6 】研究了粉煤灰在石灰、水泥等不同环境中的水化模型，并 提出了“碱性薄膜溶液概念，研究认为粉煤灰在不同环境中的水化速率取决 于碱性薄膜溶液q 丁 c a 2 + 和 o h ；强度的发展主要与【c a 2 + 】有关。周诚喜对水泥 稳定碎石以及水泥粉煤灰稳定碎石的裂缝形成进行了微观分析，并认为粉煤灰 的掺入对裂缝的形成影响不大，裂缝的形成主要受材料中s 0 3 的控制。 可见，s 0 3 对路用基层材料的抗裂性有影响，沈卫斟2 7 】等人的研究认为粉煤 灰磷石膏路面基层是一种多孔材料，a f t 呈针棒状，其形成与生长有一定的膨胀 性，有利于材料内部粒料的结构连接，起到一种“显微加筋”作用；同时，s o ：一 离子存在可激发粉煤灰的火山灰活性，加快反应进行。还有，磷石膏呈针状、 板状等形貌，而粉煤灰是球状，磷石膏粉煤灰路面基层材料有的颗粒之间的内 摩擦力较二灰类材料大。故强度也高。这类基层材料的抗水性有待进一步研究。 因为磷石膏溶解较快。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 研究内容、研究目标与技术路线 1 3 1 研究内容 1 路面基层稳定专用水泥配合比优化研究 利用正交回归方法，结合胶凝材料的物理化学基本原理，以专用水泥力学 性能以及专用水泥稳定粒料的力学性能为指标，对基层稳定专用水泥的配合比 进行优化设计：其中探讨熟料和石膏掺量对基层专用水泥的物理性能影响是该 类材料配合比设计的一个核心问题，通过研究不同熟料和石膏掺量下基层专用 水泥的标稠、凝结时间、不同龄期的力学性能的变化规律，探讨出该类材料的 结构设计参数以及配合比。 2 路面基层稳定专用水泥膨胀、收缩性能研究 基层专用水泥的微膨胀是基层专用水泥的重要指标，通过对基层专用水泥 和普通路用水泥膨胀、收缩的对比研究，探讨基层专用水泥在膨胀方面优越性。 进一步优化配比，同时为基层专用水泥的抗裂分析提供基础。 3 各组路面基层稳定专用水泥、普通水泥和纯熟料的水化特性研究 通过对普通矿渣硅酸盐水泥、纯熟料粉和基层专用水泥的水化历程的研究， 评判基层专用水泥的水化特性。 4 路面基层稳定专用水泥稳定粒料强度以及收缩性能研究 采用普通水泥和基层专用水泥，研究骨架密实型路面基层、基层专用水泥 稳定路面基层以及水泥粉煤灰路面基层的无侧限抗压强度和抗裂性能。科学的 评价半刚性基层材料的收缩与抗裂性能。 5 路面基层稳定专用水泥的微观结构研究 以石膏和粉煤灰掺量与专用水泥的路用性能关系研究为基础，分别对该水 泥的成分的微观结构和该水泥稳定材料的宏观结构、介观结构、微观结构以及 界面结构进行研究，揭示该基层专用水泥在缓凝、微膨胀和强度形成方面的机 理，解释基层专用水泥对路用基层材料的性能改善机理。 6 路面基层稳定专用水泥以及基层专用水泥稳定碎石的工程应用研究和经济技 术效益分析研究 路面基层稳定专用水泥作为一类新型路面基层材料，其施工工艺与传统的 水泥类及二灰类基层施工工艺略有差异，故有必要研究其施工工艺的不同；以 9 武汉理工大学硕士学位论文 及讨论基层专用水泥以及基层专用水泥稳定碎石的经济技术效益，这对基层专 用水泥的科学性、经济性和实用性极有帮助，结合专用水泥的实验段工程对专 用水泥稳定粒料的路用性能进行如下研究。 1 3 2 研究目标 结合胶凝材料学、和正交回归方法，对大掺量粉煤灰路面基层稳定专用水 泥的配合比进行优化设计，利用强度力学和材料测试对大掺量粉煤灰路用稳定 基层专用水泥的凝结时间、强度、膨胀值和抗裂性等性能进行研究，并对专用 水泥稳定粒料的力学性能和工程应用进行系统的研究，并利用现代测试技术对 这种专用水泥的水化过程和微观结构进行研究，形成一整套对基层专用水泥材 料组成、结构和性能的系统理论；形成专用水泥的优化配比，以及配比与专用 水泥性能、专用水泥稳定粒料性能间的关系，根据专用水泥的水化过程和微观 结构探讨专用水泥稳定粒料的强度形成机理和抗裂机理。 1 3 3 技术路线 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图l 一2 路面基层的专用水泥研究技术路线 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 原材料 第2 章原材料与实验方法 1 熟料a 采用荆门市葛洲坝水泥厂的新型干法熟料，其基本性能指标( 石膏外掺) 、 矿物组成与化学组成如表2 1 ，2 2 所示： 表2 1 熟料粉a 性能指标 表2 2 熟料粉a 的矿物组成( 州) 2 熟料b 熟料：取自赤峰市远航水泥厂的新型干法熟料，其性能指标( 石膏外掺) 如表2 3 所示。熟料的化学组成见表2 5 。 表2 - 3 熟料粉b 性能指标 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 粉煤灰a 采用青山热电厂的二级干排灰，其化学组成见表2 4 ： 4 石膏a 采用荆门市葛洲坝水泥厂生产所用的天然石膏，石膏a 的化学组成见表2 4 ： 表2 - 4 粉煤灰a 和天然石膏a 的化学组成( 州) 5 粉煤灰b 采用赤峰市的两种干排灰：珠辉粉煤灰( 粉煤灰1 ) 和富龙粉煤灰( 粉煤灰 2 ) ，其化学成分见表2 5 。 6 石膏b 实验采用的远航水泥厂生产所用的磷石膏和天然石膏b 。磷石膏和天然石膏 b 的化学组成见表2 5 。 表2 5 粉煤灰b 、磷石膏和天然石膏b 的化学组成( w ) 7 矿渣水泥 所用的参比水泥是华新水泥公司生产的3 2 5 级矿渣硅酸盐水泥，其基本性 能见表2 - 6 ： 武汉理工大学硕士学位论文 8 集料1 取自赤通高速公路赤峰一撒力巴段第十六合同段碎石力h - r _ 厂生产的4 粒级 碎石，1 # 碎石为2 0 3 0 m m 玄武岩、2 j | i 碎石为1 0 2 0 m m 石灰岩、3 群碎石为5 1 0 r a m 石灰岩、甜碎石为0 - 5 m m 石灰岩，碎石的压碎值等各项指标能满足公路路面 基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 的要求。根据四种集料筛分试验结果，经计 算确定集料的掺配比例为：l 存：2 撑：3 群：甜= 2 5 ：2 8 ：1 6 ：3 l ，混合料级配满 足公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 水泥稳定土粒料土级配3 的 级配要求。颗粒分析和级配设计见表2 7 ，合成级配的曲线图见图2 1 。 表2 7 赤通集料的颗粒分析和集料级配设计 芒譬笺墅型l 丝熊上下限 上限中值合成级配 比例( ) 2 52 81 63 1 3 1 5 9 8 6 1 0 0 1 0 0 1 0 01 0 0 1 0 01 0 09 9 6 5 2 6 58 7 51 0 01 0 01 0 09 01 0 09 5 9 6 8 8 1 92 7 2 51 0 01 0 01 0 07 28 98 0 58 1 8 1 9 50 54 9 5 59 6 7 51 0 04 76 75 76 0 4 8 4 7 50 51 02 1 99 9 2 52 94 93 93 4 6 8 2 3 60 50 5 2 8 3 1 73 52 62 6 3 2 0 6o 5o 50 83 5 682 21 51 1 4 3 0 0 7 50 50 50 65 6 5073 52 1 1 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 9 集料2 更 褥 捌 赠 台成杉移7 + 下限例 f 十上限 饬7 一中值 广叨一 夕2 k j 夕 r f 刎 一 么杉 r ， 叨 0 0 7 50 62 3 64 7 59 51 92 6 53 1 5 筛孔尺寸m m 图2 1赤通集料的级配合成曲线 取自十漫高速公路使用的3 粒级碎石，1 撑碎石为2 0 3 0 m m 石灰岩、2 撑碎石为 1 0 2 0 m m 石灰岩、3 撑碎石为0 1 0 r a m 石灰岩，压碎值1 3 6 ，针片状含量1 1 5 ， 表观密度2 7 2 6 9 c m 3 。碎石的压碎值等各项指标能满足公路路面基层施工技术 规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 的要求。根据四种集料筛分试验结果，经计算确定集料的 掺配比例为：1 撑：2 撑：3 拌= 2 5 ：4 0 ：3 5 ，混合料级配满足公路路面基层施工 技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 水泥稳定土粒料土级配3 的级配要求。颗粒分析和级 配设计见表2 8 ，合成级配的曲线图见图2 2 。 表2 - 8 十漫集料的颗粒分析和