水泥性质对半柔性复合混凝土使用性能的影响.pdf

2 0 1 2 年 第 3 期 (总 第 2 6 9 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 2 ( T o t a l N o 2 6 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AL AND ADM I NI CLE d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 2 0 3 0 2 8 水泥性质对半柔性复合混凝土使用性能的影响 杜少文 ( 长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要： 通过室内试验评价了水泥类型对水泥乳化沥青半柔性复合混凝土性能的影响， 采用x衍射分析揭示了不同水泥在乳化沥青中 的水化机理差异。 结果表明， 不同水泥对复合混凝土的马歇尔稳定度影响较小， 但是对劈裂强度和水稳定性影响较大 ， 传统的马歇尔设计 方法无法区分水泥类型对混凝土的影响。 为了保证混凝土的强度和水稳定性， 宜选择硅酸三钙、 铝酸三钙等含量较高的水泥， 同时限制水 泥中活性掺和材料的含量。 另外 ， 增加吸水性较强的熟料含量有助于促进乳化沥青破乳， 提高混凝土的早期强度和水稳定性。 关键词： 水泥；乳化沥青；强度；水化机理 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 9 5 0 3 E ffe c t o f c eme nt t yp es on pe r f or man c e pr o per t i e s of s emi - flex i bl e c ompos i t e c onc r e t e D【 ， a o we n ( Ke yL a b o r a t o r yf o r S p e c i MRe g i o nHi g h w a yE n g i n e e ri n go f Min i s t r yo f E d u c i o n ， C h a n g a nUn i v e r s i t y ， S h a a n x i ， Xi an 7 1 0 0 6 4 ， C h i n a ) Ab s t r ac t ： Th e e ffe c t o f c e me n t t y p e s o n pe rfo r ma nc e p r o pe r t i e s o f c e me nt a s p h a l t e mu l s i o n s e mi fle x i bl e c o n c r e t e i s e v a l u a t e d b y l a b o r a t o ry t e s t T heh y d r a t eme c hani s m o f d i ffe r e n tt y pe s c e me n t i s e x p l mn e dbyX myt e s t Te s t r e s u l t s s h o w c e me n t t y p e sh a v el i t t l ei n flu e nc eo nt h ema r s h a l s t a bi l i t y o fs e mi fl e x i b l e c o n c r e t e， b u t h a v e g r e a t l y i n fl u e n c e o n s p l i tt i n g s tre n g t h and mo i s t u r e r e s i s t anc e o f the c o n c r e t e Th e t r a di t i o n a l Mars h a l l d e s i g n me t h o d C an n o t di ffe r e n t the e ffe c t o f c e me n t t y p e s o n t h e c o n c r e t e I n o r d e r t oe e ns u r e t h e s tre ng t h and mo i s t ur e r e s i s t a n c e o f t he c o nc r e t e ， the c e me n t wi t h h i ghe r c o n t e n t t r i c a l c i u m s i l i c a t e a n d t r i c a l c i u m a l u mi n a t e i s r e c o mme n d t o u s e i n t h e c o n c r e a n d the c o n t e n t o f a c t i v e mi x i n g ma t e ri a l i n c er n e n t s h o u l d b e r e s t r i c t e d I n a d d i t i o n ， c e me n t c l i n k e r with s 2 o n g e r wa t e r a b s o r p t i o n ma t e ri a l s C an a c c e l e r a t e the asp h a l t e mu l s i o n b r e a k i n g ， i mp r o v e t h e e arl y s tre n gtha n dmo i s t u r er e s i s t an c e a b i l i t yo f the c o n c r e t e Ke y wor ds ： c e me n t ； a s p h a l t e mul s i o n； s t r e n g t h； h y dra t e me c h ani s m 0 引言 水泥与乳化沥青 同时作为胶结材料稳定集料形成的混凝 土 ， 性质介于刚性水泥混凝土和柔性沥青混凝土之间， 是一种 半柔性复合混凝土， 这种半柔性复合混凝土的最大特点在于充 分发挥了水泥的刚性和沥青的柔性。 水泥乳化沥青复合胶结材 料既可以稳定新集料也可以稳定再生回收材料， 因此该技术在 新建路面、 路面再生利用以及高速铁路的垫层中均广泛采用1 - 3 。 目前的研究认为在水泥乳化沥青复合胶结材料体系中， 水泥的 水化作用与乳化沥青的破乳作用同时进行， 且沥青的包裹作用 延缓水泥的水化 。 水泥与乳化沥青性质不同， 形成的复合胶结 材料以及混凝土的性能差异较大， 一些研究试图从优选乳化沥 青材料来解决这一问题嘲 。 但是 ， 在这种复合混凝土中水泥同样 作为胶结材料， 水泥类型对混凝土各项性能的影响却少有研究 报道。 因此， 本研究拟从水泥性质和熟料组成角度人手研究水泥 对复合混凝土的影响， 以便为其材料选择和实际应用提供参考。 1 试验材料与方案 1 1 试验材料 本研究选用了 3 种水泥进行试验， 分别为复合硅酸盐水泥， 普通硅酸盐水泥和掺有半水石膏的硅酸盐水泥， 依次记为水泥 A， 水泥 B和水泥 C， 它们的基本性质见表 1 。 分析表 1 数据可知， 3 种水泥细度、 3 、 2 8 d的抗压强度没有明显区别， 但是水泥 C的 凝结时间明显小于水泥 A和水泥 B。 试验所用乳化沥青为阳离 子慢裂型乳化沥青， 沥青固含量 6 1 ， 蒸发残留物 2 5针人度 为 6 2 ( O 1衄 ) ， 1 5 延度为 6 9 c m， 软化点为 4 7， 乳化沥青 与集料裹附f生 较好， 与水泥拌合均匀。 复合混凝土集料采用石灰 岩 ， 级配见表 2 。 本研究对 3种水泥进行了x衍射分析， 结果分别见图 1的 曲线 A、 曲线 B和曲线 C 。 分析可知， 水泥 A除了含有常规硅酸 表 1 3种水泥 的技术性质 收稿 日期 ：2 0 1 l - 0 9 1 6 基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目( C H D 2 0 l 1 J C 1 2 7 ) 9 5 表 2 复合混凝土级 配 三钙， 硅酸二钙等熟料外， 存在较多的二氧化硅， 这可能因为水 泥 A中掺有较多粉煤灰或者矿渣等外掺材料。 与水泥 A相比， 水泥 B中二氧化硅含量较少， 硅酸三钙的相对含量较高， 这表 明其早期强度可能会高于水泥 A。 水泥 C中硅酸三钙和硅酸三 钙的相对含量明显高于水泥 B， 半水石膏( C a S O 0 5 H2 0) 含量 较多， 而且几乎不含二水石膏 ， 半水石膏水化反应时需要大量 的水， 因此大大缩短了水泥 C的凝结时间。 1 C S 4 S i O2 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 2 0 ， ( 。 ) 图 1 3种水泥试样 的 X衍射 图谱 1 2试验 方案 采用马歇尔法进行复合混凝土配合比设计， 最佳外加用水 量和最佳乳化沥青用量分别采用马歇尔连续击实 7 5次制作试 件， 分别采用毛体积密度和马歇尔稳定度最大值作为确定标准旧 ， 水泥用量固定在 2 5 ( 占集料总质量百分比) 。 乳化沥青混凝土 通常采用高温养护后强度指标作为最终强度， 本研究高温养护 时先将试件在试模中养护 2 4 h ， 然后脱模立即放入 6 0烘箱养 护 7 2 h ， 结束取出冷却到室温进行相关试验。 水泥的存在会导致 混凝土强度随着龄期增长， 为了评价不同龄期混凝土强度特性 ， 自然养护时将试件放置在 2 5通风环境下分别养护 7 、 2 8 d ， 然后进行相关试验。 配合比试验结果可知， 不加水泥时混凝土最 佳外加水量为 2 ， 最佳乳化沥青用量为 4 0 ， 加入 2 5 水泥 后最佳外加水量增加到 2 5 ， 最佳乳化沥青用量不变。 2 试验 结果分析 2 1 马歇 尔稳 定度 乳化沥青混凝土设计时与普通沥青混凝土相似， 一般采用 马歇尔稳定度作为设计标准。 本研究对 4种高温养护后的乳化 沥青混凝土进行了6 0马歇尔稳定度试验， 试验结果见图 2 。 分 析图 2中的数据可知， 掺人 3种水泥后， 乳化沥青混凝土的马 歇尔稳定度均大幅增加， 稳定度上均增加了 1 0 0 以上 ， 但都处 于 1 3 k N左右， 数值相差并不大， 这说明采用马歇尔稳定指标 无法区别不同水泥对混凝土的影响， 即传统设计方法会忽视水 泥类型对混凝土的影响。 9 6 未加水泥 水泥A 水泥B 水泥C 图 2 马歇尔稳定度试 验结果 2 2 劈裂强度 路面结构中的材料一般受到弯拉应力作用， 劈裂强度与弯 拉强度具有较好的关系， 且容易试验， 是评价沥青混凝强度重要 指标。 水泥不同时乳化沥青混凝土的劈裂强度试验结果见图 3 。 分析可知图 3 数据可知， 加入 3种不同的水泥后 ， 混凝土高温 养护后的劈裂强度分别增大 8 9 、 1 0 3 和 5 8 ， 这说明掺量相 同时， 水泥熟料组成对混凝土最终劈裂强度的影响较大 ， 这可 能因为水泥 A中大量活性二氧化硅， 以及水泥 C中的半水石膏 的存在影响了复合混凝土的最终强度 ， 需要进一步研究不同水 泥在乳化沥青中的水化机理来揭示原因。 日 、 憩 排 I n 1 O 未加水 泥 水 泥A 水泥B 水泥C 图 3 不同养护方式 下劈裂强度试验结果 分析不同龄期混凝土劈裂强度数据可知， 7 d龄期时， 掺有 水泥 C的混凝土的劈裂强度明显高于掺有水泥 A和水泥 B的 混凝土， 但是其 2 8 d 龄期时的劈裂强度反而小于掺有水泥 A和 水泥 B混凝土。 这种现象可能是由于水泥 c中含有较多的半水 石膏， 半水石膏遇水会强烈吸水， 促进乳液快速破乳 ， 同时水泥 熟料中较多的硅酸三钙和铝酸三钙也会发生水化 ， 共同提高了 混合料的早期劈裂强度 ， 但是破乳速率的加快会导致沥青对水 泥颗粒的包裹作用增强， 而且随着混合料中水分消耗和散失 ， 其 他水化产物可能会缺水 ， 影响水化进程发生， 因此混合料后期 强度较低。 由此可知， 不同龄期复合混凝土强度特征的差异说明 进一步进行水化机理研究十分必要。 2 3水 稳 定 性 复合混凝土是中存在的大量水可能会降低其抗水损坏 能力 ， 本研究分别采用 2 5浸水劈裂试验【 6 ， 6 0浸水马歇 尔试验和冻融劈裂试验【 7 三种代表性试验评价水泥类型对混 凝土水稳定性的影响， 试验结果见图 4 。 分析图 4中的数据可 知 ， 无论采用哪种试验方法， 掺加水泥后混凝土的水稳定均 大幅提高。 但是， 采用不 同的评价指标， 水泥类型对复合混凝 土水稳性的影响明显不 同。 采用浸水劈裂强度比评价水稳定 性时 ， 水泥 B对混凝土水稳定性 的提高作用最明显， 其次为 水泥 A和水泥 C。 采用残留稳定度评价混凝土的水稳定性 ， 水泥 B的作用同样 比较明显 ， 其次为水泥 A和水泥 C。 采用 冻融劈裂强度 比作为评价指标时， 排序结果与浸水劈裂强度 比一致。 由此可知 ， 试验方法对混凝土水稳性的评价结果影响 较大 ， 这主要与试验步骤和温度有关 ， 冻融劈裂强度试验过 程相对比较严格 ， 所 以试验结果相对较低 ； 残 留稳定度试验 需要 6 0浸水 4 8 h ， 混凝土中含有的未水化的水泥可能被激 发 ， 同时沥青在高温下性能可能有所恢复， 因此强度有可能 增长 ； 浸水劈裂试验浸水温度较低 ， 对未水化水泥影响较小 ， 所以评价结果居中。 6 2 8 4 O 蚕 蒋长龉 1 40 l 2 O 1 0 0 舡 8 O 6 0 浸水劈裂强度比 残留稳定度 冻融劈裂强度比 图 4 水泥类型对水稳性的影响 3水化机理 为了从水化机理揭示水泥类型对混凝土性能的影响， 固定 水泥和沥青用量( 乳液中的纯沥青 ) 之间的比例为 l ： 1 ， 对水泥 沥青复合胶凝材料的x衍射分析， 结果见图 5 。 分析图 5中的 3 种水泥的x衍射图谱曲线可知， 3 种水泥在乳化沥青中的水泥 产物与水泥在水中的水化产物相同， 主要有氢氧化钙( c a ( 0 H) ) 、 钙矾石( E t t r i n g i t e ) 、 水化硅酸钙和水化铝酸钙等。 但是， 水泥类 型不同， 占主导地位的水化产物不同。 水泥 B与乳化沥青发生水化反应时， 水泥熟料中含量较高 的硅酸三钙等会迅速与水发生反应， 因此生成的水化硅酸钙凝 胶较多， 其对乳化沥青的“ 加筋” 作用较强 ， 所以导致混合料强 度较高， 水稳定性较好。 水泥A中含有较多的活性 S i O ： ， 硅酸三钙含量相对水泥 B 较少。 虽然在 C a ( O H) 碱激发作用下活性 S i O 2 同样会发生水 化反应， 由于活性 S i O： 水化反应较慢， 加上乳液破乳成膜效应 会迅速的包裹活性 S i O 颗粒， 延缓其水化， 所以掺有水泥 A的 水泥沥青复合胶结材料中水化硅酸钙凝胶含量较小 ， 被沥青包 裹的残留 S i O ： 较多， 这一点对比图5中曲线 A和曲线 B可以得 到证实， 所以掺有水泥 A的混凝土韵强度、 水稳定较小。 图5 8水泥沥青复合胶凝材料的 X衍射图谱 水泥 C与乳液中的水相发生水化反应后， 水化产物中氢氧 化钙较多 ， 水化硅酸钙凝胶含量较少， 且含有一些水化铝酸钙 凝胶， 原有的半水石膏几乎耗尽。 这主要因为水泥 C中较多半水 石膏水化时会消耗大量水 ， 促进沥青破乳包裹其他熟料 ， 导致 绝大部分硅酸三钙无法水化， 曲线 C中存留的大量硅酸三钙便 是证据。 因此， 含有水泥 C的复合凝土中， 水化产物对混凝土强 度的提高作用受到氢氧化钙影响较大， 所以混合料的最终强度， 水稳定性小于掺有水泥 A和水泥 B的混凝土。 但是掺有水泥 C 的混合料早期强度较高， 主要其水化产物中钙矾石和水化铝酸 钙凝胶较多， 这两种早期水化产物大大提高了混合料的早期强 度。 另外 ， 半水石膏水化会消耗乳液中大量水分， 会加速沥青破 乳成膜效应 ， 增加沥青性能的恢复， 同时大大改善界面区的泌 水效应， 这也是混凝土早期强度较高的主要原因之一。 以上分析可知， 水泥在乳化沥青中的水化与在水中水化明显 不同， 为了提高混凝土的最终强度， 需要限制水泥熟料中活性掺 和材料的含量， 尽量选择硅酸三钙、 铝酸三钙含量较高的水泥， 这是因为的水泥包裹作用会使硅酸二钙等其他对后期强度起主 要作用的熟料丧失活性。 另外， 采用能够大量消耗水分的无机胶凝 材料也是有利的。 因此， 开发适合乳化沥青的新型水泥十分必要。 4结论 ( I ) 水泥类型对半柔性复合混凝土马歇尔稳定度的影响较 小， 但对混凝土最终劈裂强度和早期劈裂强度影响较大。 为了区 分不同水泥的影响， 建议半柔性复合混凝土设计时引入采用劈 裂强度指标。 ( 2 ) 采用不同的评价方法进行复合凝土水稳定性评价得到 结果差异较大 ， 这主要源于试验温度的影响， 建议同时采用浸 水劈裂强度和冻融劈裂强度进行混凝土水稳定性评价， 以便区 分不同性质水泥对混凝土的影响。 ( 3 ) 水泥在乳化沥青中的水化与在水中水化 明显不同， 为 了保证半柔性混凝土强度和水稳定性， 需要限制水泥熟料中活 性掺和材料的含量 ， 提高硅酸三钙， 铝酸三钙的含量。 另外， 水 泥中掺入较强吸水性熟料能够加速混凝土早期强度的形成。 因 此， 开发适合乳化沥青的新型水泥十分必要。 参考文献 ： 1 】 杜少文 ， 李立寒， 袁坤 水泥乳化沥青混合料中合理 C A比的试验研 究 J 建筑材料学报 ， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 6 ) ： 8 0 7 8 1 1 2 】R I T A I S S A， MUS H A RR A F MZ AMA N， G E R AL D&MI L L E R， e t a 1 C h a r - a c t e r i s t i c s o f c o l d p r o c e s s e d a s p h a l t mi l l i n g s a n d c e me n t - - e m u l s i o n m i l J o u ma l o f t h e T r a n s p o r t a t i o n R e s e a r c h B o a r d ， 2 0 0 1 ( 1 7 6 7 ) ： 1 - - 6 3 3 贺奎， 郑丽丽， 查炎鹏， 等 高速铁路无碴轨道用 C A砂浆孔结构优化 技术研究 J 混凝土， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 1 0 2 1 0 4 【 4 杜少文 ， 王振军 水泥改性乳化沥青混凝土力学性能与微观机理 J 同济大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 8 ) ： 1 0 4 0 1 0 4 3 5 】5李荣， 肖凤 ， 朱平 高速铁路水泥乳化沥青砂浆专用乳化沥青的研究 进展叨 化学世界， 2 0 1 1 ( 2 ) ： 2 3 1 2 7 【 6 1吕伟民， 孙大枧沥青混合料没计手册嗍 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 7 7 J J T G F 4 0 - - 2 0 04， 公路沥青路面施工技术规范【 s 作者简 介： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 杜少文( 1 9 8 2 一 ) ， 男， 工学博士 ， 讲师， 研究方向： 路面复合 混凝土以及混凝土再生等。 陕西西安长安大学公路学院 3 2 9 信箱( 7 1 0 0 6 4 ) 1 5 2 0 2 91 31 7 0 豳 重 互 圃 中 联重 科： 诚意新 品 续写 蓝 色关 爱 2月 2 5日， 以“ 成就2 O 年， 关怀每一天” 为主题的中联重科混凝土机械新品全球巡展在北京盛大开启。 白色底盘典雅高贵， 橙色臂架 高擎云霄， 数十台套中联 C I F A二代复合技术新品， 在最具前沿魅力的“ 水立方” 国家游泳中心与“ 鸟巢” 国家体育场交相辉映下， 接受了 来 自全国近千名混凝- h , lk 内人士与媒体的检阅。 这是奥林匹克公园首次接受大型工程装备集中全景展示。 中联重科与欧洲高端研发制造 技术的高度融合， 加以现代化的工业设计理念和制造工艺， 中 联重科高端装备制造的崭新形象， 堪与“ 水立方” 和“ 鸟巢” 媲美。 9 7