水泥強(qiáng)度增長(zhǎng)特性與水穩(wěn)碎石連鋪施工可行性研究

牛生鋒，楊永富，張文虎

（1.山東省路橋集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250021；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

在公路施工過(guò)程中，因水泥穩(wěn)定碎石基層厚度較大，一般采用分層攤鋪、分層碾壓、分層成型施工工藝，在不斷的工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，開發(fā)了“雙層連鋪、分層碾壓、一次成型”的施工工藝，該工藝可大幅縮短施工周期，節(jié)約養(yǎng)生及維護(hù)費(fèi)用，但上下基層必須在水泥初凝時(shí)間內(nèi)完成碾壓，對(duì)施工組織要求較高，且橫接縫較多，平整度較差。

1 水泥強(qiáng)度增長(zhǎng)特性研究

水泥強(qiáng)度的形成過(guò)程是指水泥在水的作用下逐漸發(fā)展成為具有一定黏結(jié)和流動(dòng)性能的可塑性漿體，即水泥漿。水化繼續(xù)進(jìn)行，流動(dòng)性能不斷下降，黏結(jié)性能不斷增強(qiáng)，最后凝結(jié)硬化成為具有一定強(qiáng)度的石狀體。

1.1 水泥漿稠度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響分析

不同的用水量直接影響水泥漿的稠度，進(jìn)而影響水泥狀態(tài)變化的時(shí)間。采用P·O42.5 緩凝水泥，技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

試驗(yàn)采用以標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為基準(zhǔn)，5%水灰比為梯度逐漸增加用水量，調(diào)整水泥漿稠度方法，進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)，不同稠度條件下的水泥凝結(jié)時(shí)間見表2 和圖1。

圖1 水泥稠度對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

表2 不同水泥漿稠度下的凝結(jié)時(shí)間

分析圖1 可知，凝結(jié)時(shí)間與水泥漿稠度之間呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)性，隨水泥漿稠度的不斷提高，水泥初凝和終凝時(shí)間大致呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)水泥漿稠度達(dá)到46.8% 時(shí)，初凝時(shí)間約13 h，終凝時(shí)間約15 h，初凝時(shí)間和終凝時(shí)間幾乎是稠度26.8%時(shí)的2 倍。在水泥穩(wěn)定碎石混合料施工過(guò)程中，有效水灰比在62.5% 左右，根據(jù)凝結(jié)時(shí)間與水泥漿稠度的回歸關(guān)系式可以推算初凝時(shí)間約為17 h，終凝時(shí)間約為19 h。

1.2 延遲時(shí)間對(duì)水泥強(qiáng)度特性的影響

水泥強(qiáng)度的影響因素包括水灰比、水泥的水化程度、礦物組成及含量、孔結(jié)構(gòu)等，其中水灰比和水泥的水化程度為最主要的影響因素。不同因素對(duì)水泥強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)：（1）水灰比越大，水泥漿體孔隙越多，形成的水泥強(qiáng)度越低，研究認(rèn)為水泥的抗壓強(qiáng)度與水灰比具有良好的線性關(guān)系。（2）水化反應(yīng)越充分，水化產(chǎn)物越能密實(shí)地填充水泥漿的孔隙且緊密地膠結(jié)在一起，水泥漿體的孔隙率較低，水泥的強(qiáng)度較高。（3）在水泥礦物組成方面，硅酸鹽含量是決定水泥強(qiáng)度的主要因素，其中C3S決定了水泥28 d 強(qiáng)度，C2S 對(duì)水泥的后期強(qiáng)度起主導(dǎo)作用，C3A 對(duì)水泥早期強(qiáng)度有利，C4AF 對(duì)水泥的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均有貢獻(xiàn)，這四種硅酸鹽礦物的含量多少也按照各自的作用以不同的權(quán)重影響著水泥的強(qiáng)度發(fā)展和形成。（4）孔結(jié)構(gòu)主要包括孔徑及孔徑分布，當(dāng)水泥的孔隙率相同時(shí)，大孔徑的孔隙占比越多，水泥的強(qiáng)度就越小，這也是在其他條件不變時(shí)，盡管孔隙率相同卻得到不同強(qiáng)度的水泥的原因。而孔結(jié)構(gòu)的形成主要與試件成型時(shí)的振動(dòng)水平有關(guān)。

1.2.1 振動(dòng)水平的選取

為了保證室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)施工條件具有最大程度上的擬合性，在進(jìn)行試件成型時(shí)選擇25 s、45 s 和60 s 作為振動(dòng)時(shí)間，以此來(lái)表示振動(dòng)強(qiáng)度的大小。對(duì)不同振動(dòng)時(shí)間下成型的試件測(cè)試其壓實(shí)度。試驗(yàn)結(jié)果顯示振動(dòng)25 s 成型的試件與96%的壓實(shí)度近似；振動(dòng)時(shí)間為45 s 和60 s 時(shí)壓實(shí)度則分別與98%和100%近似。為與實(shí)際工程過(guò)程質(zhì)量控制壓實(shí)度（98%）標(biāo)準(zhǔn)相符，在進(jìn)行延時(shí)振動(dòng)對(duì)水泥砂漿和水穩(wěn)基層混合料力學(xué)特性的影響分析時(shí)，選擇振動(dòng)時(shí)間為45 s 進(jìn)行試件的成型，以最大限度地模擬現(xiàn)場(chǎng)施工條件。

1.2.2 延遲時(shí)間對(duì)水泥抗壓強(qiáng)度的影響

在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下得到的強(qiáng)度稱為標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)成型的水泥膠砂試件立即進(jìn)行二次振動(dòng)得到的強(qiáng)度稱為基準(zhǔn)強(qiáng)度。對(duì)水泥進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)，分析不同延遲時(shí)間內(nèi)水泥膠砂抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 水泥膠砂抗壓強(qiáng)度與延遲時(shí)間的關(guān)系

分析圖2 可知：（1）延遲時(shí)間在0～3 h 時(shí)，水泥膠砂強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，說(shuō)明二次振動(dòng)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，在此階段內(nèi)水泥未完全水化，水化產(chǎn)物阻礙水泥的進(jìn)一步水化，二次振動(dòng)后致使包覆層破裂，填充結(jié)構(gòu)間的空隙，水泥顆粒得到進(jìn)一步分散，水泥水化反應(yīng)更加充分。（2）在3～24 h 進(jìn)行二次振動(dòng)時(shí)，膠砂強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，此階段水泥水化已經(jīng)形成了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，由于二次振動(dòng)破壞了已形成的晶體結(jié)構(gòu)，但此時(shí)的晶體結(jié)構(gòu)有一定的自愈性，隨水化反應(yīng)的進(jìn)一步發(fā)展，晶體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度重新達(dá)到新的平衡，損失的強(qiáng)度得到一定程度的補(bǔ)償，隨著時(shí)間的推移，這種補(bǔ)償愈加減少，呈現(xiàn)出水泥強(qiáng)度不斷降低但均高于基準(zhǔn)強(qiáng)度的現(xiàn)象。（3）延遲72 h 時(shí)進(jìn)行二次振動(dòng)，水泥的強(qiáng)度達(dá)到最小值且低于基準(zhǔn)值，之后逐漸增加，至7 d 后再次進(jìn)行二次振動(dòng)，強(qiáng)度與基準(zhǔn)強(qiáng)度基本一致，說(shuō)明7 d 后試件自身強(qiáng)度能夠抵抗外部振動(dòng)力的影響，強(qiáng)度不再降低。

1.2.3 延遲時(shí)間對(duì)水泥抗折強(qiáng)度的影響

對(duì)水泥進(jìn)行膠砂強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，分析不同延遲時(shí)間二次振動(dòng)對(duì)膠砂抗折強(qiáng)度變化規(guī)律，結(jié)果見圖3。

圖3 水泥抗折強(qiáng)度隨不同延遲時(shí)間的變化特征

分析圖3 可知：（1）若對(duì)水泥膠砂立即進(jìn)行二次振動(dòng)則其抗折強(qiáng)度從5.7 MPa 增長(zhǎng)到7.2 MPa，增長(zhǎng)幅度較大，為126.3%。（2）在0～48 h 內(nèi)進(jìn)行二次振動(dòng)，水泥膠砂的抗折強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但均高于標(biāo)準(zhǔn)值，說(shuō)明一定時(shí)間內(nèi)的延遲振動(dòng)有利于水泥膠砂抗折強(qiáng)度的形成。（3）在48～72 h之間的某一時(shí)間點(diǎn)抗折強(qiáng)度開始低于標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度5.7 MPa，在72 h 處出現(xiàn)最小值。（4）72 h 之后，抗折強(qiáng)度又開始增長(zhǎng)，直至與標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度相近或者持平。這是由于當(dāng)水泥砂漿的齡期超過(guò)3 d 后，已經(jīng)形成了一定的強(qiáng)度，足夠抵抗二次振動(dòng)的影響。

根據(jù)水泥膠砂抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度隨延遲時(shí)間的變化曲線，發(fā)現(xiàn)水泥膠砂抗壓、抗折強(qiáng)度隨延遲時(shí)間的增長(zhǎng)趨于一致，延遲12 h 進(jìn)行二次振動(dòng)獲得的水泥膠砂抗壓及抗折強(qiáng)度均較好，且高于基準(zhǔn)強(qiáng)度，并且延遲12 h 以內(nèi)所獲得的強(qiáng)度波動(dòng)較大，12 h 后趨于平穩(wěn)，因此選定12 h 作為關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)。

2 水穩(wěn)碎石混合料連鋪施工可行性研究

2.1 基于二次擾動(dòng)強(qiáng)度特性的可行性分析

（1）水穩(wěn)碎石基層中的水泥用量一般＜7%，遠(yuǎn)低于普通混凝土，水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度構(gòu)成主要包括水泥產(chǎn)生的黏結(jié)力和集料間的內(nèi)摩阻力。（2）與水泥混凝土相比，水穩(wěn)碎石混合料的強(qiáng)度要求較低，施工壓實(shí)后，碎石顆粒嵌擠摩阻作用比水泥水化后的結(jié)合作用對(duì)于強(qiáng)度的貢獻(xiàn)度更大。因此，施工的振動(dòng)、壓實(shí)等二次擾動(dòng)盡管可能在一定程度上影響水泥的凝結(jié)，使顆粒界面的黏結(jié)作用有所衰減，但是可以大幅提高水穩(wěn)碎石混合料的骨架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)層間結(jié)合效果，提升基層結(jié)構(gòu)的整體性能。因此，水穩(wěn)碎石基層的分層連鋪施工具有可行性。

2.2 基于凝結(jié)時(shí)間的可行性分析

延遲時(shí)間和水泥的凝結(jié)時(shí)間有密切關(guān)系，是影響連續(xù)施工效果的重要因素。延遲時(shí)間指的是自下層材料加水拌和開始至上層鋪筑完成所需要的時(shí)間［1］。在標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量狀態(tài)下水灰比一般為0.26～0.28［2］，而水泥穩(wěn)定碎石基層中水泥漿的水灰比要比在標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量時(shí)的水灰比大得多。在最佳含水率及水泥劑量確定的情況下，水泥穩(wěn)定混合料中的水一部分由水泥吸收，一部分由集料吸收，而集料的吸水率與水泥相比很小。例如，經(jīng)試驗(yàn)和計(jì)算確定某水泥穩(wěn)定碎石配合比為水泥∶集料∶水=4.0 ∶100 ∶5.0，扣除集料吸收的水，水泥實(shí)際吸收的水約為2.5%，此時(shí)真正的水灰比是0.625，遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量下的水灰比。隨著水泥漿稠度的不斷提高，水泥初凝和終凝時(shí)間將不斷增長(zhǎng)，因此，水泥穩(wěn)定碎石基層中水泥的凝結(jié)時(shí)間與在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量條件下測(cè)得的凝結(jié)時(shí)間是不對(duì)等的，現(xiàn)場(chǎng)凝結(jié)時(shí)間為室內(nèi)凝結(jié)時(shí)間的3～5 倍，甚至更長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)調(diào)整水泥漿稠度確定水泥凝結(jié)時(shí)間與水泥漿水灰比之間的關(guān)系，得出當(dāng)水灰比增大時(shí)，局部反應(yīng)充分但整體交聯(lián)較為緩慢且水泥漿體內(nèi)部的孔隙率相應(yīng)增大，水泥漿體達(dá)到一定密實(shí)度的時(shí)間延長(zhǎng)，相應(yīng)地水泥的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間也延長(zhǎng)，且強(qiáng)度會(huì)因內(nèi)部存在的孔隙而衰減。（2）結(jié)合不同水泥漿稠度下水泥的凝結(jié)時(shí)間變化規(guī)律，分析了基于凝結(jié)時(shí)間的分層連續(xù)施工工藝中存在的問(wèn)題并提出了邊界時(shí)間的概念，這就為在分層連續(xù)施工工藝中突破凝結(jié)時(shí)間的限制提供了可能。（3）通過(guò)分析不同延遲時(shí)間對(duì)水泥強(qiáng)度形成的影響，得出在延遲時(shí)間12 h 以內(nèi)時(shí)，二次振動(dòng)有利于水泥膠砂強(qiáng)度形成，初步認(rèn)為延遲12 h 為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。（4）從二次擾動(dòng)強(qiáng)度特性和凝結(jié)時(shí)間的角度分析了水穩(wěn)碎石混合料突破水泥初凝時(shí)間的連續(xù)攤鋪施工工藝的可行性。