多源集料水泥穩(wěn)定碎石水化過程研究

摘 要：集料是水泥穩(wěn)定碎石的主要組成材料之一，集料化學組成特性對水泥穩(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)境和水泥條件下進行水化模擬分析。在此基礎上，以石灰?guī)r集料為例對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，進而比較不同集料條件下鈣礬石、水化硅酸鹽等關鍵產(chǎn)物的生成速率，并統(tǒng)計分析集料化學成分與水化產(chǎn)物生成之間的內(nèi)在關系。結果表明，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緩慢，且水化硅酸鹽生成量相對較少；集料SiO2含量與水化硅酸鹽生成量呈線性關系，SiO2含量越高則水泥水化生成的水化硅酸鹽越多。

關鍵詞：多源集料；組成成分；水泥水化；數(shù)值計算；過程分析

中圖分類號：U416.1 文獻標志碼：A 文章編號：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)及價格低廉等優(yōu)勢，致使其在現(xiàn)代工程領域成為一種不可或缺的材料。隨著社會對環(huán)境保護意識的提高及對環(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、砂礫以及其他補充材料經(jīng)拌和、壓實與養(yǎng)護后形成的具有高穩(wěn)定性的復合材料，其大規(guī)模使用有助于降低廢舊集料對環(huán)境的影響并實現(xiàn)資源的最大化利用。為確保工程應用，如何進一步提升其性能成為了研究者關注的焦點[2]。現(xiàn)有研究多集中于集料自身強度、顆粒形態(tài)及其組成設計對水泥穩(wěn)定碎石強度的影響[3-5]，而各類集料對多源集料水泥穩(wěn)定碎石的水化反應影響尚不明確，同時不同集料在水化反應過程中生成的水化產(chǎn)物及對材料力學性能的影響機理仍需進一步分析?；诖?，本文對集料參與水化反應部分進行數(shù)值模擬計算分析，以研究各類集料對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，本文通過統(tǒng)計分析相關研究文獻，匯總了目前用于道路工程的各類典型巖性集料主要化學組成成分，見表1。

1.2 研究方法

多源集料水泥穩(wěn)定碎石的水化反應過程受多種因素影響，包括水泥摻量、集料種類、水化反應環(huán)境（如溫度和濕度）等。其中，多種集料組成成分對水化反應的耦合作用機理尚不明確，反應速率、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)定碎石最終強度和穩(wěn)定性仍需進一步探究，這對優(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算的在線軟件，可以模擬計算水泥基材料在給定溫度和壓力等條件下的相關化學成分變化、體積變化和熱效應[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水化反應的耦合作用機理。參考JTG/T F20—2015《公路路面基層施工技術細則》及JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》，本研究控制水化反應物質初始總質量相同，其中模擬水化反應的普通硅酸鹽水泥摻入量設置為5.0%，集料參與反應比例設置為集料總質量的0.1％，水灰比為0.4，初始實驗溫度為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。在水化反應過程中，水泥穩(wěn)定碎石中的水泥與水發(fā)生反應，產(chǎn)生如水化硅酸鹽、鈣礬石等多種水化產(chǎn)物，水化過程中各化學成分含量隨水化反應時間的變化情況如圖1所示（各物質總占比按100%計算）。圖1顯示在水化反應最初的1 h內(nèi)，水泥穩(wěn)定碎石與水發(fā)生初步反應，各組分含量變化幅度相對較小，水化產(chǎn)物尚未顯著形成。隨著反應時間的延長，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。隨著水泥水化反應逐漸加劇，水化產(chǎn)物開始大量生成，各化學組成的化學反應速率開始加快，化學反應表達式如式（1）與式（2）所示。

2C3S+6H→C-S-H+3CH， （1）

2C2S+4H→C-S-H+CH。 （2）

在反應進行的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）和水化硅酸鈣進一步反應生成致密的鐵鋁酸鹽鈣礬石（A_{pp2oQc2q2/pGfc5A0B8kAsPdZ+M13ZPzdsD8ObqGQfA=}Ft），為水泥穩(wěn)定碎石提供早期強度。此階段水泥水化反應持續(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，進而與水中的鈣離子形成更穩(wěn)定的結構。在此期間，水泥穩(wěn)定碎石的物理和化學特性發(fā)生顯著變化，其力學性能和耐久性得到顯著提升。水泥水化反應7 d后仍在進行，但速率逐漸減緩。水化硅酸鈣凝膠繼續(xù)發(fā)育并進一步增長，提高混凝土的強度和耐久性；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，達到整體強度90%以上。

2.2 多源集料水化特征影響分析

為進一步明確多源集料對水化反應的影響，本文對各類集料在水泥水化過程中的水化產(chǎn)物進行分析；考慮到水化反應生產(chǎn)的水化硅酸鹽（主要是水化硅酸鈣，C-S-H）、鈣礬石（AFt）等對材料的整體穩(wěn)定性和強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)物的形成過程與機理。

根據(jù)集料中含二氧化硅和碳酸鹽（軟件計算時以CaO計算質量）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中的早期水化產(chǎn)物之一，其形成可以促進水泥水化反應的進行[12]，有助于提高水泥穩(wěn)定碎石的早期強度的形成，提高混凝土的抗?jié)B性和耐久性[13]。根據(jù)CemGEMS模擬結果，鈣礬石（AFt）含量隨水化反應時間的變化情況如圖2所示。圖2顯示水泥水化過程中鈣礬石的形成主要發(fā)生在水化反應前72 h內(nèi)，相對于玄武巖、片麻巖和閃長巖，石灰?guī)r與白云巖對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初期，碳酸鹽的分解釋放出二氧化碳速率較高，其會消耗水泥漿料中的氫氧化鈣促使水泥漿料中的堿性物質會減少，進而導致水泥水化環(huán)境在較短時間內(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初期釋放的二氧化碳較少，能夠為鈣礬石的產(chǎn)生提供較好的堿性條件，因此對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鍵合作用形成多孔三維網(wǎng)絡結構填充在原材料的顆粒間隙中致使水泥穩(wěn)定碎石結構更加緊密。因此，水化反應過程中生成的水化硅酸鹽是水泥穩(wěn)定碎石強度的主要來源，對混凝土的穩(wěn)定性和耐久性起到關鍵作用[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，進而導致石灰?guī)r和白云巖2類集料水泥穩(wěn)定碎石力學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，對水泥穩(wěn)定碎石強度產(chǎn)生無明顯影響[16]。

同時為探究水化反應過程中水化硅酸鹽生成量與集料自身組成的關系，本文對集料化學組成成分與水化反應28 d后的水化硅酸鹽含量進行統(tǒng)計分析，結果如圖4所示。圖4表明水化反應生成的水化硅酸鹽質量與集料中的SiO2含量相關性高且呈線性關系，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)定碎石強度。因此，從水化反應角度研究，為提高其強度，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 結論

本文通過對多源集料水泥穩(wěn)定碎石進行水化動力學模擬計算分析，探究了各類典型集料對水化反應的影響。

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會在一定程度上降低鈣礬石的產(chǎn)生速率，導致其水泥穩(wěn)定碎石早期強度無法快速形成，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)定碎石強度及服役性能有所降低。

3）水泥穩(wěn)定碎石水化反應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性且呈線性相關關系。

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