近年來(lái)，我國(guó)現(xiàn)代化高速公路建設(shè)快速發(fā)展，高速公路路面結(jié)構(gòu)中，基層是直接位于面層下的結(jié)構(gòu)層次，主要起承重以及擴(kuò)散荷載應(yīng)力的作用，路面基層材料的優(yōu)劣直接影響路面的質(zhì)量和使用性能。普通硅酸鹽水泥收縮大，用于道路基層時(shí)極易發(fā)生收縮，進(jìn)而使路面產(chǎn)生反射裂縫，導(dǎo)致路面被破壞；同時(shí)由于普通水泥凝結(jié)時(shí)間過(guò)快，水泥適應(yīng)性變差，混凝土坍損大，很快失去流動(dòng)性，給施工造成困難，并且過(guò)早凝結(jié)使基層在碾壓成型時(shí)造成強(qiáng)度損失。

為了滿足道路基層施工時(shí)延遲成型以及補(bǔ)償干縮產(chǎn)生的裂縫的要求，道路基層用緩凝水泥須具有較長(zhǎng)的凝結(jié)時(shí)間和微膨脹性能。公司積極部署研究，從影響水泥凝結(jié)時(shí)間的關(guān)鍵因素入手，調(diào)整生料配料，在源頭處控制熟料礦物組成，優(yōu)選成分穩(wěn)定的調(diào)凝劑，成功組織生產(chǎn)了道路基層用緩凝水泥。

細(xì)度：45 μm方孔篩篩余量不小于5.0%，不大于12.0%。

凝結(jié)時(shí)間：初凝時(shí)間不小于5 h，終凝時(shí)間不小于6 h，不大于12 h。

強(qiáng)度：3 d抗折強(qiáng)度不小于3.0 MPa，抗壓強(qiáng)度不小于20.0 MPa；28 d抗折強(qiáng)度不小于6.0 MPa，抗壓強(qiáng)度不小于35.0 MPa。

化學(xué)成分、安定性和線膨脹率等其他技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 35162—2017要求。

2.1　原材料

試驗(yàn)和生產(chǎn)用原材料主要化學(xué)成分見表1。

2.2　配料方案設(shè)計(jì)

道路基層施工對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間有要求，熟料中C3A礦物相水化反應(yīng)快、放熱量高，對(duì)凝結(jié)時(shí)間有重要影響。通過(guò)對(duì)公司生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)C3A含量低于7.5%時(shí)對(duì)熟料凝結(jié)時(shí)間影響較??；高于7.5%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間隨C3A含量增加呈縮短趨勢(shì)。因此在生產(chǎn)中控制C3A含量在7.5%左右，不宜超過(guò)8.0%。

在明晰C3A這項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)的控制值后，結(jié)合礦山資源實(shí)際及周邊原材料的儲(chǔ)備情況進(jìn)行生料配料，生料、熟料的控制指標(biāo)見表2，配料方案見表3，所得熟料的化學(xué)分析和物理性能分別見表4和表5。

表2　生料、熟料控制指標(biāo)

表3　配料方案%

表4　熟料化學(xué)分析

表5　熟料物理性能

2.3　小磨試驗(yàn)

為研究石膏對(duì)道路基層用緩凝水泥凝結(jié)時(shí)間的影響，將熟料、石灰石粉末、干粉煤灰、濕粉煤灰、燃煤爐渣、天然石膏、磷石膏在標(biāo)準(zhǔn)小磨中粉磨至比表面積350 m2/kg±10 m2/kg，按一定比例混合制備成試驗(yàn)小樣。各樣品的配比見表6，測(cè)試水泥的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度。

從小磨試驗(yàn)結(jié)果看，同一配比方案時(shí)，使用6%天然石膏或4%天然石膏+2%磷石膏作緩凝劑，初凝和終凝時(shí)間均偏短，不滿足目標(biāo)值要求。用6%磷石膏全替代天然石膏或2%天然石膏+4%磷石膏搭配作緩凝劑，初凝時(shí)間延長(zhǎng)至300 min以上，終凝時(shí)間延長(zhǎng)至380 min以上，且強(qiáng)度基本不受影響，滿足道路基層用緩凝水泥要求。考慮到天然石膏價(jià)格遠(yuǎn)高于磷石膏，故選用編號(hào)2的配比方案，用磷石膏單獨(dú)作緩凝劑生產(chǎn)道路基層用緩凝水泥。

3.1　磷石膏作緩凝劑對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

根據(jù)上述確定的配比，在水泥磨進(jìn)行工業(yè)試生產(chǎn)，并記錄一段時(shí)間內(nèi)水泥凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度等性能的波動(dòng)，如表7所示。水泥抗折、抗壓強(qiáng)度均滿足目標(biāo)值要求，抗壓強(qiáng)度3 d基本在20~22 MPa之間，28 d在35~36 MPa之間，較為穩(wěn)定。水泥細(xì)度和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量也滿足要求。

不同日期生產(chǎn)道路基層用緩凝水泥凝結(jié)時(shí)間不穩(wěn)定，所記錄的水泥初凝時(shí)間波動(dòng)極差為99 min，終凝時(shí)間極差94 min，波動(dòng)趨勢(shì)見圖1。經(jīng)分析，確定是磷石膏產(chǎn)地、陳化時(shí)間不同導(dǎo)致成分不均，進(jìn)而造成水泥凝結(jié)時(shí)間波動(dòng)，給生產(chǎn)控制帶來(lái)一定困難。

圖1　磷石膏作緩凝劑時(shí)凝結(jié)時(shí)間的波動(dòng)

3.2　使用工業(yè)糖蜜穩(wěn)定水泥凝結(jié)時(shí)間

為削弱磷石膏成分波動(dòng)給水泥凝結(jié)時(shí)間帶來(lái)的影響，確保水泥凝結(jié)時(shí)間滿足客戶需求，通過(guò)多次試驗(yàn)，在上述水泥配比方案的基礎(chǔ)上添加0.08%工業(yè)糖蜜稀釋溶液作復(fù)合緩凝劑，穩(wěn)定水泥凝結(jié)時(shí)間。所用糖蜜為工業(yè)制糖副產(chǎn)品，外觀為黑褐色、黏稠、半流動(dòng)狀液體，主要成分為蔗糖，與水按1∶1稀釋后，通過(guò)磨尾噴霧裝置噴入水泥磨內(nèi)，保證添加的均勻性。

表8記錄了第二次工業(yè)試驗(yàn)使用磷石膏-工業(yè)糖蜜復(fù)合緩凝劑的水泥凝結(jié)時(shí)間等性能波動(dòng)情況。經(jīng)過(guò)調(diào)整緩凝劑后，水泥初凝時(shí)間基本穩(wěn)定在350 min左右，終凝時(shí)間在420 min左右，且28 d抗壓強(qiáng)度在36~37 MPa之間，增長(zhǎng)了約1 MPa。

表8　第二次工業(yè)試生產(chǎn)道路基層用緩凝水泥檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)實(shí)際情況看，工業(yè)糖蜜稀釋液的均勻添加可以有效穩(wěn)定水泥凝結(jié)時(shí)間，便于生產(chǎn)控制，第二次工業(yè)試生產(chǎn)的道路基層用緩凝水泥凝結(jié)時(shí)間完全滿足國(guó)標(biāo)要求，水泥強(qiáng)度也有所優(yōu)化，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

3.3　道路基層用緩凝水泥收縮膨脹率

道路基層用緩凝水泥在滿足延遲成型的同時(shí)，還要求具有一定的微膨脹性，能適當(dāng)補(bǔ)償干縮產(chǎn)生的裂縫，因此根據(jù)JC/T 313—2009《膨脹水泥膨脹率試驗(yàn)方法》，對(duì)生產(chǎn)的專用緩凝水泥進(jìn)行了膨脹率測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見表9。

表9　不同齡期道路基層用緩凝水泥的線膨脹率%

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，生產(chǎn)的道路基層用緩凝水泥7 d線膨脹率在0.13%~0.14%之間，28 d線膨脹率在0.23%~0.25%之間，滿足國(guó)標(biāo)中7 d線膨脹率≥0.1%，28 d線膨脹率≤0.5%的要求。道路基層用緩凝水泥的膨脹源主要是鈣礬石，磷石膏能為水泥體系液相提供SO42-，為鈣礬石的形成提供S源，從而使水泥具有一定的微膨脹性能，抵消部分水泥水化過(guò)程中干燥引起的收縮，防止微裂縫的產(chǎn)生。

經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)研發(fā)、科學(xué)制定工序控制方案、精心組織生產(chǎn)，本課題研究的道路基層用緩凝水泥在實(shí)際生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用，同時(shí)，公司對(duì)水泥出廠嚴(yán)格檢驗(yàn)和控制，客戶對(duì)水泥進(jìn)廠質(zhì)量嚴(yán)格把控，按批次抽檢，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求。目前，道路基層用緩凝水泥已在安陸市通聯(lián)公路工程有限公司工程項(xiàng)目、中鐵二十四局棗潛高速公路、中鐵五局347國(guó)道荊門改擴(kuò)建工程等成功應(yīng)用，滿足了用戶和工程建設(shè)所需。同時(shí)磷石膏全替代天然石膏提高了工業(yè)廢渣的資源化利用率，符合綠色環(huán)保、節(jié)能減排的環(huán)保理念。

（1）以磷石膏-工業(yè)糖蜜復(fù)合作緩凝劑生產(chǎn)道路基層用緩凝水泥，緩凝效果明顯，且凝結(jié)時(shí)間穩(wěn)定易于生產(chǎn)控制，其他各項(xiàng)指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)及公路工程中道路基層施工要求。

（2）磷石膏替代天然石膏作緩凝劑可大大延緩凝結(jié)時(shí)間，滿足道路基層用緩凝水泥生產(chǎn)所需，同時(shí)水泥具有微膨脹性，能有效補(bǔ)償干縮裂縫，既符合工程所需，也緩解了磷石膏綜合利用壓力，具有良好的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益。