循环流化床灰渣制备道路缓凝专用生态水泥及其在道路基层上应用

车红卫

（山西路桥集团试验检测中心有限公司，山西 太原 030006）

目前，为了进一步保证路面水稳基层施工质量，延长水泥凝结时间，急需研制一种道路水稳基层缓凝专用水泥代替普通硅酸盐水泥[1]。中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局与中国国家标准化管理委员会于2018年11月发布实施《道路基层用缓凝硅酸盐水泥》GB/T 35162—2017标准，据此，研究的主要目的是利用循环流化床固硫灰渣制备大掺量的脱硫灰渣水泥，探究脱硫灰渣水泥力学性能以及在水泥稳定基层方面的应用[2]。

1 试验

1.1 原材料

该试验中采用的脱硫灰渣来自晋能电厂（化学成分见表1），水泥熟料来自国金水泥厂（化学成分见表2），天然石膏来自昌泰恒源建材有限公司，缓凝剂型号为TDA117，以上材料主要化学成分用X射线荧光光谱仪测定。

表1 脱硫灰渣化学成分 %

表2 水泥熟料化学成分 %

1.2 试样制备

采用Φ500×500 mm磨机对掺有一定比例的水泥熟料、脱硫灰渣、天然石膏、缓凝剂粉料进行研磨，研磨时间20～30 min，得到脱硫灰渣缓凝专用生态水泥P.RS32.5。

1.3 测试方法

1.3.1 脱硫灰渣水泥力学性能测定

a）依据《水泥密度测定方法》GB/T 208—2014进行密度测定。

b）依据《水泥细度检验方法筛析法》GB/T 1345—2005进行细度测定。

c）依据《水泥标准稠度用水量凝结时间 安定性检测方法》GB/T 1346—2011分别对标准稠度用水量、凝结时间及沸煮法安定性进行测定。

d）依据《道路基层用缓凝硅酸盐水泥》GB/T 35162—2017、《水泥胶砂强度检验方法（ISO）法》GB/T 17671—1999进行力学性能测定。

e）依据《膨胀水泥膨胀率试验方法》JC/T 313—2009进行线膨胀率测定。

f）依据《硫酸钙改性硅酸盐水泥》JC/T 1099—2009、《水泥压蒸安定性试验方法》GB/T 750—92进行浸水法和压蒸法安定性测定。

1.3.2 脱硫灰渣水泥形貌测定

采用Hitachi S4800扫描电镜测试型扫描电子显微镜，高压25 kV。从规定龄期的水泥胶砂基体上取约2 mm的颗粒，先用酒精中止水化后再用丙酮清洗掉表面上的污渍，放入110℃的真空干燥箱内烘干，然后置于扫描电子显微镜中进行观察。

2 试验结果与分析

2.1 水泥性能分析

采用1.3测试方法测定结果见表3。

表3 脱硫灰渣缓凝专用生态水泥性能指标

从表3看出：此水泥的凝结时间、细度及7 d和28 d力学性能满足《道路基层用缓凝硅酸盐水泥》GB/T 35162—2017标准要求。前期强度增长较慢，这是因为该水泥掺入了大量脱硫灰渣，水泥孰料掺量较少，前期水泥水化速率减慢造成的。后期强度增大是由于掺入大掺量脱硫灰，脱硫灰含有较多火山灰等活性物质，在硫酸盐及水泥熟料碱性条件下，生成大量的C-S-H和C-A-H胶凝材料。同时由于混合料中存在大量的Ca2+也在一定程度上使铝酸盐的聚合度增加，宏观方面表现为水泥胶砂试件更加致密化，从而提高水泥胶砂的强度[3]。此外，在低碱度环境下，水化反应生成的钙矾石在一定程度上弥补水泥收缩，增加水泥机体强度。从表3还可以看出，此水泥较常规水泥而言，凝结时间延长。这是因为用脱硫灰渣做水泥掺合料[4]，脱硫灰渣中含有较多的硫酸盐、亚硫酸盐，经过粉磨，脱硫灰渣晶粒细度增加，加快了与铝酸盐的反应速率，未水化的水泥孰料表面短时间内被大量的钙矾石包围，在一定程度上延长了水泥浆体的凝结时间。此外，此水泥中存在硬石膏，硬石膏与二水石膏相比，溶解速率小，在二水石膏完成反应后，硬石膏又与硫铝酸钙反应再次生成钙矾石。在上述两个方面作用下，促使了此水泥的凝结时间延长。

2.2 脱硫灰渣缓凝专用生态水泥在路面基层的性能分析

试验采用4种水泥剂量（4.0%、4.5%、5.0%、5.5%），碎石来自文水混凝土搅拌站，依据《公路路面基层施工技术细则》JTG/T F20—2015进行矿料集配合成，得出混合料掺配比例为10～30 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶石粉=10∶35∶20∶35。通过不同水泥剂量对水泥稳定碎石力学性能的影响，分析脱硫灰渣水泥在路面基层稳定材料中的作用效果，为其在工程中的推广应用提供必要的理论依据和技术支撑。通过击实试验及7 d无侧限抗压强度试验，试验结果如表4所示。

表4 脱硫灰渣缓凝专用生态水泥稳定碎石击实结果和7 d无侧限抗压强度结果

从表4看出：随着水泥剂量掺量增大，无机结合料最佳含水率逐渐增大。这是因为水泥剂量增大，混合料中细料增多，同时流化床固硫灰渣颗粒大多成不规则形状，表面呈现出疏松多孔的状态，且与外界之间存在大量的连通孔，且固硫灰渣进行粉磨处理破坏其宏观面貌之后其微观的颗粒形貌基本上不会改变，所以最佳含水率随水泥掺量增大呈增大趋势。随着水泥剂量掺量增大，最大干密度呈增大趋势。这是因为该水泥细度大，水化反应速率较快，在击实试验过程中，会有部分水泥发生水化反应，生成水泥石，增加混合料比重，故表现为混合料干密度呈增大趋势。随着水泥剂量掺量增大，7 d无侧限强度也呈增大趋势。这是因为水泥剂量增大，水泥掺量增多，生成更多的水化硅酸钙与水化铝酸钙，从而增加机体强度。

2.3 微观机理分析

扫描电镜下观测7 d、28 d的水泥胶砂水化反应微观形貌（见图1），在水泥胶砂内部，有大量的钙矾石生成。钙矾石的生成有利于强度的提高，而且钙矾石的微膨胀也会使体系更加密实（图1a），同时还有部分微小颗粒物填充及部分胶凝材料生成，在一定程度上提高水泥胶砂强度。观察28 d水泥胶砂水化反应微观形貌（图1b、图1c），水泥水化反应主要是玻璃相的硅铝相物质与溶解在液相中钙离子的结合反应[3-4]，水泥细度越大，水泥水化反应速率越快，而水化产物的数量和种类决定胶凝材料的活性，由于灰渣中含有较多的活性物质，决定该种水泥有较高的力学性能。

图1 扫描电镜下观测的水泥胶砂水化微观形貌

3 结语

a）用大掺量脱硫灰渣（超过60%以上）制备道路基层缓凝专用生态硅酸盐水泥，该水泥力学性能符合《道路基层用缓凝硅酸盐水泥》GB/T 35162—2017标准要求。

b）用于路面基层（底基层）中时，随着水泥掺量增大，7 d无侧限抗压强度也呈增大趋势。

c）脱硫灰渣大掺量制备道路基层缓凝专用生态硅酸盐水泥是可行的。