多源集料水泥稳定碎石水化过程研究

摘 要：集料是水泥稳定碎石的主要组成材料之一，集料化学组成特性对水泥稳定碎石初期水化存在潜在影响。该研究初选石灰岩、白云岩、玄武岩、片麻岩和闪长岩5种不同来源集料，并基于CemGEMS在统一环境和水泥条件下进行水化模拟分析。在此基础上，以石灰岩集料为例对比分析水泥水化过程中各类水化产物的生成演变规律，进而比较不同集料条件下钙矾石、水化硅酸盐等关键产物的生成速率，并统计分析集料化学成分与水化产物生成之间的内在关系。结果表明，相比玄武岩、闪长岩等酸性集料，石灰岩、白云岩等高碳酸盐类集料条件下钙矾石生成速率相对缓慢，且水化硅酸盐生成量相对较少；集料SiO2含量与水化硅酸盐生成量呈线性关系，SiO2含量越高则水泥水化生成的水化硅酸盐越多。

关键词：多源集料；组成成分；水泥水化；数值计算；过程分析

中图分类号：U416.1 文献标志码：A 文章编号：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

水泥稳定碎石作为一种高性能建筑材料，由于其具有高承载力、耐久性优及价格低廉等优势，致使其在现代工程领域成为一种不可或缺的材料。随着社会对环境保护意识的提高及对环境友好型建筑材料需求的增长，多源集料水泥稳定碎石的开发和应用展现出了更大的研究空间和潜力[1]。多源集料水泥稳定碎石是以水泥为稳定剂混合多种不同来源的碎石、砂砾以及其他补充材料经拌和、压实与养护后形成的具有高稳定性的复合材料，其大规模使用有助于降低废旧集料对环境的影响并实现资源的最大化利用。为确保工程应用，如何进一步提升其性能成为了研究者关注的焦点[2]。现有研究多集中于集料自身强度、颗粒形态及其组成设计对水泥稳定碎石强度的影响[3-5]，而各类集料对多源集料水泥稳定碎石的水化反应影响尚不明确，同时不同集料在水化反应过程中生成的水化产物及对材料力学性能的影响机理仍需进一步分析。基于此，本文对集料参与水化反应部分进行数值模拟计算分析，以研究各类集料对水泥水化过程的影响。

1 研究材料与研究方法

1.1 集料组成

为明确各类集料的化学组成成分以探究各类集料在水泥稳定碎石中如何参与水泥水化反应，本文通过统计分析相关研究文献，汇总了目前用于道路工程的各类典型岩性集料主要化学组成成分，见表1。

1.2 研究方法

多源集料水泥稳定碎石的水化反应过程受多种因素影响，包括水泥掺量、集料种类、水化反应环境（如温度和湿度）等。其中，多种集料组成成分对水化反应的耦合作用机理尚不明确，反应速率、各类水化产物含量如何变化以及如何影响多源集料水泥稳定碎石最终强度和稳定性仍需进一步探究，这对优化水泥稳定碎石配方和施工工艺具有重要意义。

CemGEMS作为一款用于水泥水化计算的在线软件，可以模拟计算水泥基材料在给定温度和压力等条件下的相关化学成分变化、体积变化和热效应[10-11]。本文利用CemGEMS模拟各类集料在水泥中的水化过程以分析水化反应速率及各类水化产物含量的变化并探究多种集料组成成分对水化反应的耦合作用机理。参考JTG/T F20—2015《公路路面基层施工技术细则》及JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》，本研究控制水化反应物质初始总质量相同，其中模拟水化反应的普通硅酸盐水泥掺入量设置为5.0%，集料参与反应比例设置为集料总质量的0.1％，水灰比为0.4，初始实验温度为20 ℃。

2 水化过程分析

2.1 水化过程研究

本文以水泥稳定石灰岩碎石为例研究多源集料水化过程。在水化反应过程中，水泥稳定碎石中的水泥与水发生反应，产生如水化硅酸盐、钙矾石等多种水化产物，水化过程中各化学成分含量随水化反应时间的变化情况如图1所示（各物质总占比按100%计算）。图1显示在水化反应最初的1 h内，水泥稳定碎石与水发生初步反应，各组分含量变化幅度相对较小，水化产物尚未显著形成。随着反应时间的延长，在1～24 h内，石膏（Gypsum）含量迅速减少直至为0，硅酸二钙（C2S）的含量也迅速减少，而水化生成的水化硅酸钙（C-S-H）的含量则大幅增加。随着水泥水化反应逐渐加剧，水化产物开始大量生成，各化学组成的化学反应速率开始加快，化学反应表达式如式（1）与式（2）所示。

2C3S+6H→C-S-H+3CH， （1）

2C2S+4H→C-S-H+CH。 （2）

在反应进行的1～7 d内，随着水化硅酸钙含量的逐步增加，促使水泥中的铝酸三钙（C3A）和水化硅酸钙进一步反应生成致密的铁铝酸盐钙矾石（A_{pp2oQc2q2/pGfc5A0B8kAsPdZ+M13ZPzdsD8ObqGQfA=}Ft），为水泥稳定碎石提供早期强度。此阶段水泥水化反应持续加剧，水化产物的生成速率增加，水化硅酸钙凝胶逐渐形成并逐渐增长，进而与水中的钙离子形成更稳定的结构。在此期间，水泥稳定碎石的物理和化学特性发生显著变化，其力学性能和耐久性得到显著提升。水泥水化反应7 d后仍在进行，但速率逐渐减缓。水化硅酸钙凝胶继续发育并进一步增长，提高混凝土的强度和耐久性；水化产物的不断形成和累积使得水泥基材料的性能在28 d内不断提高，达到整体强度90%以上。

2.2 多源集料水化特征影响分析

为进一步明确多源集料对水化反应的影响，本文对各类集料在水泥水化过程中的水化产物进行分析；考虑到水化反应生产的水化硅酸盐（主要是水化硅酸钙，C-S-H）、钙矾石（AFt）等对材料的整体稳定性和强度的形成起决定性作用，本文着重探究钙矾石（AFt）、水化硅酸盐等水化产物的形成过程与机理。

根据集料中含二氧化硅和碳酸盐（软件计算时以CaO计算质量）含量将其可大致分为2类：一类是以二氧化硅为主的玄武岩、闪长岩和片麻岩；另一类是含碳酸盐较多的石灰岩和白云岩。钙矾石是水泥水化反应中的早期水化产物之一，其形成可以促进水泥水化反应的进行[12]，有助于提高水泥稳定碎石的早期强度的形成，提高混凝土的抗渗性和耐久性[13]。根据CemGEMS模拟结果，钙矾石（AFt）含量随水化反应时间的变化情况如图2所示。图2显示水泥水化过程中钙矾石的形成主要发生在水化反应前72 h内，相对于玄武岩、片麻岩和闪长岩，石灰岩与白云岩对AFt的产生有较为显著的延缓作用。这可能是由于在水泥水化反应初期，碳酸盐的分解释放出二氧化碳速率较高，其会消耗水泥浆料中的氢氧化钙促使水泥浆料中的碱性物质会减少，进而导致水泥水化环境在较短时间内碱性下降，延缓钙矾石的形成速率[14]。相比之下，玄武岩、片麻岩和闪长岩等二氧化硅含量较多的集料在水泥水化反应初期释放的二氧化碳较少，能够为钙矾石的产生提供较好的碱性条件，因此对钙矾石形成速率的抑制影响较小。

水化28 d后不同种集料水泥稳定碎石水化产物含量如图3所示，图3显示水泥稳定碎石水化产物主要由水榴石、水化硅酸盐、碳酸氢盐和水滑石所组成，其中水化硅酸盐在各种集料水泥稳定碎石水化产物含量占比均达到75%以上。由于水化硅酸盐在水化过程中以胶凝体的形式存在，且通过物理交缠和化学键合作用形成多孔三维网络结构填充在原材料的颗粒间隙中致使水泥稳定碎石结构更加紧密。因此，水化反应过程中生成的水化硅酸盐是水泥稳定碎石强度的主要来源，对混凝土的稳定性和耐久性起到关键作用[15]。图3显示石灰岩和白云岩2类集料水泥稳定碎石水化产生的水化硅酸盐少于其他种类集料，这是由于其SiO2含量较少所致，进而导致石灰岩和白云岩2类集料水泥稳定碎石力学性能的减弱并降低水泥稳定碎石的服役性能。此外，其他各类产物受集料自身组成成分影响，其单位质量有一定的差异，但因其产物较为稳定且数量较少，对水泥稳定碎石强度产生无明显影响[16]。

同时为探究水化反应过程中水化硅酸盐生成量与集料自身组成的关系，本文对集料化学组成成分与水化反应28 d后的水化硅酸盐含量进行统计分析，结果如图4所示。图4表明水化反应生成的水化硅酸盐质量与集料中的SiO2含量相关性高且呈线性关系，表明使用玄武岩、闪长岩与片麻岩等SiO2含量高的集料有助于提高水泥稳定碎石强度。因此，从水化反应角度研究，为提高其强度，推荐使用玄武岩、闪长岩和片麻岩作为水泥稳定碎石材料。

3 结论

本文通过对多源集料水泥稳定碎石进行水化动力学模拟计算分析，探究了各类典型集料对水化反应的影响。

1）石灰岩、白云岩等高碳酸盐含量的集料相较于玄武岩、闪长岩和片麻岩等含二氧化硅较多的集料在参与水泥水化时会在一定程度上降低钙矾石的产生速率，导致其水泥稳定碎石早期强度无法快速形成，降低水泥稳定碎石的抗渗性和耐久性。

2）石灰岩和白云岩2类集料水泥稳定碎石在水化反应过程中生成的水化硅酸盐较其他岩性集料更少，致使其较其他岩性集料的水泥稳定碎石强度及服役性能有所降低。

3）水泥稳定碎石水化反应过程中生成的水化硅酸盐含量与集料中的SiO2含量具有良好的相关性且呈线性相关关系。

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