超早強水泥穩定碎石的強度機理分析

闫俊楠1 徐仲2

1.南召縣通達公路工程有限公司 河南 南召 474650；2.南召縣公路管理局 河南 南召 474650

摘要：本文簡要介紹了普通水泥穩定碎石強度形成機理，分析了超早強水泥穩定碎石早強機理，論述了外加劑對水泥石強度的影響。為今後超早強水泥穩定碎石更好的應用于工程實踐奠定了基礎。

關鍵詞：超早強；水穩碎石；強度機理

1.普通水泥穩定碎石強度形成機理

水泥穩定碎石基層強度的形成，主要可以分為化學作用和機械作用兩部分。

1.1化學作用

當水泥與級配碎石加水拌和後，水泥中的各個成分與土中的水分發生強烈的水解和水化反應，同時從溶液中分解出氫氧化鈣并形成其他水化物。其各自成分的反應過程如下：

矽酸三鈣(3Ca•SiO2):在水泥中含量最高(占40%～45%)，是決定強度的主要因素。

2(3CaO•SiO2) 6H2O→3CaO•2SiO2•3H2O 3Ca(OH)2

矽酸二鈣(2CaO•SiO2)：在水泥中含量也很高(占30%～35%)，它是主要産生後期強度。

2(2CaO•SiO2) 4H2O→3CaO•2SiO2•3H2O Ca(OH)2

鋁酸三鈣(3CaO•Al2O3)：約占水泥重量的6%，其水化速度最快，能促進早凝。

3CaO•Al2O3 6H2O→3CaO•Al2O3•6H2O

鐵鋁酸四鈣(4CaO•Al2O3•Fe2O3):約占水泥重量的10%，能促進早期強度。

4CaO•Al2O3•Fe2O3 2Ca(OH)2 10H2O→3CaO•Al2O3•6H2O 3CaO•Fe2O3•6H2O

硫酸鈣(CaSO4)：雖然在水泥中隻含4%，但它與鋁酸三鈣一起與水發生反應，生成水泥杆菌。

3CaSO4 3CaO•Al2O3 32H2O→3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O

由上述可以看到，将水加入水泥後，主要的水化産物是堿性的矽酸鈣、鋁酸鈣和氫氧化鈣。前兩種産物是主要的膠結成分，而氫氧化鈣則沉澱成為分離的透明的固體。硫酸鈣在水泥中雖然含量很低，但它與鋁酸三鈣一起與水發生反應，生成水泥杆菌。根據電子顯微鏡的觀察，水泥最初以針狀結晶的形式在比較短的時間裡析出，其生成量取決于水泥的劑量及齡期的長短。由χ射線分析可知，這種反應是快速進行的。反應結果是把大量的自由水，以結晶水的形式固定下來。水泥杆菌的生長将會延緩水泥的水化與硬化過程。

由于矽酸鹽水泥熟料中的四種礦物尤其是C3S、C3A反應速度較快，而且C3S是矽酸鹽水泥中最主要的礦物組分，含量一般在40%左右，C3S水化産物對水泥早期強度和後期強度起主要作用；C3A含量不高，但是反應速度最快，其含量決定水泥凝結速度和釋熱量，對水泥早期強度起一定作用；C2S在矽酸鹽水泥中含量約為35%，亦為主要礦物，其遇水反應速度緩慢，水化熱也較低，對水泥早期強度貢獻較小，但對水泥後期強度起重要作用；C4AF通常含量為10%，遇水反應較快，水化熱較高，但是其強度較低，對抗彎拉強度起重要作用。正是因為水泥熟料中四種礦物含量不同、水化速度不同作用下，水泥穩定類基層材料在初期強度增長表現為較快，往後強度增長逐漸減緩。

1.2機械作用

水泥加入碎石中，經加水拌和後，雖能産生上述的一系列化學反應，但當其處于松散狀态時，并不能具有作為路面基層所要求的強度，它必須經過機械的壓實，使整個化學反應過程，基本上在拌和和碾壓過程中完成(剩餘部分可在以後的養護中繼續完成)。水泥穩定碎石混合料在機械壓力的壓實作用下，使顆粒緊密接觸，當水泥硬化時，它們将膠結在一起形成不易透水的闆體，使強度大大提高，并獲得抵抗交通荷載和溫度應力所引起的變形的能力。級配好的集料經壓實後，本身就有較高的強度及穩定性，添加了适量的水泥後更能增加其強度和穩定性。

簡單地說，水泥穩定材料的強度形成過程就是水泥中的各種化合物遇水後，經水化、凝結、硬化與集料形成強度較高的混合體。經過大量複雜的物理化學變化，最終生成鈣礬石、各種鐵鋁氧化物、C-S-H纖維以及六角形的Ca(OH)2，膠結在集料表面或相互交錯形成一定整體的、具有一定強度的水泥穩定材料，并且随着齡期的增長強度越高。

上述研究表明，水泥穩定粒料(土)的水泥水化硬化及與顆粒之膠結與水泥混凝土沒有本質區别。隻是在水泥穩定粒料土時，水泥用量較少，不足以包裹、填充其顆粒骨架孔隙，其強度主要靠粒料與粒料之間相互擠壓、摩擦和接觸處的水泥膠結産生。而一旦級配選定粒料與粒料之間的擠壓、摩擦作用就基本決定了，其強度就主要決定于水泥膠結強度。而相關文獻曾用下式表述水泥穩定粒料(土)的強度：

。式中：R—材料強度；R0—接觸點處連接強度；x—處在截面上的接觸點處水泥石面積；x0—總橫截面積；f0—截面處的内摩擦力。因此，水泥石的強度以及水泥石－集料膠結強度是決定水泥穩定粒料(土)強度的重要因素。

2.超早強水泥穩定碎石早強機理分析

超早強水泥穩定碎石與普通水泥穩定碎石既有很大的不同，又具有相同的特點。研究表明，水泥穩定碎石的形成過程是一個很複雜的體系：(1)它包括了固、液、氣三相，而且各狀态相中又并不是單一的組成；(2)從宏觀、細觀到微觀看，水泥穩定碎石都是不均勻的，水化物的組成、結晶程度、顆粒大小、氣孔大小和性質等方面都存在差别；(3)水泥穩定碎石的結構随時間而變化，凝膠、晶體、縫等的生長都随應用時間而變化；(4)水泥硬化晶體結構也随周圍條件環境而變化。摻加外加劑提高水泥穩定碎石的早期強度，實質上是，一方面提高水泥石的早期強度，另一方面改善水泥石－集料界面強度，減少界面缺陷，從而全面提高水泥穩定碎石的早期強度。

3.外加劑對水泥石強度的影響

水泥水化過程中，從過飽和離子溶液中結晶生成過程的動力學和結晶産物的性質不僅取決于水泥的礦物組成、分散度和形狀，而且很大程度上取決于外加劑的性質及含量。

外加劑的化學組成和濃度、介質溫度和其他外因能對水泥的化學活性産生不同的影響，它能改變水泥的物理-化學性質和水化結晶産物的物理-化學性質。

根據分子動力學研究結晶過程，由于基本粒子團的碰撞而産生結晶。此條件下結晶的産生取決于如下方程式：

。式中：Voc—晶胚的速度；CK—生成結晶中心的粒子濃度；AK—生成結晶中心所需的功，主要取決于立體或相間的表面能；T—溫度。根據關系式生成晶胚的速度随溫度的增加和相間界面能的減小而增加。

在極大過飽和情況下，由于溶液的粘度增加，妨礙新生晶胚生成，使晶胚生長速度下降。為了考慮這種現象還應引入一指數項Ea，它取決于溶液的粘度。這樣生成晶胚的速度方程式表示為：

。式中：Ea—活化能，離子的活動性，與液相粘度有關；其餘符号同前。

結晶過程的發展使水泥石産生強度，新生成的水泥石強度RHLIK取決于單位體積中成鍵的數量Nux和每個鍵的強度ΔRux，可以認為強度的大小将與參加作用的分子數和生成結晶中心的速度成正比。從而得到表征水泥石強度與時間的關系的方程式：

。式中：RHLIK—新生水泥石強度；K1、K3—速度常數；nΣ—分子總數；t—反應時間；其餘符号同前。

根據上述水泥水化結晶動力學原理及公式，要增加水泥石強度必須增加晶胚生成速度，即增加離子交換過程、增加液相離子濃度、促進水化過程，外加劑中的無機電解質就能達到此目的。同時，外加劑中的表面活性成分以降低表面能與液相粘度而增加成鍵比例，相應提高了水泥石強度。

從水泥水化的過程來看，首先外加劑與矽酸鹽水泥混拌後，當遇水混合，固體材料很快分散于水中，水泥熟料礦物和外加的修補劑将溶解于水并起水化反應，同時在較短時間内生成大量的水化鋁酸鈣、針狀的鈣礬石和細小的纖維狀的水化矽酸鈣，并填充于原先為水、孔隙所占的空間，随着時間的增長，生成的水化産物越來越多，晶體不斷長大，并且還有較多的單硫型水化硫鋁酸鈣，使其結構越來越緻密，從而提高了早期強度。從水化産物的性質來看，它們的早期水化産物主要有：水化矽酸鈣凝膠體、水化硫鋁酸鈣、水化鋁酸鈣、鈣礬石等晶體。對水泥石強度的發展起主要作用的是C3S，其次是C2S和C4AF，而C3A主要在水化早期有影響。因此，C3S、C2S水化速度和水化程度對水泥石的強度發展産生尤其是後期強度有着決定性的影響。由于在水化初期，溶液中的Ca(OH)2、SO42-、Al2O3等組分結合成鈣礬石，因而液相中的Ca(OH)2濃度明顯下降，這就促進了矽酸鹽組分的水化，促使矽酸鈣水化産物C-S-H凝膠的提前形成，因而水泥石的早期強度得到提高。與此同時，鈣礬石的形成與發展也必然對水泥石早期強度的發展産生有利的影響。

摻有外加劑的水泥水化是一個循序、深化和強化的過程。水泥中摻入了外加劑，由于水化反應迅速形成3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，它在C3A表面形成包覆層，并逐漸在C3A表面形成較厚的3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O晶體，并産生一定的晶體壓力，使得水泥在水化初期并未因水化加速而出現較早的初凝。随着水化的進行，在C-S-H凝膠體形成的同時大量的3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O晶體穿插在凝膠體内，并不斷發育彼此交叉搭接，使水泥漿體内形成一個初始骨架。随着水化的快速進行，C-S-H凝膠和其他水化産物逐漸填充孔隙，這些微細纖維狀膠體相互交織成網絡結構，起了不斷加固初始骨架的作用，使水泥石的早期強度明顯提高。

從水泥石強度産生的角度出發來看，水泥漿體中首先存在着多種原子間力，它們在各處都會比範德華力強得多的力，包括了離子－共價鍵、離子－偶極子吸引(在Ca2 和水分子之間)，還有存在于Ca(OH)2晶體多層之間的倫敦力。其次是存在于C-S-H的多層或其它相接觸的相之間的纖維間的交織形成的粘附力，而這種吸引力更為重要。外加劑的加入，由于增加了較多的晶體，提高了水泥水化産物之間的原子間力，同時加快了反應速度，使矽酸鹽水化更為徹底，形成較多的C-S-H凝膠，使晶體與晶體、顆粒與膠體之間的粘結力大為增加，水泥穩定碎石的早期強度得到了較好的發展。

4.水泥石－集料界面強度的提高

大量的研究表明，水泥漿體與粗集料的粘結界面是水泥穩定碎石的最薄弱區域。對普通水泥穩定碎石而言，随水泥水化的不斷進行，水泥漿體硬化及以後的幹燥過程，水泥漿體将産生較大收縮，并在内部形成許多比較明顯的收縮裂縫，而占水泥穩定碎石90%以上的集料可認為是不收縮的，在水泥漿體收縮過程中起約束作用，從而在水泥穩定碎石内部形成拉應力，而這種拉應力往往在水泥漿體與集料界面處造成應力集中。T.C.Hsu曾認為，水泥漿體如果産生0.3%的體積變化，則可在集料與水泥漿體之間界面處産生13MPa的拉應力，而事實上，水泥漿體的體積變化往往超過0.3%。這些收縮裂縫的存在，不僅對水泥穩定碎石的強度有較大的影響，而且也顯著地影響着水泥穩定碎石的其他性能。并且，硬化時間越短，強度發展越快，裂縫形成越早，對水泥穩定碎石的後期強度損害越大。但對摻有超早強水泥穩定碎石而言，外加劑能夠加速水泥的水化反應并充分發揮水泥礦物成分的潛能，并使水泥穩定碎石在很短的時間内就可達到較高強度。從理論方面來講，超早強水泥穩定碎石同樣也會在早期産生較多的收縮裂縫，從而進一步影響水泥穩定碎石的強度。但在超早強水泥穩定碎石中，由于摻入的外加劑中含有适量的阻裂及膨脹組分，能夠消除或減少部分水泥石收縮所産生的内應力，并進一步減少了水泥石－集料界面處的缺陷。

5.結論

外加劑的細度比水泥顆粒更細，其比表面積可達4500cm2/g以上，并且在外加劑中，含有超塑化劑成分，當水泥穩定碎石中摻入外加劑後，可明顯地改善水泥穩定碎石中界面過渡區的狀況，使水膜層厚度減小，結構緻密，Ca(OH)2趨向度減小。同時由于在水泥穩定碎石摻入外加劑，一方面使水泥的水化加快，毛刺狀和針狀的水泥水化産物C-S-H凝膠和AFt輻射長入水泥穩定碎石的毛細孔和集料的表面孔隙中，這種輻射作用形成比較強大的機械咬合作用力，使得水泥穩定碎石的強度發展較快。另一方面，外加劑中的物質，使水泥穩定碎石中早期的晶體成分增多，并無序分布在水泥穩定碎石中，也相應提高了水泥穩定碎石的早期強度。

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