矿粉在水泥中的作用,为改善水泥性能

摘要：在沥青混合料中掺加水泥，分析用水泥替代部分或全部矿粉对沥青混合料性能产生的影响，试验结果表明：掺加水泥使沥青混合料的水稳定性和高温稳定性都有了明显提高，而对沥青混合料的抗裂性尤其是低温抗裂性影响不大。 水损害会使沥青路面出现大面积松散、剥落和坑洞等破坏，其根本原因是沥青与集料的粘附性不良，从而使沥青从集料表面发生剥落而引发的。 当前使用水泥替代部分或全部矿粉是减小水损害、提高沥青与集料粘附性的主要方法之一，也是国际公认的最有效方法。

我国在上世纪80年代末的一些援外工程中曾经用水泥替代部分矿粉来提高沥青混合料的水稳定性，并取得了良好的效果。 本文通过沥青混合料室内试验对水泥代替矿粉的技术性能进行初步评价。 一、试验材料与试验方法 1、试验材料 水泥：32.5R普通硅酸盐水泥；粗集料：砂岩，毛体积相对密度为2.682；细集料：石灰岩，毛体积相对密度为2．706；矿粉：石灰岩矿粉，表观相对密度为2.720；沥青：ESS070号沥青。 试验级配采用上海常用的表面抗滑级配LK一0M；油石比为4.7％”；水泥分别以0，2％，4％和6％的掺量替代矿粉(矿粉总掺量占沥青混合料总质量的6％)。 （2）高温稳定性试验 拌和沥青混合料，用水泥替代部分或全部矿粉，掺量与水稳定性试验时相同．通过车辙试验来评价不同掺量的水泥对沥青混合料高温稳定性的影响，车辙试验参照JTG E20--2011，T 0719—2011进行。 二、试验结果与分析 1、沥青混合料的水稳定性 试验结果表明，添加水泥能明显提高沥青混合料的水稳定性，并且其冻融劈裂强度比(TSR)随着水泥掺量的增加而显著提高，冻融循环前的劈裂强度则变化不大。 2、高温稳定性的影响 在相同石料、相同沥青和相同击实温度的情况下，如果没有水的存在，水泥对混合料高温稳定性不会有改善，反而会有所降低。 一般来说，添加水泥后会使混合料变硬，不易碾压，有些研究表明需要提高击实温度，但是击实温度的高低直接涉及沥青的性质，在没有明确证据说明水泥和沥青产生反应，提高沥青粘度的情况下，暂不应提高击实温度，这还有待于进一步研究。 当有水参与的情况下，掺加水泥后会明显改善沥青混合料的高温稳定性。

由此可见，用水泥替代矿粉后，对混合料高温性能的改善，关键在于是否有水的存在。 应该说，沥青混合料在自然条件下总会与大量的水接触，因此掺加水泥后对提高沥青混合料的高温稳定性有一定益处。

3、沥青混合料的抗裂性 “水泥掺量”对“弯拉破坏的劲度模量”无显著性影响；而“温度”对“弯拉破坏的劲度模量”影响显著。

因此使用水泥对沥青混合料的抗裂性能尤其是低温抗裂性能的影响并不明显。 又如加拿大研究人员经过8年的试验观测发现，在寒冷地区用水泥取代全部矿粉并不比全部使用矿粉的沥青路面有更多的裂缝。 通过试验与数据分析证明，使用水泥替代部分或全部矿粉对沥青混合料的抗裂性并无显著影响。 不同级配混合料的水泥掺量需要通过试验来确定，一般不能超过6％，而且水泥的标号与品种对此也有一定影响，有必要作进一步的研究。 研究内容主要包括掺超细矿粉的水泥及其矿物的水化产物的形成与种类，双掺聚合物和超细矿粉的水泥的水化产物的形成与种类，结合结晶化学阐述了超细矿粉对水泥浆体和骨料间界面的改善作用及对水泥石微结构的改进机理。 实验结果表明：(1)纳米SiO_2和硅粉均为无定形的SiO_2，且纳米SiO_2的火山灰活性远大于硅粉的火山灰活性。

矿粉改进

(2)硅粉本身在Ca(OH)_2结晶过程中有成核作用，纳米SiO_2本身对Ca(OH)_2没有成核作用。 (3)硅粉通过晶核效应和火山灰效应共同作用来细化Ca(OH)_2晶粒，降低界面Ca(OH)_2取向程度。 纳米SiO_2仅由火山灰效应作用来细化Ca(OH)_2晶粒，降低取向程度。 (4)纳米SiO_2填充在细小的空隙中，能比硅粉更快更有效地吸收水泥水化早期放出的Ca(OH)_2，细化Ca(OH)_2晶粒，改善水泥硬化浆体和骨料之间的界面，密实水泥石，从而提高硬化水泥浆体的力学性能。 (5)加入PVA、SAE延缓早期水泥水化，削弱了硅粉的成核作用和纳米SiO_2的火山灰效应。 (6)SAE和矿粉双掺水泥在水化28d后，界面Ca(OH)_2向方解石型碳酸钙转化。 石灰石粉缩短了凝结时间,矿粉延长了凝结时间,且石灰石粉缩短时间的效应强于矿粉延长时间的效应。 适量石灰石粉可降低早期吸水率,增加早期化学结合水含量和强度；后期规律相反。 矿粉可增加早期吸水率,降低早期化学结合水含量和强度；对于后期,矿粉的掺加降低了吸水率和化学结合水含量,但增加了强度。

水泥性能

石灰石粉和矿粉复掺时能够使两者对水泥基材料物理力学性能的影响产生叠加效应,使试样各个龄期均具有较好的物理力学性能。 其中,石灰石粉和矿粉各掺10%的试样的物理力学性能表现较为良好。 2.水泥-石灰石粉-矿粉复合胶凝体系自收缩性能研究 石灰石粉和矿粉可降低浆体0-1d自收缩变形,双掺时抑制0-1d自收缩变形的效果更明显。

硬化浆体1-180d自收缩随石灰石粉掺量增加呈现先增加后降低的趋势,10%石灰石粉掺量时达到值。 1-4d时,硬化浆体自收缩随矿粉掺量增加而降低；4-180d时自收缩随矿粉掺量增加而增加。 本文研究范围中,石灰石粉和矿粉复掺于1-180d自收缩不利。 以化学结合水含量所计算出的自干燥体积来表示自干燥效应,可知自干燥效应能够在一定程度上反映自收缩变形。 由于自干燥效应的复杂性,尚需进行深入研究。 3.水泥-石灰石粉-矿粉复合胶凝体系干缩性能研究 胶砂试件干缩随石灰石粉掺量增加呈现先增加后降低趋势,石灰石粉掺量10%时达到值,石灰石粉为15%的试件的干缩变形开始低于基准组。

胶砂试件干缩值随矿粉掺量增加而降低；且掺矿粉的试件的干缩值均低于基准组。