耐磨低收縮抗裂路面水泥在福州瑯岐國道228 線的應用

■謝昌鍇

（福州市公路事業發展直屬中心，福州 350002）

水泥混凝土路面因水泥與集料質量、施工工藝、養護不及時、重載交通等原因，造成路面裂縫、板角斷裂、邊角剝落、麻面露骨等早期病害，嚴重影響公路行車舒適性和安全而提前退役。路面水泥混凝土作為道面鋪裝，對耐磨、抗裂性要求高；水泥原材料作為混凝土中的膠凝材料是影響混凝土早期收縮開裂、壽命過短、耐磨性差等重要因素，而目前市面上使用的水泥性能往往不能滿足日益繁忙的重載交通道路要求。以福州瑯岐國道228 路面加鋪工程試驗段使用福建省交通強國科研項目研配的耐磨低收縮抗裂水泥為例，通過試驗數據與工程實例，檢驗該水泥的實際工程耐磨效果和抗收縮開裂性能。

1 水泥組分對路面混凝土耐磨與收縮性能的影響

路面混凝土不僅應滿足其強度，還需具有良好的耐磨和抗裂性能。根據相關研究[1]表明，混凝土耐磨性與其抗壓強度有較好的相關性，耐磨性隨抗壓強度的提高而提高。混凝土早期收縮與水化放熱特性有較大關系，主要表現為：水化速率快，放熱量大，早期收縮大，容易造成開裂。影響路面混凝土耐磨與收縮性能的因素有很多，如混凝土原材料（水泥、集料、礦物摻合料、外加劑等）、配合比、施工工藝、養護手段、自然環境與交通量等。本文著重分析水泥組分這一重要因素對路面混凝土的耐磨和收縮性能的影響。

水泥組分對混凝土的水化放熱、早期收縮和路用性能影響較大，水泥中有4 種主要成分：硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）。（1）C2S：水化反應速度慢，能有效防止裂縫產生，促進裂縫的愈合，一般對含量要求較高，但過高會造成混凝土28 d 強度較低，產生泌水的可能性增大。當C2S 含量大于25%時，混凝土的自愈合能力明顯增大，耐久性變好。（2）C3S：水化反應快，放熱量大，是影響混凝土早期與后期強度的重要因素。提高C3S 含量，可提高混凝土早期強度，縮短拆模時間，加快工期，也有利于配制高標號混凝土；但過高含量會加大水泥水化放熱量，強度和溫度上升過快，混凝土容易產生收縮裂紋[2-3]，其也是路面開裂斷板的主要原因之一。（3）C3A：在水泥成分中水化放熱速度最快，早期強度較高 （3 d 內能充分發揮），但絕對值較小，后期強度幾乎不增長。含量高時，水化放熱迅速，造成混凝土失水過快，容易產生收縮裂縫；含量低時，混凝土初凝和終凝時間延長，容易產生泌水[3]。《道路硅酸鹽水泥》（GB/T 13693-2005）規定水泥中C3A 含量不應大于5%。（4）C4AF：水化速度較快，但水化熱低，干縮變形小，因其在水泥中含量較低，對混凝土初凝和終凝時間影響較小[3]；且其具有耐磨與抗沖擊性強的特點，因此常用于有較高的耐磨與抗折強度需求的重載交通道路與飛機跑道等。

一般情況下，為使混凝土早期強度高，要提高水泥成分中的C3S 含量，不降低C3A 含量；提高C4AF 含量和降低C3A 含量能有效提高水泥的耐磨性能，降低C3A 含量和C3S 含量能降低混凝土早期收縮，避免早期微裂紋產生。但會存在一個問題，即水泥早期強度會隨著C4AF 含量的提高，C3A 含量和C3S 含量的降低而下降。由此可知，混凝土早期強度和耐磨、收縮性能間存在對立關系，要使兩者都發揮良好效應，可考慮以下2 方面：一是找到使早期強度不顯著下降，而耐磨收縮性能也能大幅提升的4 種礦物成分合適的含量；二是摻加混合料，使耐磨收縮性能提升時也能保證早期強度不下降。

2 耐磨低收縮抗裂路面水泥混凝土研制

根據水泥組分的不同，選用華潤水泥公司生產的4 種水泥，按照同樣的配合比制作混凝土，進行混凝土強度、耐磨、早期收縮試驗研究，以期找到適合組分的路面專用水泥，滿足路面混凝土耐磨、低收縮、抗裂要求。4 種水泥分別為：PR7.5 （路面水泥）、PN42.5（核電低水化熱水泥）、PO42.5R（普通硅酸鹽水泥）和PII42.5R（硅酸鹽水泥）。水泥編號分別為C1、C2、C3 和C4，其水泥熟料組分含量如表1所示，再按表2 的配合比制作路面混凝土試件。由表1 可知，C1 水泥C4AF 含量最高，C3A 含量最低；C2 水泥和C1 水泥C3S 和C2S 含量相差不大，C4AF含量降低和C3A 含量增大。C3 水泥和C4 水泥各組分相差不大。

表1 4 種水泥熟料組分含量

表2 路面混凝土配合比參數

2.1 混凝土耐磨與強度試驗

采用上述4 種水泥按表2 混凝土配合比參數分別制作混凝土試件，共4 個工況，水泥C1～C4 分別對應工況G1～G4，對每個工況開展抗壓強度、抗折強度和磨耗試驗（在鋼輪式耐磨機采用140 N 荷載進行200 s 的磨耗實驗）。試驗結果如表3、圖1～3所示。從表3、圖3 可知，C1 水泥（路面水泥）混凝土磨損體積最小，其C4AF 和C3A 含量分別為16.66%和2.69%，分別為4 種水泥中最高和最低；工況G1～G4 中，C1 分別比C2、C3、C4 磨損體積下降13.4%、30.4%、24.7%，C1 水泥的磨損體積比普通硅酸鹽水泥降低30%左右，說明C4AF 含量和C3A 含量對水泥路面混凝土的磨損體積影響較大。C4（硅酸鹽水泥）中的C3S 和C3A 含量在4 種水泥中最高，其混凝土抗折強度最大（5.83 MPa）約為C1 的107%、C2 的110% ；C4 混凝土抗壓強度也是最大（54.7 MPa），是C1 的101%、C3 的110%。說明水泥組分的C3S 和C3A 含量會明顯影響混凝土的強度。從上述圖表可知，4 種水泥混凝土抗壓強度從高到低為：C4＞C1＞C3＞C2；抗折強度從高到低為：C4＞C1＞C2＞C3；磨損體積從低到高為：C1＞C2＞C4＞C3，說明C1 水泥（路面水泥）混凝土耐磨性能最好，強度也較高。

圖1 4 種水泥混凝土抗壓強度試驗值

圖2 4 種水泥混凝土抗折強度試驗值

圖3 4 種水泥混凝土磨耗試驗值

表3 4 種水泥混凝土的強度與磨耗試驗結果

2.2 混凝土早期收縮性能試驗

初凝開始的早期收縮是造成混凝土早期開裂的重要原因。混凝土早期收縮主要由膠凝材料的收縮引起，而粗骨料本身一般不會收縮，但會抑制膠凝材料收縮的開展[4]。按上述4 種類型水泥以及表2的配合比進行混凝土早期收縮性能試驗。試驗工況分別為A1、A2、A3 和A4，不同組分水泥3 d 的收縮率試驗結果如表4 和圖4 所示。從表4 與圖4 可知，具有低C3A 含量的C2 水泥的各齡期混凝土早期收縮率均為最低，C1 水泥次之；具有高C3A 和C3S 含量的C4 水泥，其混凝土收縮增長最快，收縮率最高，說明不同水泥組分對混凝土早期收縮影響較大。C2 水泥12 h 早期收縮率為105×10-6，是C4 水泥的55.6%，72 h 收縮率是C4 水泥的63.7%；C4 水泥12 h 完成了72 h 收縮的71.3%，收縮率快。C1 與C2 相比，兩者的C3S 含量與C2S含量相差不大，C1 水泥雖然C3A 含量更低，但水泥4 種組分中，以C3A 干縮性最大，是其他3 種礦物成分的幾倍，C3S 含量因在4 種熟料組分中占比很大，故對收縮的影響相對較大。C1、C2、C4 3 種水泥的C3S 和C3A 含量分別為：49.19%和2.69%、49.39%和4.25%、55.67%和7.52%，C1 和C2 水泥混凝土早期收縮率遠低于C4 水泥的收縮率。因此，選擇具有低C3A 和C3S 含量的水泥可以有效降低混凝土的早期收縮。

圖4 4 種水泥混凝土早期收縮率對比圖

2.3 耐磨低收縮抗裂路面水泥組分建議

根據上述試驗研究，路面水泥組分設計時應適當控制C3A 含量，當其含量在4.25%左右時，便可較大幅度降低水化熱和混凝土早期收縮；當C4AF 含量提升到16.66%左右時，路面混凝土的磨損體積減少，耐磨性能較高；為避免早期強度下降比較明顯，C3S 含量應盡量保持在50%以上；C2S 含量控制在18%～28%范圍為宜，并可添加2%的鋼渣作為混合材，有助于提高混凝土耐磨能力。

3 耐磨低收縮抗裂水泥工程驗證

3.1 工程概況

福州瑯岐國道228 路面加鋪工程路線全長2.73 km，設計速度40 km/h，路面寬度9 m。舊路為水泥混凝土路面，該路段交通量大、重載交通多，在長期重載交通通行下路面出現沉陷、斷板、開裂等病害，故進行路面加鋪改造。設計方案為：（1）破損嚴重路段：挖除舊路面后采用26 cm 鋼筋混凝土面層+1 cm 乳化瀝青碎石層+18 cm 5%水穩層+15 cm填隙碎石+換填50 cm 石渣；（2）較完好路段：采用26 cm 鋼筋混凝土面層+1 cm 乳化瀝青碎石層+15 cm 5%水穩層+hcm5%水泥穩定碎石調整層（核對）+舊路面較完好路段利用。

3.2 試驗段混凝土配合比及原材料

選取200 m 作為工程試驗段，采用前述研究的華潤路面耐磨低收縮抗裂水泥（其他段采用煉石牌P.042.5 普通硅酸鹽水泥），碎石粒徑選用4.75～9.5 mm、9.5～19 mm、19～31.5 mm 摻配成連續集配，砂采用中粗機制砂，外加劑采用減水型抗折劑；設計抗折強度為5.0 MPa，根據室內配合比試驗，設計出混凝土施工配合比參數見表5。試驗段鋼筋混凝土路面分左右兩幅進行攤鋪：右幅攤鋪時間為2022 年5 月27—28 日，左幅攤鋪時間為2022 年7 月13—14 日。

表5 試驗段路面混凝土施工配合比

3.3 試驗段路面施工要點

（1）粗集料公稱最大粒徑不應超過26.5 mm，路面用砂為機制砂，應堅硬、潔凈，無雜質，含泥量＜2%，細度模數不宜小于2.5。（2）混凝土拌和站設置在工地附近，運輸采用翻斗車。混凝土卸料后，分2層鋪筑混凝土，先人工攤鋪1 層，用插入式振搗棒振搗后，安裝定位路面鋼筋網；再攤鋪第2 層混凝土，插入式振搗后，再人工補料并配合三輥軸攤鋪機鋪筑混凝土，整平提漿；最后用旋轉抹面機密實精平飾面兩遍。（3）機制砂中含有石粉，一定程度上會減弱減水劑效果，導致坍落度小；增加減水劑含量可改善活易性，但過多減水劑會導致施工抹面后出現小氣泡、鼓包；調整減水劑內成分摻量（不加引氣和緩凝成分）可改善小氣泡、鼓包情況。（4）路面混凝土屬于干硬性混凝土，坍落度小，采用普通的三滾軸施工比較困難，容易出現提漿困難、振搗不密實情況；再加上攤鋪混凝土過程中需安裝鋼筋網，導致攤鋪施工較費勁，攤鋪拌和時間較慢；可以添加垂直振動設備，例如震動平板來改善施工難度。（5）因施工時間在炎熱的夏天，需安排專人負責混凝土養護，確保養護期間混凝土處于潮濕狀態。及時用切縫機切割水泥混凝土路面縮縫，防止路面出現裂縫，深度為5 cm，清除縫內雜質；路面表面構造采用刻槽機刻紋，深度為1.1 mm，刻槽間距為2.5 cm，段落間距為6 cm。

3.4 試驗段實施效果

瑯岐G228 線試驗段路面施工效果如圖5 所示，可知（1）試驗段路面水泥水化速度慢，放熱量低，初凝后路表溫度較低，終凝后路面呈青灰色。工程完工后路面未發現收縮裂紋，說明該水泥早期效果較好；（2）路面外觀：施工結束后近1 年，路面未出現裂紋，現場色澤均勻、美觀，平整度符合要求；與其他路段相比，試驗段路面混凝土表面未見磨損，耐磨性能更好；（3）抗折強度：根據28 d 室內小梁抗折強度試驗以及試驗段路面芯樣劈裂試驗換算抗折強度，如表6 所示，其值均遠高于設計抗折強度5.0 MPa，說明該路面混凝土強度滿足要求。

圖5 瑯岐G228 線試驗段路面施工效果圖

表6 試驗段路面抗折強度測定值（單位：MPa）

4 結語

（1）通過4 種水泥室內試驗結果對比可知，C1水泥（路面水泥）混凝土耐磨性能最好，C4 水泥（硅酸鹽水泥）混凝土強度最高，C1 水泥混凝土次之；混凝土早期收縮率C2 水泥（核電低水化熱水泥）最低，C1 水泥混凝土次之；說明C1 路面水泥混凝土耐磨性能最佳，強度也較高。

（2）從福州瑯岐國道228 線路面加鋪工程試驗段使用效果來看，工程通車近1 年未見裂縫與明顯磨損，外觀美觀平整，說明耐磨低收縮抗裂路面水泥的耐磨、抗裂性能優良，配合比設計科學合理，適用于重載交通道路。