2.3　道面工程用水泥

道路、路面和機場跑道等道面工程按其在荷載作用下的力學特性，可分為剛性路面和柔性路面。剛性路面（水泥混凝土路面）是指以水泥混凝土為主要材料做面層的路面，俗稱白色路面，是一種剛度較大、擴散荷載應力能力強、穩定性好和使用壽命長的高級路面。混凝土路面堅固耐用，能適應現代高速、重載而繁密的汽車運輸的要求，養護維修費用也少，廣泛應用于公路與城市道路路面、機場跑道工程、隧道工程以及停車場等。

道面工程用水泥是指專用于道路、路面和機場跑道等工程的特種水泥。水泥混凝土路面要求能長期經受高速車輛動荷載的沖擊、摩擦和反復彎折等作用，還要能抵抗溫度變化產生的脹縮、凍融的影響，道路混凝土需具有一些與普通混凝土不同的特有性能，如具有較高的抗彎拉強度、良好的耐磨性能和盡可能小的收縮抗裂性能等。路面基層起穩定路面的作用，是在路基（或墊層）表面上用單一材料按照一定的技術措施分層鋪筑而成的層狀結構，其材料與質量的好壞直接影響工程質量和使用壽命。道路混凝土的性能和使用壽命皆受到水泥質量的制約，因此，提高混凝土道路工程專用水泥的性能，是優化道路混凝土路用性能的重要途徑。我國20世紀80年代成功研發道路面層專用水泥，并制定了首個國家標準GB 13693—1992《道路硅酸鹽水泥》，之后又研究并制定了首個路面基層專用水泥國家標準《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》（2016年12月完成審議）。隨著我國公路交通及機場建設的發展，對混凝土道面工程專用水泥的需求量越來越大。

2.3.1　道路面層專用水泥

2.3.1.1　國內外標準簡介

國外自20世紀50年代初就開始了道路專用水泥的研究，但大多并未提出相應標準。如日本僅在《高速公路設計要領》中對路用水泥提出了礦物組成、凝結時間及抗折強度要求；在歐洲，法國、捷克、瑞典、德國等也僅是分別在道路混凝土標準中對路用水泥提出礦物組成、水泥組分等要求。在國外，對道路水泥單列標準的國家是羅馬尼亞，在其2008年發布的標準（SR 10092—2008《Road cement》）中僅規定了一個強度等級42.5R，要求熟料C3S≥50%、C3A≤6.0%。

我國相關標準分別為：《道路硅酸鹽水泥》（GB 13693—2005），交通運輸部《公路水泥混凝土路面設計規范》（JTG D40—2011）、《公路水泥混凝土路面施工技術細則》（JTG/T F30—2014）和中國民用航空局《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》（MH 5006—2015）。在相應行業標準中明確規定：在特重、重交通水泥混凝土路面中應采用道路硅酸鹽水泥；民用機場水泥混凝土面層水泥應選用道路硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

國內外相關標準、行業規范中道路水泥的主要技術指標對比見表2-16。我國的國家標準、行業規范中均對路用性能（28天干縮率和耐磨性）提出了要求。

2.3.1.2　主要技術特性

道路硅酸鹽水泥具有早期強度高、各齡期抗折強度高、干縮小、耐磨性好等性能特性。

（1）熟料礦物組成對主要路用性能的影響

道路硅酸鹽水泥的耐磨性和干縮性，與其化學成分和熟料礦物組成有密切關系。四大主要熟料礦物的耐磨性排序為C4AF＞C3S＞C2S＞C3A，而干縮率排序為C3A＞C3S＞C4AF＞C2S。C4AF除了耐磨性好、干縮較小，脆性也較低，因此，C4AF含量高的水泥，抗折/抗壓強度比高、抗折彈性模量也低，這對提高路面混凝土的耐磨性、抗沖擊韌性及抗裂性非常有利。C3A是快凝早強礦物，但是干縮大、耐磨性差、抗硫酸鹽侵蝕能力較弱。因此，道路硅酸鹽水泥熟料礦物組成設計中，需要適當提高C4AF含量和減少C3A含量，并控制合適的C3S含量，以保證水泥早期強度、提高其耐磨性及抗沖擊能力并減少干縮。通常道路硅酸鹽水泥熟料中的C3A控制在1%～4%，C4AF控制在16%～20%。熟料礦物組成對主要路用性能的影響見圖2-18。

表2-17是不同C4AF和C3A含量道路水泥的主要路用性能，可以看出，C4AF含量越高，水泥28天磨損量越小；C3A含量越低，水泥的28天干縮率越小。

（2）混合材料對道路硅酸鹽水泥性能的影響

道路硅酸鹽水泥中允許摻加活性混合材料，可調節混凝土工作性，同時通過控制混合材種類和摻量，還可提高其路用性能。表2-18是不同種類和摻量的混合材料對道路硅酸鹽水泥主要性能的影響。

由于礦渣、鋼渣、粉煤灰的水化反應活性不同且具有不同的結構，礦渣、鋼渣、粉煤灰的摻量對道路硅酸鹽水泥性能的影響也不同。摻量在5%～15%時，礦渣和鋼渣的摻量對道路硅酸鹽水泥的28d抗折強度影響較小，而粉煤灰的摻量對道路硅酸鹽水泥的28d抗折強度影響較大。三種混合材料摻量在5%～15%時，對道路硅酸鹽水泥的28d干縮率影響不大。三種混合材料在5%～10%摻量內，均能減少道路硅酸鹽水泥的28d磨損量，提高道路硅酸鹽水泥的耐磨性能。因此實際生產中，在滿足主要路用性能的前提下，道路硅酸鹽水泥中的活性混合材料摻量在5%～10%為宜。

2.3.1.3　生產與應用

（1）道路硅酸鹽水泥的生產

道路硅酸鹽水泥要求熟料中C3A≤5.0%，C4AF≥16.0%，f-CaO≤1.0%，生產上宜采用高鐵、高KH、低鋁氧率配料方案，要求原材料成分能滿足上述礦物組成設計要求且波動越小越好；一般要選用Al2O3含量較低的黏土質原料和Fe2O3品位較高的鐵質原料；燃煤最好選用煙煤，其熱值宜在23000kJ/kg以上，灰分不宜超過30%。

道路硅酸鹽水泥熟料煅燒，其主要特點是鐵相含量高，在較低的燒成溫度下產生的液相量多，燒成溫度也會有所降低。但鐵相增加，熟料燒成溫度范圍窄，給煅燒操作帶來很多困難，如易結圈、結塊等。因此窯上一般采用“中長火焰、薄料快燒”的操作方法，在控制窯速和喂料量的前提下，做到風、煤、料的平衡，穩定熱工制度，控制出窯熟料結粒均齊致密，保持立升重的穩定。道路硅酸鹽水泥熟料的立升重一般比普通熟料高50～100g/L。

道路硅酸鹽水泥粉磨時可摻加10%以內、滿足相應標準要求的活性混合材料，混合材料種類只能是F類粉煤灰、粒化高爐礦渣、粒化電爐磷渣和鋼渣。水泥粉磨方式可共同粉磨，也可分別粉磨。

（2）道路硅酸鹽水泥的應用

道路硅酸鹽水泥配制路面混凝土，應用性能及使用效果具有以下優點：

① 拌和物和易性好，不離析、不泌水，凝結時間合理，施工方便；

② 混凝土早期強度高，后期強度增長迅速，可縮短拆模時間，加快施工速度；

③ 混凝土彎拉強度高、彈性模量低，滿足高等級公路、機場混凝土路面要求；

④ 混凝土收縮性低，降低路面出現收縮裂縫的可能性，耐磨性明顯優于普通水泥混凝土路面；

⑤ 性價比優良，與通用水泥相比，配制相同彎拉強度的混凝土，使用道路硅酸鹽水泥時水泥用量可減少20～40kg/m3，經濟效益明顯。

道路硅酸鹽水泥自20世紀80年代研發成功以來，廣泛應用于國道、高速公路等多個公路與城市道路路面和機場跑道工程。其中，內蒙古準興重載高速公路是國內第一條重載高速公路，路線全長 265km，路基寬度 27.75m，路面采用道路水泥混凝土高級路面，雙向五車道，專為運煤及重載車輛設計。重載方向混凝土路面厚 32cm，表2-19為面層混凝土配合比及強度。

準興重載高速公路已經于2013年11月通車，日均重載車流量近6000輛，經受了嚴寒和暴雨考驗，砼路面斷板率小于 0.1% ，脫皮、印痕、裂紋和缺邊掉角等病害小于受檢面積 0.1%（通車半年時統計）。

2.3.2　基層專用硅酸鹽水泥

路面基層的主要作用是防止或減輕泛漿、板底脫空和錯臺等病害，可減少路基不均勻凍脹或體積變形對混凝土面層產生的不利影響，為混凝土面層施工提供穩定而堅實的工作面，并改善接縫的傳荷能力。水泥穩定基層，具有強度適宜、水穩性好、抗凍性好等優點，廣泛應用于剛性路面（水泥混凝土路面）和柔性路面（瀝青路面）的基層。然而通用硅酸鹽水泥制備的水泥穩定基層干縮大，在溫度和濕度交替變化時容易產生裂縫，從而引發路面的開裂破壞；另外，水泥穩定基層施工，還要求具有較長的延遲碾壓時間。因此為減少裂縫，滿足基層施工要求，我國研發了水泥穩定基層專用水泥，即道路基層用緩凝硅酸鹽水泥。

2.3.2.1　國內外標準簡介

歐洲針對用于處理基層、底基層和覆蓋層以及公路、鐵路、機場和其他類型基礎設施巖土工程的水硬性道路膠結料，制定了標準EN 13282-1《水硬性道路膠結料》，并將其分成兩大類：快硬水硬性道路膠結料和普通水硬性道路膠結料。快硬、普通水硬性道路膠結料技術要求分別見表2-20、表2-21。

我國民用航空總局頒布的《民用機場飛行區土（石）方與道面基礎施工技術規范》（MH 5014—2002）和交通運輸部頒布的《路面基層施工技術規范》（JTJ 034—2000）中均規定了水泥穩定基層用水泥的要求：普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥和火山灰質硅酸鹽水泥都可用，但應選用初凝時間3h以上和終凝時間較長（宜在6h以上）的水泥。

為了規范路面基層穩定用水泥的技術要求，交通運輸部制定了行業標準JT/T 994—2015《公路工程路面基層穩定用水泥》，強度等級為27.5級和32.5級，規定的技術要求見表2-22。

《道路基層用緩凝硅酸鹽水泥》已于2016年12月完成并審議通過，本次制定的主要內容為：強度等級分為22.5級和32.5級，SO3≤7.0%，7d線性膨脹率不小于0.1%；28d線性膨脹率不大于0.5%。

2.3.2.2　道路基層用緩凝硅酸鹽水泥主要技術特性

（1）凝結時間

水泥穩定基層施工時有很大的時效性，一般需碾壓6～8遍，要求從加水拌和到碾壓成型之間的延遲時間，宜控制在3～4h，最好在水泥初凝時間內完成，如果必須延長延遲時間時，應在水泥終凝前完成碾壓，以確保壓實度達到規范的要求，防止水分散失或由于終凝而導致結構層的板體破壞。因此，道路基層用緩凝硅酸鹽水泥的凝結時間應與水泥穩定基層施工所需延遲時間相匹配。表2-23為道路基層用緩凝硅酸鹽水泥（P·RS）和P.C32.5水泥的物理力學性能。

與P·C32.5水泥相比，道路基層用緩凝硅酸鹽水泥的初凝和終凝時間均延長較多，達到JTJ 034—2000《路面基層施工技術規范》的要求。由于凝結時間較長，道路基層用緩凝硅酸鹽水泥3d強度比較低，但28d強度已接近P·C32.5水泥。

（2）微膨脹性能

水泥穩定基層要求收縮系數小，因此道路基層用緩凝硅酸鹽水泥在水養護條件下具有一定的微膨脹性能以補償基層干縮引起的開裂，同時在干燥養護條件下（相對濕度50%±4%）應具備較低的收縮性能。圖2-19是道路基層用緩凝硅酸鹽水泥與P·C32.5水泥脹縮性能的對比。

道路基層用緩凝硅酸鹽水泥在保濕養護條件下，使用緩凝硅酸鹽水泥道路的基層，3d膨脹率為0.07%，7d膨脹率為0.11%，28d膨脹率在0.4%左右，較P·C32.5水泥要大，屬于一種微膨脹水泥。道路基層用緩凝硅酸鹽水泥的微膨脹對后期干縮有很好的補償作用，與P·C32.5水泥相比，后期的干燥收縮比較穩定，28d干縮率僅為通用硅酸鹽水泥的50%，干縮率大幅度降低，有利于提高路面基層的抗裂性。

2.3.2.3　生產及應用

① 道路基層用緩凝硅酸鹽水泥由硅酸鹽水泥熟料料、混合材料、適量石膏和（或）其他緩凝材料磨細制成，生產中要注意以下幾方面：

a．混合材料的選擇　分為活性混合材料和非活性混合材料兩大類；活性混合材料包括活性符合相應標準規定的粒化高爐礦渣、粉煤灰、火山灰質混合材料、粒化電爐磷渣以及鋼渣粉。非活性混合材料包括活性低于相應標準規定的粒化高爐礦渣、粉煤灰、火山灰質混合材料、粒化電爐磷渣、鋼渣粉、石灰石和砂巖，石灰石中Al2O3含量不超過2.5%。混合材料的摻量宜大于40%。

b．緩凝材料的選擇　可使用無機材料，如天然石膏、工業副產石膏和磷石膏等，也可使用有機材料（需符合GB 8076《混凝土外加劑》的規定），摻量應不大于1.0%，且對水泥性能無害。

c．微膨脹關鍵組分的選擇　使用能產生適度微膨脹的材料，但不能產生持續膨脹導致材料結構破壞。

② 配制的水泥穩定基層性能　表2-24為分別用道路基層用緩凝硅酸鹽水泥和P·C32.5水泥配制水泥穩定基層的無側限抗壓強度、劈裂強度以及回彈模量。

在水泥穩定粒料基層使用相同水泥劑量的情況下，道路基層用緩凝硅酸鹽水泥穩定基層的7d無側限抗壓強度和28d劈裂強度要高于通用水泥穩定基層，28d回彈模量與通用水泥穩定基層基本相當，這主要是由于道路基層用緩凝硅酸鹽水泥水化產物中含有大量具有膠結特性的物質，在材料內部相互搭接，對防止早期抗裂十分有益。

道路基層用緩凝硅酸鹽水泥現有多家水泥企業生產，可廣泛應用于剛性路面（水泥混凝土路面）和柔性路面（瀝青路面）的基層處理。采用道路基層用緩凝硅酸鹽水泥后，基層延遲碾壓成型時間大大延長，且裂縫發生率降低80%以上。