2.3　道面工程用水泥

道路、路面和机场跑道等道面工程按其在荷载作用下的力学特性，可分为刚性路面和柔性路面。刚性路面（水泥混凝土路面）是指以水泥混凝土为主要材料做面层的路面，俗称白色路面，是一种刚度较大、扩散荷载应力能力强、稳定性好和使用寿命长的高级路面。混凝土路面坚固耐用，能适应现代高速、重载而繁密的汽车运输的要求，养护维修费用也少，广泛应用于公路与城市道路路面、机场跑道工程、隧道工程以及停车场等。

道面工程用水泥是指专用于道路、路面和机场跑道等工程的特种水泥。水泥混凝土路面要求能长期经受高速车辆动荷载的冲击、摩擦和反复弯折等作用，还要能抵抗温度变化产生的胀缩、冻融的影响，道路混凝土需具有一些与普通混凝土不同的特有性能，如具有较高的抗弯拉强度、良好的耐磨性能和尽可能小的收缩抗裂性能等。路面基层起稳定路面的作用，是在路基（或垫层）表面上用单一材料按照一定的技术措施分层铺筑而成的层状结构，其材料与质量的好坏直接影响工程质量和使用寿命。道路混凝土的性能和使用寿命皆受到水泥质量的制约，因此，提高混凝土道路工程专用水泥的性能，是优化道路混凝土路用性能的重要途径。我国20世纪80年代成功研发道路面层专用水泥，并制定了首个国家标准GB 13693—1992《道路硅酸盐水泥》，之后又研究并制定了首个路面基层专用水泥国家标准《道路基层用缓凝硅酸盐水泥》（2016年12月完成审议）。随着我国公路交通及机场建设的发展，对混凝土道面工程专用水泥的需求量越来越大。

2.3.1　道路面层专用水泥

2.3.1.1　国内外标准简介

国外自20世纪50年代初就开始了道路专用水泥的研究，但大多并未提出相应标准。如日本仅在《高速公路设计要领》中对路用水泥提出了矿物组成、凝结时间及抗折强度要求；在欧洲，法国、捷克、瑞典、德国等也仅是分别在道路混凝土标准中对路用水泥提出矿物组成、水泥组分等要求。在国外，对道路水泥单列标准的国家是罗马尼亚，在其2008年发布的标准（SR 10092—2008《Road cement》）中仅规定了一个强度等级42.5R，要求熟料C3S≥50%、C3A≤6.0%。

我国相关标准分别为：《道路硅酸盐水泥》（GB 13693—2005），交通运输部《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2011）、《公路水泥混凝土路面施工技术细则》（JTG/T F30—2014）和中国民用航空局《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》（MH 5006—2015）。在相应行业标准中明确规定：在特重、重交通水泥混凝土路面中应采用道路硅酸盐水泥；民用机场水泥混凝土面层水泥应选用道路硅酸盐水泥、硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

国内外相关标准、行业规范中道路水泥的主要技术指标对比见表2-16。我国的国家标准、行业规范中均对路用性能（28天干缩率和耐磨性）提出了要求。

2.3.1.2　主要技术特性

道路硅酸盐水泥具有早期强度高、各龄期抗折强度高、干缩小、耐磨性好等性能特性。

（1）熟料矿物组成对主要路用性能的影响

道路硅酸盐水泥的耐磨性和干缩性，与其化学成分和熟料矿物组成有密切关系。四大主要熟料矿物的耐磨性排序为C4AF＞C3S＞C2S＞C3A，而干缩率排序为C3A＞C3S＞C4AF＞C2S。C4AF除了耐磨性好、干缩较小，脆性也较低，因此，C4AF含量高的水泥，抗折/抗压强度比高、抗折弹性模量也低，这对提高路面混凝土的耐磨性、抗冲击韧性及抗裂性非常有利。C3A是快凝早强矿物，但是干缩大、耐磨性差、抗硫酸盐侵蚀能力较弱。因此，道路硅酸盐水泥熟料矿物组成设计中，需要适当提高C4AF含量和减少C3A含量，并控制合适的C3S含量，以保证水泥早期强度、提高其耐磨性及抗冲击能力并减少干缩。通常道路硅酸盐水泥熟料中的C3A控制在1%～4%，C4AF控制在16%～20%。熟料矿物组成对主要路用性能的影响见图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天磨损量越小；C3A含量越低，水泥的28天干缩率越小。

（2）混合材料对道路硅酸盐水泥性能的影响

道路硅酸盐水泥中允许掺加活性混合材料，可调节混凝土工作性，同时通过控制混合材种类和掺量，还可提高其路用性能。表2-18是不同种类和掺量的混合材料对道路硅酸盐水泥主要性能的影响。

由于矿渣、钢渣、粉煤灰的水化反应活性不同且具有不同的结构，矿渣、钢渣、粉煤灰的掺量对道路硅酸盐水泥性能的影响也不同。掺量在5%～15%时，矿渣和钢渣的掺量对道路硅酸盐水泥的28d抗折强度影响较小，而粉煤灰的掺量对道路硅酸盐水泥的28d抗折强度影响较大。三种混合材料掺量在5%～15%时，对道路硅酸盐水泥的28d干缩率影响不大。三种混合材料在5%～10%掺量内，均能减少道路硅酸盐水泥的28d磨损量，提高道路硅酸盐水泥的耐磨性能。因此实际生产中，在满足主要路用性能的前提下，道路硅酸盐水泥中的活性混合材料掺量在5%～10%为宜。

2.3.1.3　生产与应用

（1）道路硅酸盐水泥的生产

道路硅酸盐水泥要求熟料中C3A≤5.0%，C4AF≥16.0%，f-CaO≤1.0%，生产上宜采用高铁、高KH、低铝氧率配料方案，要求原材料成分能满足上述矿物组成设计要求且波动越小越好；一般要选用Al2O3含量较低的黏土质原料和Fe2O3品位较高的铁质原料；燃煤最好选用烟煤，其热值宜在23000kJ/kg以上，灰分不宜超过30%。

道路硅酸盐水泥熟料煅烧，其主要特点是铁相含量高，在较低的烧成温度下产生的液相量多，烧成温度也会有所降低。但铁相增加，熟料烧成温度范围窄，给煅烧操作带来很多困难，如易结圈、结块等。因此窑上一般采用“中长火焰、薄料快烧”的操作方法，在控制窑速和喂料量的前提下，做到风、煤、料的平衡，稳定热工制度，控制出窑熟料结粒均齐致密，保持立升重的稳定。道路硅酸盐水泥熟料的立升重一般比普通熟料高50～100g/L。

道路硅酸盐水泥粉磨时可掺加10%以内、满足相应标准要求的活性混合材料，混合材料种类只能是F类粉煤灰、粒化高炉矿渣、粒化电炉磷渣和钢渣。水泥粉磨方式可共同粉磨，也可分别粉磨。

（2）道路硅酸盐水泥的应用

道路硅酸盐水泥配制路面混凝土，应用性能及使用效果具有以下优点：

① 拌和物和易性好，不离析、不泌水，凝结时间合理，施工方便；

② 混凝土早期强度高，后期强度增长迅速，可缩短拆模时间，加快施工速度；

③ 混凝土弯拉强度高、弹性模量低，满足高等级公路、机场混凝土路面要求；

④ 混凝土收缩性低，降低路面出现收缩裂缝的可能性，耐磨性明显优于普通水泥混凝土路面；

⑤ 性价比优良，与通用水泥相比，配制相同弯拉强度的混凝土，使用道路硅酸盐水泥时水泥用量可减少20～40kg/m3，经济效益明显。

道路硅酸盐水泥自20世纪80年代研发成功以来，广泛应用于国道、高速公路等多个公路与城市道路路面和机场跑道工程。其中，内蒙古准兴重载高速公路是国内第一条重载高速公路，路线全长 265km，路基宽度 27.75m，路面采用道路水泥混凝土高级路面，双向五车道，专为运煤及重载车辆设计。重载方向混凝土路面厚 32cm，表2-19为面层混凝土配合比及强度。

准兴重载高速公路已经于2013年11月通车，日均重载车流量近6000辆，经受了严寒和暴雨考验，砼路面断板率小于 0.1% ，脱皮、印痕、裂纹和缺边掉角等病害小于受检面积 0.1%（通车半年时统计）。

2.3.2　基层专用硅酸盐水泥

路面基层的主要作用是防止或减轻泛浆、板底脱空和错台等病害，可减少路基不均匀冻胀或体积变形对混凝土面层产生的不利影响，为混凝土面层施工提供稳定而坚实的工作面，并改善接缝的传荷能力。水泥稳定基层，具有强度适宜、水稳性好、抗冻性好等优点，广泛应用于刚性路面（水泥混凝土路面）和柔性路面（沥青路面）的基层。然而通用硅酸盐水泥制备的水泥稳定基层干缩大，在温度和湿度交替变化时容易产生裂缝，从而引发路面的开裂破坏；另外，水泥稳定基层施工，还要求具有较长的延迟碾压时间。因此为减少裂缝，满足基层施工要求，我国研发了水泥稳定基层专用水泥，即道路基层用缓凝硅酸盐水泥。

2.3.2.1　国内外标准简介

欧洲针对用于处理基层、底基层和覆盖层以及公路、铁路、机场和其他类型基础设施岩土工程的水硬性道路胶结料，制定了标准EN 13282-1《水硬性道路胶结料》，并将其分成两大类：快硬水硬性道路胶结料和普通水硬性道路胶结料。快硬、普通水硬性道路胶结料技术要求分别见表2-20、表2-21。

我国民用航空总局颁布的《民用机场飞行区土（石）方与道面基础施工技术规范》（MH 5014—2002）和交通运输部颁布的《路面基层施工技术规范》（JTJ 034—2000）中均规定了水泥稳定基层用水泥的要求：普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥都可用，但应选用初凝时间3h以上和终凝时间较长（宜在6h以上）的水泥。

为了规范路面基层稳定用水泥的技术要求，交通运输部制定了行业标准JT/T 994—2015《公路工程路面基层稳定用水泥》，强度等级为27.5级和32.5级，规定的技术要求见表2-22。

《道路基层用缓凝硅酸盐水泥》已于2016年12月完成并审议通过，本次制定的主要内容为：强度等级分为22.5级和32.5级，SO3≤7.0%，7d线性膨胀率不小于0.1%；28d线性膨胀率不大于0.5%。

2.3.2.2　道路基层用缓凝硅酸盐水泥主要技术特性

（1）凝结时间

水泥稳定基层施工时有很大的时效性，一般需碾压6～8遍，要求从加水拌和到碾压成型之间的延迟时间，宜控制在3～4h，最好在水泥初凝时间内完成，如果必须延长延迟时间时，应在水泥终凝前完成碾压，以确保压实度达到规范的要求，防止水分散失或由于终凝而导致结构层的板体破坏。因此，道路基层用缓凝硅酸盐水泥的凝结时间应与水泥稳定基层施工所需延迟时间相匹配。表2-23为道路基层用缓凝硅酸盐水泥（P·RS）和P.C32.5水泥的物理力学性能。

与P·C32.5水泥相比，道路基层用缓凝硅酸盐水泥的初凝和终凝时间均延长较多，达到JTJ 034—2000《路面基层施工技术规范》的要求。由于凝结时间较长，道路基层用缓凝硅酸盐水泥3d强度比较低，但28d强度已接近P·C32.5水泥。

（2）微膨胀性能

水泥稳定基层要求收缩系数小，因此道路基层用缓凝硅酸盐水泥在水养护条件下具有一定的微膨胀性能以补偿基层干缩引起的开裂，同时在干燥养护条件下（相对湿度50%±4%）应具备较低的收缩性能。图2-19是道路基层用缓凝硅酸盐水泥与P·C32.5水泥胀缩性能的对比。

道路基层用缓凝硅酸盐水泥在保湿养护条件下，使用缓凝硅酸盐水泥道路的基层，3d膨胀率为0.07%，7d膨胀率为0.11%，28d膨胀率在0.4%左右，较P·C32.5水泥要大，属于一种微膨胀水泥。道路基层用缓凝硅酸盐水泥的微膨胀对后期干缩有很好的补偿作用，与P·C32.5水泥相比，后期的干燥收缩比较稳定，28d干缩率仅为通用硅酸盐水泥的50%，干缩率大幅度降低，有利于提高路面基层的抗裂性。

2.3.2.3　生产及应用

① 道路基层用缓凝硅酸盐水泥由硅酸盐水泥熟料料、混合材料、适量石膏和（或）其他缓凝材料磨细制成，生产中要注意以下几方面：

a．混合材料的选择　分为活性混合材料和非活性混合材料两大类；活性混合材料包括活性符合相应标准规定的粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料、粒化电炉磷渣以及钢渣粉。非活性混合材料包括活性低于相应标准规定的粒化高炉矿渣、粉煤灰、火山灰质混合材料、粒化电炉磷渣、钢渣粉、石灰石和砂岩，石灰石中Al2O3含量不超过2.5%。混合材料的掺量宜大于40%。

b．缓凝材料的选择　可使用无机材料，如天然石膏、工业副产石膏和磷石膏等，也可使用有机材料（需符合GB 8076《混凝土外加剂》的规定），掺量应不大于1.0%，且对水泥性能无害。

c．微膨胀关键组分的选择　使用能产生适度微膨胀的材料，但不能产生持续膨胀导致材料结构破坏。

② 配制的水泥稳定基层性能　表2-24为分别用道路基层用缓凝硅酸盐水泥和P·C32.5水泥配制水泥稳定基层的无侧限抗压强度、劈裂强度以及回弹模量。

在水泥稳定粒料基层使用相同水泥剂量的情况下，道路基层用缓凝硅酸盐水泥稳定基层的7d无侧限抗压强度和28d劈裂强度要高于通用水泥稳定基层，28d回弹模量与通用水泥稳定基层基本相当，这主要是由于道路基层用缓凝硅酸盐水泥水化产物中含有大量具有胶结特性的物质，在材料内部相互搭接，对防止早期抗裂十分有益。

道路基层用缓凝硅酸盐水泥现有多家水泥企业生产，可广泛应用于刚性路面（水泥混凝土路面）和柔性路面（沥青路面）的基层处理。采用道路基层用缓凝硅酸盐水泥后，基层延迟碾压成型时间大大延长，且裂缝发生率降低80%以上。