水泥稳定材料中结晶水对压实度的影响

水泥稳定材料中结晶水对压实度的影响

杨哲

青岛交通工程监理咨询有限公司山东青岛266000

摘要：本文通过对水泥水化反应中自由水和结晶水的分析，旨在明确素土路基和水泥稳定材料结构层压实度检测时，测含水量会有不同的时效。

关键词：水泥稳定材料压实度检测误区

1引言

水泥作为结合料，通过水与被稳定材料共同拌合形成混合料，包括水泥稳定级配碎石、水泥稳定级配砾石、水泥稳定石屑、水泥稳定土、水泥稳定砂等①。这些不同类型根据实际需要，作为路面基层及底基层在路面设计中有着广泛的应用；而在路基施工中，由于土质不够优良（液限过大，膨胀性等原因），也可以通过稳定材料处理，改善土的结构性质，使其具有一定的刚度和强度，也有着广泛的应用。

2可能存在的压实度检测误区

一般土方路基填土均为素土，填土控制在接近最佳含水量时，最为容易压实，也能轻松达到规范规定的压实度要求。一旦完成压实，由于素土板结，压实度是不会轻易损失的，此时即便含水量损失，哪怕风干，去检测压实度仍然能够符合要求。因此，对于素土，在完成一段路基压实之后，如果未能来得及填筑下一层土，经风吹或雨淋，除非土壤膨胀（土质恶劣），是不会对压实结果有过大影响的。因此，在一段素土路基完成压实后，过一段时间去检测压实度，也是完全可行的。虽然这时所检测的含水量超过最佳含水量±3%的要求，也是能符合要求的。

但是，对于水泥稳定混合料，这种情况就不一样了。在水泥稳定材料经拌合后，运输到路基上摊铺，碾压成型后，越来越多的自由水参与了水泥水化反应。事实上，从一加入水开始，水便开始与水泥发生水化反应，但这个水化反应是一个缓慢的过程。因此，在压实刚刚完成，在保证所有时间（拌合、运输、摊铺、碾压）小于水泥水化反应延迟时间的情况下，去检测压实度，对压实度真实的影响是不会太大的，但是，一旦过了延迟时间，水泥初凝已经发生，或者过了终凝时间，由于部分水参与了水泥水化反应，在测定含水量的时候，含水量会比真实值偏小，从而导致压实度比真实值偏大。

不少单位，甚至包括监理单位，默许压实几天后再测压实度，这样测出的压实度结果是不真实可靠的。

3加热对自由水和结晶水的热影响分析

根据周勇进、李有光《硅酸盐水化产物的热分析曲线及其特征》（重庆建筑大学学报1999年2月第21卷第1期）分析，水泥水化物在养护28天后，进行加热试验，通过对硅酸盐水泥的水化产物热分析，得出了不同化学组分失去结晶水的大致温度范围。

试验结果表明，水化硅酸三钙有三个吸热效应，加热失重范围分别是850~950℃、500~550℃、和250~300℃三个范围，差热曲线上其中在250~300℃范围内并没有发生热效应，它被认为水化硅酸二钙凝胶体所吸附的机械结合水逸出（依据B.B库尔冬诺娃理论，110℃是不能完全排出的）；而500~550℃范围则为氢氧化钙与水化硅酸二钙脱水共同的共同作用；而850~950℃这个范围则是碳酸钙分解成为氧化钙和二氧化碳的过程。

水化硅酸二钙两个吸热效应则是685~765℃、824~930℃两个范围。在685~765℃这个范围里，所发生的吸热效应主要是由于β-CaO•SiO2转变成γ-CaO•SiO2引起；在第二个范围里，主要是由于少量的碳酸钙分解而致。

水化铝酸三钙有三个吸热效应，分别是265~340℃、540~580℃和838~945℃，第一个效应是水化铝酸钙化学结合水逸出，第二个是水化铝酸钙分解，第三个是碳酸钙分解所致。该实验还分析得出水化铝酸三钙在加热时，大部分水分是在220~330℃范围失去的。

水化铁铝酸四钙分析第一个吸热效应是265~348℃，相当于结晶水的逸出；第二个热效应范围是545~570℃，相当于铝酸三钙分解成三铝酸五钙和氧化钙；第三个热效应是817~925℃，相当于碳酸盐分解，二氧化碳的逸出。失重分析表明，水化铁铝酸四钙中的大部分水是在250~350℃范围内逸出的。

水化铝酸钙在130~250℃为CaAHn分解成Ca(OH)2和4CaO•3Al2O3•3H2O；500℃左右出现氢氧化钙的吸热谷，而4CaO•3Al2O3•3H2O约在630℃开始分解，800℃左右形成明显的吸热效应，到1000℃左右，脱水完完全形成12CaO•7Al2O3。

水化硫铝酸钙分为三硫酸盐型水化硫铝酸钙和单硫酸盐型水化硫铝酸钙，前者一般在120~180℃脱水，而后者一般脱水温度在180~220℃。

以上基本上给出了水泥水化物每种化学成分发生化学反应和脱水反应的温度范围。研究分析结果表明要使水泥水化物开始失去结晶水，温度至少加热到120℃以上。

4水泥稳定混合料结构层压实度检测常用含水量方法的分析

交通部现行试验规程《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTGE51-2009）T0801、T0802、T0803对无机结合料含水量三种试验方法分别做了规定。下面，我们分别对这三种方法进行分析。

T0801为烘干法，该方法3.1.2条规定，对于水泥稳定材料，烘箱温度调到110℃，对于其他材料，将烘箱调到105℃。由此可以分析，烘干法的温度仍不足于使本文第4节所列的各种水泥水化物失去结晶水。可见，一旦水泥发生了水化反应，最迟在初凝时间开始，如果采用烘干法的话，此后再测含水量将会比真实值偏小。

我们再看T0802的砂浴法，试验步骤3.1.2规定，需注意务使砂浴温度过高，注①中规定：避免稳定材料过分加热，将一小张白纸片放在土中拌合，如纸变成焦黄色，就表示过分加热。通过试验观察，我们将炒热的砂浴放入试纸，经测试，变黄的温度在130℃~150℃范围。而根据3.1.2的进一步规定，在加热过程中，应经常用调土刀搅拌试样，以促使水分蒸发。可见，放在容器中的土样温度会更低，在整个蒸发过程中，理论上都会小于100℃。由此可见，即便是采用砂浴法，也很难将本文第4节所列的各种水泥水化物失去结晶水。

T0803所列的是酒精法。不得不说，酒精燃烧法对于现场快速取得含水量的试验结果，有着前两种方法不可替代的优势。规程中规定，当土中有大量黏土、石膏、石灰质或有机质时，不应使用本方法。除了这一限定条件外，我们认为，水泥稳定类材料是可以用的。通过试验我们发现，酒精在燃烧时，看起来熊熊烈火，但酒精和水泥稳定土液体混合物里温度并不高，经测量，在混合物表明成湿润状态时，温度多处于78~95℃；在表面呈干燥状态时，温度多处于100摄氏度左右。所以说，通过酒精燃烧法，也并不能真正使得水泥一旦水化之后形成的水化物失去结晶水。

通过三种试验方法对比分析，排除试验误差的影响，不难得出三种试验方法很难将水泥水化物中结晶水排除出来这样一个结论。

5结语

通过以上理论和试验分析，我们不难得出这个结论：规范上所列举的三种含水量试验方法并不能将水泥水化物中的结晶水烧出。因此，一旦水泥开始了水化反应，形成结晶水，在通常含水量试验方法里，自由水形成结晶水的过程在很大程度上并不是可逆的。所以，在水泥稳定粒料经压实后，过了水泥初凝或终凝时间，再通过测定含水量检测压实度测得的结果往往是偏大，是毫无意义的。

参考文献：

[1]周勇进、李有光.硅酸盐水化产物的热分析曲线及其特征.重庆建筑大学学报1999年2月第21卷第1期

[2]《公路工程无机结合料稳定材料试验规程：JTGE51-2009