近年来，我国现代化高速公路建设快速发展，高速公路路面结构中，基层是直接位于面层下的结构层次，主要起承重以及扩散荷载应力的作用，路面基层材料的优劣直接影响路面的质量和使用性能。普通硅酸盐水泥收缩大，用于道路基层时极易发生收缩，进而使路面产生反射裂缝，导致路面被破坏；同时由于普通水泥凝结时间过快，水泥适应性变差，混凝土坍损大，很快失去流动性，给施工造成困难，并且过早凝结使基层在碾压成型时造成强度损失。
为了满足道路基层施工时延迟成型以及补偿干缩产生的裂缝的要求，道路基层用缓凝水泥须具有较长的凝结时间和微膨胀性能。公司积极部署研究，从影响水泥凝结时间的关键因素入手，调整生料配料，在源头处控制熟料矿物组成，优选成分稳定的调凝剂，成功组织生产了道路基层用缓凝水泥。
细度：45 µm方孔筛筛余量不小于5.0%，不大于12.0%。
凝结时间：初凝时间不小于5 h，终凝时间不小于6 h，不大于12 h。
强度：3 d抗折强度不小于3.0 MPa，抗压强度不小于20.0 MPa；28 d抗折强度不小于6.0 MPa，抗压强度不小于35.0 MPa。
化学成分、安定性和线膨胀率等其他技术指标符合GB/T 35162—2017要求。
2.1 原材料
试验和生产用原材料主要化学成分见表1。
2.2 配料方案设计
道路基层施工对水泥凝结时间有要求，熟料中C3A矿物相水化反应快、放热量高，对凝结时间有重要影响。通过对公司生产数据进行分析，发现C3A含量低于7.5%时对熟料凝结时间影响较小；高于7.5%时，凝结时间随C3A含量增加呈缩短趋势。因此在生产中控制C3A含量在7.5%左右，不宜超过8.0%。
在明晰C3A这项关键指标的控制值后，结合矿山资源实际及周边原材料的储备情况进行生料配料，生料、熟料的控制指标见表2，配料方案见表3，所得熟料的化学分析和物理性能分别见表4和表5。
表2 生料、熟料控制指标
表3 配料方案%
表4 熟料化学分析
表5 熟料物理性能
2.3 小磨试验
为研究石膏对道路基层用缓凝水泥凝结时间的影响，将熟料、石灰石粉末、干粉煤灰、湿粉煤灰、燃煤炉渣、天然石膏、磷石膏在标准小磨中粉磨至比表面积350 m2/kg±10 m2/kg，按一定比例混合制备成试验小样。各样品的配比见表6，测试水泥的凝结时间和强度。
从小磨试验结果看，同一配比方案时，使用6%天然石膏或4%天然石膏+2%磷石膏作缓凝剂，初凝和终凝时间均偏短，不满足目标值要求。用6%磷石膏全替代天然石膏或2%天然石膏+4%磷石膏搭配作缓凝剂，初凝时间延长至300 min以上，终凝时间延长至380 min以上，且强度基本不受影响，满足道路基层用缓凝水泥要求。考虑到天然石膏价格远高于磷石膏，故选用编号2的配比方案，用磷石膏单独作缓凝剂生产道路基层用缓凝水泥。
3.1 磷石膏作缓凝剂对凝结时间的影响
根据上述确定的配比，在水泥磨进行工业试生产，并记录一段时间内水泥凝结时间和强度等性能的波动，如表7所示。水泥抗折、抗压强度均满足目标值要求，抗压强度3 d基本在20~22 MPa之间，28 d在35~36 MPa之间，较为稳定。水泥细度和标准稠度用水量也满足要求。
不同日期生产道路基层用缓凝水泥凝结时间不稳定，所记录的水泥初凝时间波动极差为99 min，终凝时间极差94 min，波动趋势见图1。经分析，确定是磷石膏产地、陈化时间不同导致成分不均，进而造成水泥凝结时间波动，给生产控制带来一定困难。
图1 磷石膏作缓凝剂时凝结时间的波动
3.2 使用工业糖蜜稳定水泥凝结时间
为削弱磷石膏成分波动给水泥凝结时间带来的影响，确保水泥凝结时间满足客户需求，通过多次试验，在上述水泥配比方案的基础上添加0.08%工业糖蜜稀释溶液作复合缓凝剂，稳定水泥凝结时间。所用糖蜜为工业制糖副产品，外观为黑褐色、黏稠、半流动状液体，主要成分为蔗糖，与水按1∶1稀释后，通过磨尾喷雾装置喷入水泥磨内，保证添加的均匀性。
表8记录了第二次工业试验使用磷石膏-工业糖蜜复合缓凝剂的水泥凝结时间等性能波动情况。经过调整缓凝剂后，水泥初凝时间基本稳定在350 min左右，终凝时间在420 min左右，且28 d抗压强度在36~37 MPa之间，增长了约1 MPa。
表8 第二次工业试生产道路基层用缓凝水泥检测结果
根据实际情况看，工业糖蜜稀释液的均匀添加可以有效稳定水泥凝结时间，便于生产控制，第二次工业试生产的道路基层用缓凝水泥凝结时间完全满足国标要求，水泥强度也有所优化，达到预期目标。
3.3 道路基层用缓凝水泥收缩膨胀率
道路基层用缓凝水泥在满足延迟成型的同时，还要求具有一定的微膨胀性，能适当补偿干缩产生的裂缝，因此根据JC/T 313—2009《膨胀水泥膨胀率试验方法》，对生产的专用缓凝水泥进行了膨胀率测试。测试结果见表9。
表9 不同龄期道路基层用缓凝水泥的线膨胀率%
从试验结果可以看到，生产的道路基层用缓凝水泥7 d线膨胀率在0.13%~0.14%之间，28 d线膨胀率在0.23%~0.25%之间，满足国标中7 d线膨胀率≥0.1%，28 d线膨胀率≤0.5%的要求。道路基层用缓凝水泥的膨胀源主要是钙矾石，磷石膏能为水泥体系液相提供SO42-，为钙矾石的形成提供S源，从而使水泥具有一定的微膨胀性能，抵消部分水泥水化过程中干燥引起的收缩，防止微裂缝的产生。
经过严谨设计研发、科学制定工序控制方案、精心组织生产，本课题研究的道路基层用缓凝水泥在实际生产中得到了很好的应用，同时，公司对水泥出厂严格检验和控制，客户对水泥进厂质量严格把控，按批次抽检，各项指标均符合要求。目前，道路基层用缓凝水泥已在安陆市通联公路工程有限公司工程项目、中铁二十四局枣潜高速公路、中铁五局347国道荆门改扩建工程等成功应用，满足了用户和工程建设所需。同时磷石膏全替代天然石膏提高了工业废渣的资源化利用率，符合绿色环保、节能减排的环保理念。
（1）以磷石膏-工业糖蜜复合作缓凝剂生产道路基层用缓凝水泥，缓凝效果明显，且凝结时间稳定易于生产控制，其他各项指标满足标准及公路工程中道路基层施工要求。
（2）磷石膏替代天然石膏作缓凝剂可大大延缓凝结时间，满足道路基层用缓凝水泥生产所需，同时水泥具有微膨胀性，能有效补偿干缩裂缝，既符合工程所需，也缓解了磷石膏综合利用压力，具有良好的环保和经济效益。
