粉煤灰在高速公路水泥砼路面中的應(yīng)用

粉煤灰在高速公路水泥砼路面中的應(yīng)用

作者：梁曉東,黃斌

　　摘要：通過(guò)試驗(yàn)與施工表明，在高速公路路面的水泥砼混合料中摻入一定用量的粉煤灰可以改善混合料的性能，且有利于滑模攤鋪施工。闡述了粉煤灰的技術(shù)性能和粉煤灰砼的配合比設(shè)計(jì)，及工程實(shí)用效果和取得較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。指出了存在的問(wèn)題和解決辦法。

　　高速公路水泥混凝土路面滑模攤鋪施工對(duì)水泥混凝土的路用性能有特殊的要求，混合料既要具有良好的工作性能，又要提高抗折強(qiáng)度。摻入粉煤灰，是提高水泥混凝土性能的有效技術(shù)手段。在常益高速公路路面工程施工過(guò)程中，通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)和施工實(shí)踐，對(duì)混凝土摻入粉煤灰的性能進(jìn)行了研究，確定了粉煤灰的技術(shù)要求、合適的摻量、配合比設(shè)計(jì)方法，并提出了改進(jìn)的措施。

一、室內(nèi)試驗(yàn)

1. 粉煤灰的技術(shù)要求

　　粉煤灰是熱電廠的排放場(chǎng)，其堆放不僅占用大量土地，而且污染環(huán)境，但若用于建材，會(huì)取得較好經(jīng)濟(jì)效益。由于燃燒和回收工藝的不同，粉煤灰的品質(zhì)也有很大差別。

　　在水泥混凝土路面工程中要求使用干粉煤灰，要求達(dá)到Ⅱ級(jí)以上粉煤灰的技術(shù)要求，并先采用磨細(xì)粉煤灰?？捎糜诨炷谅访娴姆勖夯壹夹g(shù)要求及我省幾大電廠所產(chǎn)粉煤灰的技術(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 混凝土路面用粉煤灰的技術(shù)要求及試驗(yàn)結(jié)果 粉煤灰 需水量比/% 含水量/% Loss/% SO3/% 細(xì)度1/%(45um篩)
石門(mén)電廠產(chǎn) 94 0.18 6.14 0.49 2.1
株洲電廠產(chǎn) 100 0.11 4.51 0.44 19.9
湘潭電廠產(chǎn) 100 0.10 4.88 0.11 13.1
要求指標(biāo) ≤105 ≤1 ≤8 ≤3 ≤20

　?、蠹?jí)灰各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不能滿足路面混凝土的要求，只能用于基層。

　　2. 粉煤灰的摻量

　　國(guó)內(nèi)外的理論研究表明，硅酸鹽水泥中可釋放出的Ca(OH)2及其石膏最多只能使28%的粉煤灰得到水化反應(yīng)，從而提高強(qiáng)度。在長(zhǎng)常高速公路益常段路面施工中，強(qiáng)制規(guī)定每1m3水泥混凝土至少使用360kg水泥。當(dāng)1m3水泥凝土使用360kg525#普通硅酸鹽水泥、水灰比0.41、砂率37%時(shí)，初步確定摻入粉煤灰20kg、25kg、30kg、35kg、40kg、45kg、50kg、55kg進(jìn)行試配，得出結(jié)果是摻入45kg粉煤灰的混凝土綜合性能最佳。此時(shí)粉煤灰摻量為水泥用量的12.5%。推薦使用粉煤灰摻量為水泥用量的8%-20%。

　　3. 粉煤灰水泥砼的配合比設(shè)計(jì)

　　粉煤灰水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)根據(jù)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GBJ146-90規(guī)定的超量取代法進(jìn)行，超量系數(shù)取1.5，由此增加的粉煤灰體積減去同體積的砂。

二、粉煤灰對(duì)水泥砼性能的改善

　　1. 改善工作性能

　　粉煤灰的摻入，使膠凝材料的總量增加，砼工作性能大幅度改善，更適合路面滑模攤鋪：①粉煤灰水泥混凝土的振動(dòng)粘度系數(shù)減小，有利于振搗密實(shí)；②靜態(tài)坍落度變小，有利于防止塌邊；③膠凝材料的總量增加使攤鋪成型的路面光滑平整；④和易性的改善，減小了攤鋪機(jī)前進(jìn)的阻力，減輕了攤鋪機(jī)的工作負(fù)荷。

　　這些性能的改善是由于粉煤灰有較大的比表面積和球狀微珠對(duì)流變學(xué)性能的影響所致。在對(duì)未摻入粉煤灰的水泥混凝土攤鋪時(shí)，為了振動(dòng)密實(shí)，必須提高混凝土的坍落度，這樣的混凝土容易塌邊。如果為了防止塌邊，必須降低混凝土坍落度，這樣又必須加大振搗棒的振動(dòng)頻率，同時(shí)機(jī)器前進(jìn)的阻力增大，加大了機(jī)器的工作負(fù)荷。加粉煤灰后，這一矛盾得到了協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

　　2. 提高抗折強(qiáng)度

　　滑模攤銷(xiāo)水泥混凝土使用粉煤灰，能提高抗折強(qiáng)度，尤其是使后期強(qiáng)度大幅度提高。長(zhǎng)常高速公路益常段使用水泥用量12.5%的Ⅱ級(jí)粉煤灰，12個(gè)月的抗折強(qiáng)度超過(guò)了7.5MPa。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粉煤灰混凝土抗折強(qiáng)度隨齡期的增長(zhǎng) Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量/kg 抗折強(qiáng)度/Mpa
7d 28d 90d 360d后
0 5.96 6.32 6.40 6.55
35 5.60 6.65 6.90 7.35
45 5.51 6.92 7.30 7.65
55 5.40 6.95 7.45 7.98
　　注：在此試驗(yàn)中，坍落度3～5cm，碎石粒徑5～30mm，砂細(xì)度模數(shù)2.8，砂率37.5%，每1m3混凝土525#水泥用量360kg，摻入高效減水劑和引氣劑。
　　從表2知，粉煤灰混凝土的28d、90d、360d后的抗折強(qiáng)度比普通混凝土分別提高了5%-10%、8%-16%和12%-22%。粉煤灰的摻量越大，齡期越長(zhǎng)，強(qiáng)度提高越大。

 
3. 改善抗磨性

　　水泥混凝土路面的抗磨性與強(qiáng)度成線性正比關(guān)系。隨著路面抗折強(qiáng)度的提高，抗磨性也隨之提高。通過(guò)對(duì)28d齡期的試件進(jìn)行抗磨性試驗(yàn)，粉煤灰摻量為水泥用量12.5%粉煤灰混凝土比普通水泥砼的抗磨性提高23%(表3)。

表3 粉煤灰混凝土抗磨性對(duì)比試驗(yàn) Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量/kg 磨耗量/(kg?m-2) 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)值 技術(shù)要求
0 1.200 ≤3.6 T0527-94
45 0.923

　　4. 降低泌水率

　　由于機(jī)械配套的限制，國(guó)內(nèi)滑模攤鋪路面多采用自卸車(chē)運(yùn)輸混合料，在運(yùn)輸過(guò)程中較嚴(yán)重的泌水將會(huì)導(dǎo)致混合料工作性能降低，并產(chǎn)生卸料困難，降低工作效率，提高勞動(dòng)強(qiáng)度。摻入粉煤灰可降低混凝土的泌水率，有利于混凝土的運(yùn)輸。長(zhǎng)常高速公路益常段施工中砼運(yùn)距最遠(yuǎn)達(dá)25km，沒(méi)有因?yàn)檫\(yùn)輸過(guò)程中的混合料泌水影響施工。長(zhǎng)常公路三個(gè)路面施工承包人均反應(yīng)益常段路面砼比沒(méi)有摻入粉煤灰的長(zhǎng)益段容易卸料。

　　5. 降低水泥水化速度

　　摻入粉煤灰可降低水泥水化速度，混合料凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，有利于高溫季節(jié)施工，并有利于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。

三、存在的問(wèn)題及其處理措施

　　1. 粉煤灰砼干縮性大，高溫大風(fēng)季節(jié)施工易產(chǎn)生塑性收縮開(kāi)裂

　　長(zhǎng)常高速公路益常段的路面施工中，每1m3粉煤灰水泥砼水泥用量為360kg，粉煤灰為45kg，膠凝材料總量為405kg。顯然，膠凝材料的總量過(guò)多在夏季高溫大風(fēng)天氣施工容易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。研究表明，粉煤灰水泥混凝土在0.57kg/m2?h蒸發(fā)率的條件下就會(huì)產(chǎn)生塑性收縮裂縫，而普通水泥混凝土則產(chǎn)生塑性收縮裂縫的臨界蒸發(fā)率為0.75kg/m2?h，這一點(diǎn)是值得高度重視的。在益常路的路面施工中即遇到此問(wèn)題，1999年7月某天施工的段落連續(xù)產(chǎn)生了縱向塑性收縮裂縫，長(zhǎng)的有6m，短的只有30cm，裂縫分布很有規(guī)律，大多在距縱向假縫兩側(cè)20-50cm處。這樣的分布規(guī)律與假縫拉桿的約束有關(guān)。

　　通過(guò)一定技術(shù)措施，完全可以控制裂縫的產(chǎn)生。在益常路的施工中，在攤鋪成型的砼路面拉毛噴灑養(yǎng)護(hù)劑后，馬上用土工布覆蓋，避免烈日的照射，降低蒸發(fā)率，并在土工布上灑水，保持濕潤(rùn)，補(bǔ)充蒸發(fā)的水分。另外，還采用了在攤鋪成型路面拉毛噴酒養(yǎng)護(hù)劑過(guò)后噴酒霧化水的方法來(lái)控制裂縫的產(chǎn)生。前者比后者更保險(xiǎn)。在施工過(guò)程中，要提高對(duì)裂縫產(chǎn)生的警惕性，在氣溫大于28℃，或是多風(fēng)的季節(jié)，要做好控制裂縫產(chǎn)生的準(zhǔn)備工作。

　　2. 低溫季節(jié)施工易發(fā)生施工期斷板和裂縫

　　粉煤灰水泥砼路面早期強(qiáng)度低，導(dǎo)致發(fā)生施工期斷板和裂縫，斷板和裂縫分三種情況。

　　(1) 冬季施工，由于水泥化較慢，板塊早期強(qiáng)度很低，由于板塊內(nèi)應(yīng)力和外部因素的影響，產(chǎn)生斷板。益常路路面由于在冬季施工時(shí)開(kāi)放施工交通的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)遲于28d和加強(qiáng)了施工質(zhì)量管理，此類(lèi)型的斷板幾乎沒(méi)有發(fā)生。

　　(2) 在兩幅路面連接施工時(shí)生斷板。前一幅路面攤鋪后，由于溫度應(yīng)力的用作，橫向縮縫處大部分?jǐn)嗔?。由于溫度的變化，裂縫通過(guò)拉桿向剛施工的、強(qiáng)度偏低的路面?zhèn)鬟f開(kāi)裂變形，致使剛施工的面板出現(xiàn)大量斷板。此類(lèi)型斷板在益常路，其中26km的路面中已經(jīng)出現(xiàn)68塊斷板，超過(guò)規(guī)范容許值，花費(fèi)了一定的資金進(jìn)行處理。其中有一段落的3.75m塊的板塊連續(xù)有15塊斷板。這些斷板大多集中產(chǎn)生、分布在幾個(gè)路段，都在低溫季節(jié)施工時(shí)產(chǎn)生的。大部分?jǐn)喟蹇拷s縫位置，顯然也與縮縫傳力桿的約束有關(guān)。之所以產(chǎn)生了大量斷板，一是由于承包人沒(méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷板的形成原因；二是管理上的松懈，導(dǎo)致切縫時(shí)間延誤和切縫的質(zhì)量下降。通過(guò)采用軟切割技術(shù)提早鋸橫縫，并適當(dāng)加深鋸縫，保證鋸縫質(zhì)量，解決了此問(wèn)題。

　　(3) 在縱向縮縫旁產(chǎn)生裂縫。此裂縫的分布規(guī)律與"3.1"所述的裂縫一樣，但形成的機(jī)理不一樣。施工氣溫較低時(shí)，混凝土強(qiáng)度形成緩慢，由于溫度應(yīng)力的作用和縱向縮縫拉桿的約束，產(chǎn)生了裂縫?？刂屏芽p的措施是通過(guò)采用軟切割術(shù)提早鋸縱縫，或在施工氣溫低于10℃時(shí)停止施工。

　　3. 由于早期強(qiáng)度較低，要加強(qiáng)養(yǎng)生，并延長(zhǎng)養(yǎng)生期

　　長(zhǎng)常高速公路益常段的施工經(jīng)驗(yàn)是采取雙保險(xiǎn)的養(yǎng)生措施，即在施工氣溫高于25℃時(shí)，既噴灑養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)生，又用麻袋覆蓋養(yǎng)生10d，并在28d內(nèi)嚴(yán)格控制交通。

四、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

　　1. 社會(huì)效益

　　取得的社會(huì)效益主經(jīng)體現(xiàn)為對(duì)環(huán)境的貢獻(xiàn)：全線75km粉煤灰水泥砼路面使用了2.25萬(wàn)t粉煤灰，減少熱電廠用于存放粉煤灰的土地1094畝，保護(hù)了土地資源。少用525#水泥1.08萬(wàn)t，減少了生產(chǎn)水泥時(shí)CO2的排放量1.08萬(wàn)t，減少了對(duì)大氣的直接污染。

　　路面平整度、強(qiáng)度、外觀等工程質(zhì)量的提高獲得了社會(huì)的贊譽(yù)，還為公路營(yíng)運(yùn)時(shí)保障暢通打下了基礎(chǔ)。

　　2. 直接經(jīng)濟(jì)效益

　　全線75km粉煤灰水泥砼路面使用了2.25萬(wàn)t粉煤灰，為電廠節(jié)約存放粉煤灰的資金300萬(wàn)元，減少使用水泥1.08萬(wàn)t，節(jié)約工程成本228萬(wàn)元。每1km路面節(jié)約工程成本3.04萬(wàn)元，直接獲得經(jīng)濟(jì)效益7.04萬(wàn)元。

五、結(jié)論

　　在水泥砼中適當(dāng)?shù)負(fù)饺敕勖夯液?，改善了砼的工作性能，降低了泌水率和水泥水化速度，使之更適合滑模攤鋪施工，提高了路面的抗折強(qiáng)度和抗磨性，提高了高速公路工程質(zhì)量，保護(hù)環(huán)境，取得了可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。雖然存在干縮性大、早期強(qiáng)度低等缺陷，但通過(guò)合理的技術(shù)措施和加強(qiáng)施工管理，這些問(wèn)題完全可以解決，并不妨礙粉煤灰的使用。粉煤灰水泥砼在高速公路水泥路面工程中值得推廣。