粉煤灰在高速公路滑模摊铺水泥混凝土路面中的应用

1 粉煤灰在路面混凝土中的应用情况　　1.1 粉煤灰路面混凝土在国内应用情况　　粉煤灰在路面混凝土中应用已经多年。早在20世纪50~60年代，国内就出于经济的目的开始在路面混凝土中掺加粉煤灰，但由于当时主要胶凝材料水泥、粉煤灰的质量波动性很大并且技术指标较低，施工工艺落后，致使铺筑的路面质量差，留下了“用手一摸就掉灰”的印象，路面混凝土仍以纯水泥混凝土路面为主。　　至20世纪70年代以来，由于粉煤灰、水泥质量的提高以及水泥混凝土路面施工技术的进步，粉煤灰开始在混凝土中应用。20世纪80年代末，碾压混凝土路面技术应用推动了HFCC的发展，广西在南宁—北海公路铺筑1.1 km碾压混凝土路面，粉煤灰掺量46%，效果显著。20世纪90年代清华大学在天津—高碑店、江苏盐城、广花、深汕、广湛高速公路等项目中均铺筑粉煤灰混凝土试验路段，粉煤灰掺量最大达到37%，从竣工后情况来看，除广湛路由于养护质量差出现掉渣、起皮外，其余路段质量较好。

1 粉煤灰在路面混凝土中的应用情况

　　1.1 粉煤灰路面混凝土在国内应用情况

　　粉煤灰在路面混凝土中应用已经多年。早在20世纪50~60年代，国内就出于经济的目的开始在路面混凝土中掺加粉煤灰，但由于当时主要胶凝材料水泥、粉煤灰的质量波动性很大并且技术指标较低，施工工艺落后，致使铺筑的路面质量差，留下了“用手一摸就掉灰”的印象，路面混凝土仍以纯水泥混凝土路面为主。

　　至20世纪70年代以来，由于粉煤灰、水泥质量的提高以及水泥混凝土路面施工技术的进步，粉煤灰开始在混凝土中应用。20世纪80年代末，碾压混凝土路面技术应用推动了HFCC的发展，广西在南宁—北海公路铺筑1.1 km碾压混凝土路面，粉煤灰掺量46%，效果显著。20世纪90年代清华大学在天津—高碑店、江苏盐城、广花、深汕、广湛高速公路等项目中均铺筑粉煤灰混凝土试验路段，粉煤灰掺量最大达到37%，从竣工后情况来看，除广湛路由于养护质量差出现掉渣、起皮外，其余路段质量较好。

　　1.2 粉煤灰路面混凝土在我省的应用

　　20世纪90年代末，我省参加交通部“高等级公路水泥混凝土路面滑模施工技术推广”项目。滑模施工技术由于取消了固定模板对混凝土的工作性提出了更高的要求，要求新拌混凝土经过摊铺振捣后具有良好的可塑性、可滑性和可模性，而达到此要求最经济有效的方法是在混凝土中掺加粉煤灰。首先由于粉煤灰具有微集料填充作用和滚珠效应，使混凝土密实度提高，减少了坍落度经时损失、增强了可塑性，其次粉煤灰的物理减水作用降低了混凝土水胶比，提高了混凝土强度并且可以提高混凝土耐久性，再次粉煤灰作为最廉价的高性能混凝土掺和料，推动了道路高性能混凝土的发展。1999年在京大高速公路首次使用粉煤灰水泥混凝土路面滑模施工技术，粉煤灰掺量达到10%。

　　2002年在大新高速公路路面混凝土中掺加粉煤灰15%。

　　2004年得大高速路面混凝土中掺加粉煤灰15%，基层贫混凝土中掺加粉煤灰30%～40%。

　　2 用于混凝土中的粉煤灰品质要求

　　一般来说，用于混凝土的粉煤灰品质可由以下几个指标来衡量：火山灰活性、细度、烧失量和需水量。

　　⑴火山灰活性

　　粉煤灰的火山灰活性对硬化混凝土的性能影响非常大，而对新拌混凝土工作性的影响未见详细报道。但对于低钙粉煤灰来说，粉煤灰活性越大，混凝土力学性能和耐久性越好。

　　⑵细度

　　粉煤灰的细度，更严格说是粉煤灰的颗粒级配对新拌混凝土工作性能影响非常明显。

　　粉煤灰越细，比表面积越大，粉煤灰的活性就越容易激发。

　　⑶烧失量

　　所有国家的标准对用于混凝土的粉煤灰烧失量都进行了限定，表明粉煤灰的烧失量是非常重要的指标。

　　粉煤灰的烧失量也与粉煤灰的细度、火山灰活性、需水量有很大关系。一般来说，粉煤灰细度越小、烧失量越小、相应需水量也越低，火山灰活性越高，因此准确的描述粉煤灰烧失量对混凝土性能的实际影响也是比较困难的。

　　粉煤灰高的烧失量将对粉煤灰中掺加引气剂的效果产生不利影响，因为高烧失量的粉煤灰通常含有粗大、多孔的粉煤灰颗粒，这部分颗粒更容易吸引引气剂。

　　⑷需水量

　　需水量与粉煤灰其他品质指标如粉煤灰细度、烧失量有一定关系。一般来说，粉煤灰的需水量越小，越有利于混凝土性能。在一定细度范围内，粉煤灰越细、需水量越小。

　　粉煤灰的需水量还与粉煤灰的烧失量有关，烧失量越大，粉煤灰的需水量也越大。

⑸其他指标

　　用于混凝土的粉煤灰，除上述品质指标对混凝土性能影响比较大外，粉煤灰中的游离氧化钙和氧化镁及三氧化硫含量也可能对混凝土性能有较大的影响，通常都进行限定。

　　 3 粉煤灰与化学外加剂的相容性

　　为测定粉煤灰与外加剂适应性，我们采用水泥与外加剂的适应性试验方法对不同掺量的粉煤灰进行了测试，见表1。

　　试验采用晋牌水泥集团生产的32.5R普硅水泥，标准稠度水泥用水量29.6％。粉煤灰为太原二电厂Ⅱ级灰，需水量比为101％。外加剂为广东湛江萘系高效减水剂FDN—5R，固含量为40％。

表1 水泥、粉煤灰与外加剂适应性试验结果

编号	水泥/g	粉煤灰/g	外加剂/％	水/g	净浆流动度mm	备注
0min	30min
1	600	0	1.4	205	205	200	流动度明显减小
2	540	60	1.4	205	171	172
3	540	60	1.5	205	196	203
4	480	120	1.6	204	193	202
5	420	180	1.7	204	190	200
6	360	240	1.9	203	192	194

　　由表1可知，胶凝材料总量相同的情况下，要达到相同的净浆流动度，外加剂的掺量应随着粉煤灰掺量增加而增加。（由于粉煤灰取代水泥后，净浆流动度有随时间增加的特性，故以30分钟后基本相同的流动度为准）这说明粉煤灰对外加剂的依附要明显高于水泥对外加剂的依附。

　　在此试验中，假设1g水泥需要x％外加剂来分散，则根据较有代表性的编号为3和4的两个试验结果可列二元一次方程：540x+60y＝1.5；480x+120y＝1.6；解之得：x=0.233；y=0.40。由此可知，此种粉煤灰对外加剂的吸附作用是此种水泥对外加剂的吸附作用的1.72倍。更换原材料，用相同的方法试验，有的比例能达到3～5倍。这是由于萘系减水剂的作用机理是减水剂中有一种阴离子表面活性剂，很容易吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面形成电荷排斥，导致絮凝结构破坏，使其中的水分释放出来。而粉煤灰是比水泥更细更轻的颗粒，比水泥更容易形成絮凝结构，而且粉煤灰中多含有一定量的多孔炭粒，对外加剂的吸附作用也就更强了。

　　这一点通过胶砂试验得到了验证，见表2。

　　 表2 不同掺量粉煤灰水泥胶砂性能试验结果

编号	水泥/g	粉煤灰/g	水/g	减水剂/g	3d抗压强度/MPa	7d抗压强度/MPa	28d抗压强度/Mpa	0min坍落度/mm	30min坍落度/mm
1	400	0	195	1.4	27.4	34.0	41.2	180	140
2	360	54	189	1.4	27.0	29.8	41.8	175	145
3	320	108	182	1.6	20.9	28.6	42.6	170	140
4	280	162	174	1.8	18.8	28.1	42.8	180	150

　　表2中所用水泥为晋牌水泥集团生产的晋牌42.5普硅水泥，粉煤灰为太原二电厂Ⅱ级灰，超量系数取1.35。减水剂为广东湛江产萘系高效减水剂FDN—5R，固含量为40％。由试验可知，当粉煤灰少量取代水泥时（10％），由于粉煤灰的微珠效应、减水效应、与粉煤灰对外加剂的超量吸附相抵消，减水剂按原比例就可达到与普通混凝土基本相同的28d强度和坍落度。但随着粉煤灰取代量的增加，外加剂的掺量也要随之加大，才能达到相同的效果（工作性和28d强度）。

　　由此可见，配合比设计中，粉煤灰取代水泥后，外加剂的掺量按原比例的计算是不合适的，应当适当有所提高，才能达到原来的工作度，尤其是在大掺量粉煤灰混凝土中。否则，会因用水量的增加而降低混凝土的强度和密度，也达不到提高高透性和改善耐久性的目的。外加剂的掺量具体提高多少比例，与所用粉煤灰和水泥及外加剂品种有关，应通过试验确定。

　　 4 京大高速公路水泥混凝土路面配合比设计

　　根据京大高速公路山西段滑模施工水泥混凝土路面配合比设计的技术要求，滑模施工水泥混凝土路面配合比研究试验内容主要为：原材料基本物理、化学、力学性能试验和路面混凝土配合比设计试验等，结合“京大高速公路水泥混凝土路面滑模摊铺施工技术的推广”课题的研究工作，制定了详细的研究、试验计划，经过4个多月的室内试验，采用正交设计试验方法，提出了京大高速公路粉煤灰滑模混凝土配合比。

表3 京大高速公路混凝土面层粉煤灰滑模混凝土配合比

水(kg/m3)	水泥(kg/m3)	粉煤灰(kg/m3)	砂(kg/m3)	10-30mm碎石(kg/m3)	5-10mm碎石(kg/m3)	外加剂(kg/m3)
156	342	57	638	928	309	7.98

　　 5 试验路段和推广路段的强度指标

　　 表4 试验路段和推广路段的试件强度

试验和实体工程名称	抗折强度（MPa）	断块抗压强度（MPa）	抗折强度（MPa）
平均值	最大值	最小值	平均值	最大值	最小值	标准偏差σ(MPa）	变异系数Cv（%）
大同二处试验路	6.42	7.91	5.68	42.8	53.5	38.9	0.71	7.94
长治三处试验路	6.46	7.82	5.63	44.3	51.7	37.6	0.89	9.73
京大高速公路	6.33	8.07	5.54	46.1	56.2	41.4	1.12	13.62

　　 表5 试验路段的路面芯样强度

试验和实体工程名称	劈裂强度（MPa）	推算抗折强度（MPa）	标准偏差σ(MPa）	变异系数Cv（%）
平均值	最小值	平均值	最小值
大同二处试验路	4.18	3.75	6.49	5.91	0.65	10.07
长治三处试验路	4.13	3.85	6.42	6.04	0.72	11.25

　　 6 技术经济和社会效益

　　6.1 经济效益

　　①在混凝土中掺加粉煤灰可以降低混凝土造价

　　以京大路为例，粉煤灰单价为100元/t；水泥单价为300元/t。京大路路面混凝土掺加10%粉煤灰，每方混凝土可节约水泥用量38kg，需加入粉煤灰57kg，每方混凝土可节约投资0.038×300－0.057×100=5.7（元）。以全线70km、路面宽度 24.5m、路面厚度28cm计算，需要混凝土48.02 万m3，以含气量4%折减计算，实际需混凝土46.10 万m3，可节约投资46.10×5.7=262.765 万元。

　　②在混凝土中掺加粉煤灰提高混凝土路面使用寿命所获效益

　　在混凝土路面中掺加10%～15%的粉煤灰，可以改善新拌混凝土的工作性，减少混凝土坍落度经时损失，提高施工和易性；在混凝土中掺加部分粉煤灰，使混凝土的后期强度得到大幅度提高，对于延长路面使用寿命、降低工程维护费用意义重大。

　　③利用粉煤灰为电厂产生的经济效益

　　全线粉煤灰水泥砼路面使用了2．27万t粉煤灰，可为电厂节约存放粉煤灰的资金。

④粉煤灰的掺入提高了混凝土的工作性，新拌混凝土混合物在高强高频率振捣棒作用下变得易于液化，降低对振捣棒的磨损，提高了其使用寿命。

6.2 社会效益

　　由于混凝土路面掺加粉煤灰后其各项技术参数指标得到改善，可以推动水泥混凝土路面技术进步和缓解进口沥青价位高和供应紧张的局面，从而拉动地方经济的发展，提供更多的就业岗位。

　　在混凝土中掺加部分粉煤灰，可为电厂排忧解难，减少粉煤灰储灰场、堆场建设和少占良田，同时可改善电厂周围的环境。在混凝土中掺加粉煤灰后，可减少砂石的需求，并可减少生产水泥对能源资源的消耗和CO2的排放，对于改善大气质量、实现资源能源可持续发展具有重要意义。