粉煤灰在高速公路水泥砼路面中的应用

水泥 2003-04-16

通过试验与施工表明，在高速公路路面的水泥砼混合料中掺入一定用量的粉煤灰可以改善混合料的性能，且有利于滑模摊铺施工。阐述了粉煤灰的技术性能和粉煤灰砼的配合比设计，及工程实用效果和取得较好的社会经济效益。指出了存在的问题和解决办法。

高速公路水泥混凝土路面滑模摊铺施工对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，又要提高抗折强度。掺入粉煤灰，是提高水泥混凝土性能的有效技术手段。在常益高速公路路面工程施工过程中，通过相关试验和施工实践，对混凝土掺入粉煤灰的性能进行了研究，确定了粉煤灰的技术要求、合适的掺量、配合比设计方法，并提出了改进的措施。

一、室内试验
    1. 粉煤灰的技术要求
　　粉煤灰是热电厂的排放场，其堆放不仅占用大量土地，而且污染环境，但若用于建材，会取得较好经济效益。由于燃烧和回收工艺的不同，粉煤灰的品质也有很大差别。
　　在水泥混凝土路面工程中要求使用干粉煤灰，要求达到Ⅱ级以上粉煤灰的技术要求，并先采用磨细粉煤灰。可用于混凝土路面的粉煤灰技术要求及我省几大电厂所产粉煤灰的技术试验数据如表1。
    表1 混凝土路面用粉煤灰的技术要求及试验结果
    粉煤灰     需水量比/%   含水量/%   Loss/%   SO3/%   细度1/%(45um筛)
    石门电厂产 94            0.18       6.14    0.49     2.1
    株洲电厂产 100           0.11       4.51    0.44     19.9
    湘潭电厂产 100           0.10       4.88    0.11     13.1
    要求指标 ≤105           ≤1        ≤8     ≤3      ≤20
　　Ⅲ级灰各项技术指标不能满足路面混凝土的要求，只能用于基层。
　　2. 粉煤灰的掺量
　　国内外的理论研究表明，硅酸盐水泥中可释放出的Ca(OH)2及其石膏最多只能使28%的粉煤灰得到水化反应，从而提高强度。在长常高速公路益常段路面施工中，强制规定每1m3水泥混凝土至少使用360kg水泥。当1m3水泥凝土使用360kg525#普通硅酸盐水泥、水灰比0.41、砂率37%时，初步确定掺入粉煤灰20kg、25kg、30kg、35kg、40kg、45kg、50kg、55kg进行试配，得出结果是掺入45kg粉煤灰的混凝土综合性能最佳。此时粉煤灰掺量为水泥用量的12.5%。推荐使用粉煤灰掺量为水泥用量的8%-20%。
　　3. 粉煤灰水泥砼的配合比设计
　　粉煤灰水泥混凝土的配合比设计根据《粉煤灰混凝土应用技术规范》GBJ146-90规定的超量取代法进行，超量系数取1.5，由此增加的粉煤灰体积减去同体积的砂。

二、粉煤灰对水泥砼性能的改善
　　1. 改善工作性能
　　粉煤灰的掺入，使胶凝材料的总量增加，砼工作性能大幅度改善，更适合路面滑模摊铺：①粉煤灰水泥混凝土的振动粘度系数减小，有利于振捣密实；②静态坍落度变小，有利于防止塌边；③胶凝材料的总量增加使摊铺成型的路面光滑平整；④和易性的改善，减小了摊铺机前进的阻力，减轻了摊铺机的工作负荷。
　　这些性能的改善是由于粉煤灰有较大的比表面积和球状微珠对流变学性能的影响所致。在对未掺入粉煤灰的水泥混凝土摊铺时，为了振动密实，必须提高混凝土的坍落度，这样的混凝土容易塌边。如果为了防止塌边，必须降低混凝土坍落度，这样又必须加大振捣棒的振动频率，同时机器前进的阻力增大，加大了机器的工作负荷。加粉煤灰后，这一矛盾得到了协调统一。
　　2. 提高抗折强度
　　滑模摊销水泥混凝土使用粉煤灰，能提高抗折强度，尤其是使后期强度大幅度提高。长常高速公路益常段使用水泥用量12.5%的Ⅱ级粉煤灰，12个月的抗折强度超过了7.5MPa。试验结果见表2。
表2 粉煤灰混凝土抗折强度随龄期的增长
Ⅱ级粉煤灰掺量（kg）抗折强度（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：在此试验中，坍落度3～5cm，碎石粒径5～30mm，砂细度模数2.8，砂率37.5%，每1m3混凝土525#水泥用量360kg，掺入高效减水剂和引气剂。
　　从表2知，粉煤灰混凝土的28d、90d、360d后的抗折强度比普通混凝土分别提高了5%-10%、8%-16%和12%-22%。粉煤灰的掺量越大，龄期越长，强度提高越大。
    3. 改善抗磨性
　　水泥混凝土路面的抗磨性与强度成线性正比关系。随着路面抗折强度的提高，抗磨性也随之提高。通过对28d龄期的试件进行抗磨性试验，粉煤灰掺量为水泥用量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对比试验
Ⅱ级粉煤灰掺量/kg 磨耗量/(kg·m-2) 试验方法试验值技术要求
1.200             ≤3.6         T0527-94   45    0.923
　　4. 降低泌水率
　　由于机械配套的限制，国内滑模摊铺路面多采用自卸车运输混合料，在运输过程中较严重的泌水将会导致混合料工作性能降低，并产生卸料困难，降低工作效率，提高劳动强度。掺入粉煤灰可降低混凝土的泌水率，有利于混凝土的运输。长常高速公路益常段施工中砼运距最远达25km，没有因为运输过程中的混合料泌水影响施工。长常公路三个路面施工承包人均反应益常段路面砼比没有掺入粉煤灰的长益段容易卸料。
　　5. 降低水泥水化速度
　　掺入粉煤灰可降低水泥水化速度，混合料凝结时间延长，有利于高温季节施工，并有利于远距离运输。

三、存在的问题及其处理措施
　　1. 粉煤灰砼干缩性大，高温大风季节施工易产生塑性收缩开裂
　　长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为360kg，粉煤灰为45kg，胶凝材料总量为405kg。显然，胶凝材料的总量过多在夏季高温大风天气施工容易产生塑性收缩裂缝。研究表明，粉煤灰水泥混凝土在0.57kg/m2·h蒸发率的条件下就会产生塑性收缩裂缝，而普通水泥混凝土则产生塑性收缩裂缝的临界蒸发率为0.75kg/m2·h，这一点是值得高度重视的。在益常路的路面施工中即遇到此问题，1999年7月某天施工的段落连续产生了纵向塑性收缩裂缝，长的有6m，短的只有30cm，裂缝分布很有规律，大多在距纵向假缝两侧20-50cm处。这样的分布规律与假缝拉杆的约束有关。
　　通过一定技术措施，完全可以控制裂缝的产生。在益常路的施工中，在摊铺成型的砼路面拉毛喷洒养护剂后，马上用土工布覆盖，避免烈日的照射，降低蒸发率，并在土工布上洒水，保持湿润，补充蒸发的水分。另外，还采用了在摊铺成型路面拉毛喷酒养护剂过后喷酒雾化水的方法来控制裂缝的产生。前者比后者更保险。在施工过程中，要提高对裂缝产生的警惕性，在气温大于28℃，或是多风的季节，要做好控制裂缝产生的准备工作。
　　2. 低温季节施工易发生施工期断板和裂缝
　　粉煤灰水泥砼路面早期强度低，导致发生施工期断板和裂缝，断板和裂缝分三种情况。
　　(1) 冬季施工，由于水泥化较慢，板块早期强度很低，由于板块内应力和外部因素的影响，产生断板。益常路路面由于在冬季施工时开放施工交通的时间远远迟于28d和加强了施工质量管理，此类型的断板几乎没有发生。
　　(2) 在两幅路面连接施工时生断板。前一幅路面摊铺后，由于温度应力的用作，横向缩缝处大部分断裂。由于温度的变化，裂缝通过拉杆向刚施工的、强度偏低的路面传递开裂变形，致使刚施工的面板出现大量断板。此类型断板在益常路，其中26km的路面中已经出现68块断板，超过规范容许值，花费了一定的资金进行处理。其中有一段落的3.75m块的板块连续有15块断板。这些断板大多集中产生、分布在几个路段，都在低温季节施工时产生的。大部分断板靠近缩缝位置，显然也与缩缝传力杆的约束有关。之所以产生了大量断板，一是由于承包人没能及时发现断板的形成原因；二是管理上的松懈，导致切缝时间延误和切缝的质量下降。通过采用软切割技术提早锯横缝，并适当加深锯缝，保证锯缝质量，解决了此问题。
　　(3) 在纵向缩缝旁产生裂缝。此裂缝的分布规律与"3.1"所述的裂缝一样，但形成的机理不一样。施工气温较低时，混凝土强度形成缓慢，由于温度应力的作用和纵向缩缝拉杆的约束，产生了裂缝。控制裂缝的措施是通过采用软切割术提早锯纵缝，或在施工气温低于10℃时停止施工。
　　3. 由于早期强度较低，要加强养生，并延长养生期
　　长常高速公路益常段的施工经验是采取双保险的养生措施，即在施工气温高于25℃时，既喷洒养护剂养生，又用麻袋覆盖养生10d，并在28d内严格控制交通。

四、社会经济效益
　　1. 社会效益
　　取得的社会效益主经体现为对环境的贡献：全线75km粉煤灰水泥砼路面使用了2.25万t粉煤灰，减少热电厂用于存放粉煤灰的土地1094亩，保护了土地资源。少用525#水泥1.08万t，减少了生产水泥时CO2的排放量1.08万t，减少了对大气的直接污染。
　　路面平整度、强度、外观等工程质量的提高获得了社会的赞誉，还为公路营运时保障畅通打下了基础。
　　2. 直接经济效益
　　全线75km粉煤灰水泥砼路面使用了2.25万t粉煤灰，为电厂节约存放粉煤灰的资金300万元，减少使用水泥1.08万t，节约工程成本228万元。每1km路面节约工程成本3.04万元，直接获得经济效益7.04万元。
五、结论
　　在水泥砼中适当地掺入粉煤灰后，改善了砼的工作性能，降低了泌水率和水泥水化速度，使之更适合滑模摊铺施工，提高了路面的抗折强度和抗磨性，提高了高速公路工程质量，保护环境，取得了可观的社会效益和经济效益。虽然存在干缩性大、早期强度低等缺陷，但通过合理的技术措施和加强施工管理，这些问题完全可以解决，并不妨碍粉煤灰的使用。粉煤灰水泥砼在高速公路水泥路面工程中值得推广。

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