粉煤灰在高速公路水泥砼路面中的應(yīng)用

    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 
  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，此類型的斷板幾乎沒有發(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開裂變形，致使剛施工的面板出現(xiàn)大量斷板。此類型斷板在益常路，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。