粉煤灰在高等級路面混凝土中的應用分析

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(山西職業(yè)技術學院，山西 太原 030006)

引言

隨著我國經濟的發(fā)展，綜合國力的提高，我國的基礎建設項目逐漸增多，城市道路與高速公路作為重要的基建工程項目之一，發(fā)展尤為迅速。我國公路網絡十分發(fā)達，并且每年以20%以上的速度遞增，為促進國民經濟的發(fā)展起到了關鍵性的作用。

隨著技術的發(fā)展與創(chuàng)新，在城市道路及高速公路的建設過程中，混凝土路面的應用越來越多?；炷谅访嬉云涓咝У姆阑阅?、使用壽命長、養(yǎng)護費用低等優(yōu)點，成為了高等級公路建設的首選。粉煤灰是混凝土重要的摻合原料之一，在改善混凝土性能和提高混凝土的和易性方面發(fā)揮著重要的作用。而且對節(jié)能環(huán)保和減少水泥用量，提升混凝土性能，都起到了關鍵的作用。因此，對粉煤灰在水泥混凝土中的應用研究十分重要。

1 路面混凝土概述

城市道路與高速公路是交通運輸的重要組成部分，在國民經濟的發(fā)展過程中有著重要的作用。當前我國的公路普遍采用水泥混凝土進行公路路面的鋪設?；炷烈卜Q為白色路面，是一種高級的路面。混凝土路面具有強度高、結構穩(wěn)定、生命周期長、養(yǎng)護費用低、防滑性強等特點，在壓力情況下分解壓力能力強，是適合夜間車輛行駛的高級路面。適合于城市道路及高速公路路面的施工與建設，極具發(fā)展前景[1]。

混凝土路面也存在著一些問題：

(1)水泥消耗量大。由于城市道路與高速公路的路程較長，原料的使用量巨大，其中水泥與水的用量也較大，當前每1 km路面水泥用量約為450 t，水的用量在200 t以上。

(2)水泥混凝土路面的接縫較多。由于混凝土在溫濕度變化的條件下會產生一定的形變，可能致使路面起翹。而混凝土結構中的板材對變形的產生具有一定的約束力，當約束力持續(xù)增加則會產生裂紋。為了防止裂紋的產生，通?；炷谅访鏁O置大量的接縫，同時可抵消熱脹冷縮帶來的裂紋。

(3)路面保養(yǎng)維護較為困難。

(4)施工周期較長。由于水泥的凝結硬化需要一定的時間，因此混凝土路面施工完成后不能立即投入使用，需要養(yǎng)護一段時間才能正式開通。

2 粉煤灰的技術特性

2.1 粉煤灰概述

我國是煤炭消耗大國，據統(tǒng)計，“十二五”末粉煤灰的年排放量為5.7億t。在使用煤炭作為供能原料的工廠中通常會以廢棄物的形式排出，工廠排放的粉煤灰會被排入空氣或水中，既污染空氣，又會造成河水的堵塞。粉煤灰中的化學毒素進入河水中會造成水源污染，若進入供水系統(tǒng)，則對人類與動植物有所危害，因此粉煤灰是工業(yè)的主要廢棄物與有害物質之一。粉煤灰雖然是工業(yè)廢棄物，但與秸稈類似，如加以處理合理利用，可以變廢為寶。粉煤灰作為混凝土的重要摻合原料，可以改善混凝土的性能，降低水泥的使用量，提高混凝土路面的經濟效益，起到固廢利用、環(huán)保減排的作用[2]。

2.2 粉煤灰的組成結構

粉煤灰主要化學組成如表1所示。不同地區(qū)煤炭內含有的組成元素不盡相同，其燃燒后產生的粉煤灰成分也不相同，即使是同一煤礦不同位置的煤炭產生的粉煤灰其成分也不相同。粉煤灰中的CaO是水泥水化產物的主要成分，也是凝膠的重要組成部分。當粉煤灰中CaO的含量在10%以上時，可以作為水泥的混合材料使用；當其中CaO的含量不足10%時，可以作為混凝土的重要摻合原料。作為摻合原料的粉煤灰與水泥結合后，其與水化合時產生的熱量相對于混合材料要低[3]。

表1 粉煤灰化學組成及其含量

2.3 粉煤灰的應用現狀

粉煤灰的應用領域為水泥工業(yè)、混凝土工程、建筑施工項目、公路鋪設、農業(yè)肥料、造紙、防火保溫板。由于粉煤灰中含有Fe2O3、Al2O3等金屬氧化物，可以對其回收再利用[4]。在混凝土材料中添加粉煤灰，對于節(jié)省水泥以及其他輔料的使用量都有著重要的作用。使用粉煤灰作為摻合料可以制成不同強度等級的混凝土。

3 粉煤灰在混凝土路面中的應用分析

3.1 粉煤灰在路面混凝土中的改性機理

城市道路和高速公路普遍使用水泥混凝土作為鋪設原料，而粉煤灰作為混凝土的摻合材料可以極大地減少水和水泥的用量，降低原料的成本，提高公路項目的經濟效益。同時粉煤灰本身具有填充、活化等作用，可以有效改善混凝土的性能，具體的改善機理為：

(1)提高混凝土的和易性。混凝土中加入粉煤灰后，可以有效地減少拌和水泥的用水量。水泥與水的拌和過程中，水泥會變成絮狀結構，這種結構不利于水的流動與潤滑作用。而粉煤灰的加入，降低了水的用量，提高了混凝土的流動性、均勻性、潤滑性，這便改善了混凝土的輸送性能，致使混凝土泵送澆筑更加順暢。

(2)提高混凝土強度。粉煤灰中的SiO2、Al2O3與水泥水化產物中的Ca(OH)2發(fā)生反應，反應產物都屬于膠質體，可以增強混凝土的強度、壽命以及穩(wěn)定性。

(3)提高混凝土的致密性。粉煤灰微粒的顆粒大小相比其他骨料來說非常小，可以調節(jié)混凝土結構的致密性，減少混凝土出現裂紋的幾率，提高混凝土的抗化學腐蝕能力。

另外，粉煤灰還可以提高混凝土的抗折性與耐磨性，大大提高混凝土的綜合性能。

3.2 粉煤灰應用于高等級混凝土路面的技術分析

粉煤灰是重要的混凝土摻合原料，所配制的混凝土具有和易性好、成本低、強度高、維護方便等特點，在高等級路面中有著廣泛的應用。其具體應用以及注意事項有：

(1)粉煤灰的選擇。水泥混凝土路面要求粉煤灰中的CaO含量在10%以下，并且要使用干粉煤灰。濕粉煤灰會影響水泥攪拌的均勻性，易導致結團現象，不利于混凝土的攪拌。

(2)粉煤灰摻入量的選擇。路面的鋪設過程中如果使用一般強度等級的水泥，要求粉煤灰摻入量為混凝土總量的30%。如果粉煤灰的量過多，多余的粉煤灰無法與水泥水化產物中的Ca(OH)2發(fā)生反應，多余的粉煤灰不但無法提高混凝土的強度，還會起到反作用。

(3)粉煤灰與水泥的比例。在路面混凝土的施工過程中，首先按圖紙設計的強度要求，確定水泥的強度等級以及水泥的使用量。例如，某高速公路項目確定1 m3混凝土中使用360 kg水泥，水泥強度等級為52.5 MPa，水灰比為0.41。試驗計劃摻入5%～15%的粉煤灰，分別按20 kg、25 kg、30 kg、35 kg、40 kg、45 kg、50 kg、55 kg進行摻入。摻入后測試混凝土強度，經過試驗強度檢測，以45 kg粉煤灰摻合后強度最高，可以達到設計標準。計算得知，此時粉煤灰摻合比為12.5%，按此摻入量進行粉煤灰的混合摻合[5]。

3.3 粉煤灰應用于混凝土路面的經濟效益分析

以某高速公路項目為例，該路段全線長度為75 km，共使用粉煤灰3.2萬t，水泥用量少用了1.5 t，節(jié)約成本約300萬元，減少了水泥生產時CO2的排放量1.38萬t，每1 km路段節(jié)約費用為3萬元，共產生了9.8萬元的經濟效益。另外，工程項目減少了對空氣的污染，粉煤灰作為廢棄物回收再利用，降低了固廢排放量，經濟效益也十分可觀[6]。

3.4 施工過程中的注意事項

粉煤灰應用于混凝土路面施工過程中應注意的問題有：

(1)在大風且溫度較高的天氣施工時，粉煤灰混凝土路面容易收縮產生裂紋，在實際的施工過程中要避免過多的陽光照射，應進行路面覆蓋以保持路面濕潤，降低水蒸發(fā)的速度。

(2)在路面的冬季施工過程中，容易產生裂縫。分析其原因為：一是冬季施工水泥的硬化速度較慢，要保證水泥充分硬化后才能通車，防止提前通車產生的裂痕。二是冬季施工相鄰兩路段之間的銜接容易出現斷板，需要鋪設后期進行處理。三是如果冬季室外氣溫降到10 ℃以下，要停止施工，避免多路段發(fā)生裂紋，以確保路面的質量。

4 結語

綜上所述，城市道路與高速公路使用高等級混凝土路面施工越來越多。粉煤灰作為重要的混凝土摻合原料，起到了改善混凝土性能，降低施工成本，提高經濟效益的作用。在施工過程中，應通過選擇合適的粉煤灰，確定粉煤灰正確用量，設計粉煤灰與水泥的比例，以改善混凝土的性能，保證混凝土的強度。在施工過程中，還要注意混凝土的開裂以及冬季施工過程中的注意事項，保證混凝土鋪設路面的施工質量。