Ⅱ級粉煤灰在高速公路工程C50及以上混凝土中的應用研究

王俊杰，王生助，伍勇華

（1.西安建筑科技大學材料科學與工程學院 西安 710055 2.云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司 云南 昆明 650501）

0 引言

隨著云南省交通廳“五縱五橫一邊兩環(huán)十二聯(lián)”高速公路布局已經(jīng)進入到實施階段。到2030年，預計將建成高速公路1.45萬km，形成25個省際高速公路通道和15個出境高速公路通道?！笆濉逼陂g，建設(shè)高速公路6 000km、完成投資6 500億元，建成4 000km、使全省高速公路通車里程達到8 000km以上[1]。云南省部分地區(qū)地處山區(qū)或半山區(qū)，在交通不便的區(qū)域性下原材料品質(zhì)良莠不齊，而各小型企業(yè)加工工藝單一、質(zhì)量穩(wěn)定性較差，更縮小了優(yōu)質(zhì)材料的供給，對于超過40%高橋隧比的公路工程，關(guān)鍵部位所需的C50及以上混凝土材料規(guī)格選擇已成為公路工程建設(shè)可持續(xù)發(fā)展路上一道門檻。筆者通過對近年來云南市場粉煤灰調(diào)查，通過選用Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰在摻入5%～20%等量替換水泥進行C50、C55混凝土工作性、力學性能、耐久性的研究，結(jié)合實際應用案例提出經(jīng)優(yōu)化滿足質(zhì)量驗收要求的Ⅱ級粉煤灰摻量配比，為云南公路混凝土配合比技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 云南粉煤灰在公路工程使用中存在的問題

1.1 供需不平衡

中國混凝土與水泥制品協(xié)會（CCPA）《2017年度粉煤灰行業(yè)發(fā)展報告》和新修訂的GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標準中明確指出粉煤灰不包括循環(huán)流化床鍋爐燃燒收集的粉末。而循環(huán)流化床灰渣年排量已超過1億t，占2016年5.65億t的17.7%，并且環(huán)境保護稅法將于2018年1月1日正式實施，屆時粉煤灰處置和利用不符合國家或地方環(huán)境保護標準的，將收取25元/t的環(huán)保稅，這些都給粉煤灰?guī)砬八从械墓┬杳躘2]。

云南省煤炭資源居全國第八位，全省火力發(fā)電廠隨煤資源分布，多集中在昆明、曲靖、紅河三地。粉煤灰受火力發(fā)電廠產(chǎn)能、位置制約，有地域局限性，時空分布不均。據(jù)統(tǒng)計，云南省內(nèi)電廠燃煤鍋爐采用四角切圓粉煤爐的F類粉煤灰企業(yè)主要有宣威發(fā)電有限公司、國電陽宗海發(fā)電有限公司（昆明環(huán)恒）、云南華電昆明發(fā)電有限公司、東源曲靖能源有限公司，2014年總粉煤灰排放量僅為240萬t，Ⅱ級粉煤灰不斷漲價后依舊供不應求[3]。用于混凝土中的粉煤灰多由昆明、曲靖、宣威、陽宗海四大火電廠生產(chǎn)，據(jù)調(diào)查資料宣威火電廠2016年年產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰35萬t，昆明環(huán)恒粉煤灰有限責任公司2016年年產(chǎn)Ⅰ級粉煤灰10萬t，Ⅱ級粉煤灰30萬t，曲靖白水電廠2016年年產(chǎn)Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰共50萬t，Ⅰ級粉煤灰輔供白鶴灘電站。云南作為全國第二大水電資源大省，于2001年底首次提出建設(shè)“電力強省”，在水利建設(shè)上，云南實施“興水強滇”戰(zhàn)略，決定在2010～2020年的10年間總投資超過3 000億元，到2020年，分期分批建設(shè)36座大中型水電站的44個水資源綜合利用工程，2016年接入云南電網(wǎng)裝機容量突破8 000萬kW，達8 037萬kW，其中水電裝機5 901萬kW，火電裝機1 262萬kW，風電裝機682萬kW，太陽能裝機192萬kW。近10年來，水電裝機從不足500萬千瓦增長到了5 901萬kW，目前云南水電占比73.4%，火電占比僅15.7%。近年由于大力興建水電站，包括溪洛渡水電站、白鶴灘水電站、烏東德水電站、向家壩水電站、小灣水電站等，導致優(yōu)質(zhì)粉煤灰需求量大增，優(yōu)質(zhì)粉煤灰主要供往水電站建設(shè)項目，并且全省水電占比越來越高，火力發(fā)電廠出現(xiàn)逐步減少的情況，也導致粉煤灰廠能下降。

1.2 標準規(guī)范局限性

在JTG/T F50《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對高性能混凝土所用礦物摻合料技術(shù)指標要求應滿足細度（≤12%）、需水比（≤100%）、燒失量（≤3.0%）、氧化鈣含量（≤10%，硫酸鹽侵蝕環(huán)境）、氯離子含量（≤0.02%）的Ⅰ級粉煤灰質(zhì)量要求。結(jié)合云南省建科院在省內(nèi)10余條高速路以及筆者所在公司參建的6條高速路建設(shè)期所抽檢的原材料指標來看，省內(nèi)大多數(shù)粉煤灰樣品關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如細度、需水量比、燒失量、SO3含量等關(guān)鍵性能參數(shù)能同時達到Ⅰ級粉煤灰質(zhì)量要求的樣品非常少，絕大部分只滿足II級粉煤灰的技術(shù)要求。以“燒失量”指標為例，如果按照JTG/T F50《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中用于C50及以上混凝土的粉煤灰燒失量不應大于3.0%執(zhí)行，全省將有52%的粉煤灰被淘汰。如果完全按JTG/T F50《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中C50及以上混凝土控制要求，云南省內(nèi)絕大部分粉煤灰都不滿足要求，不符合云南地材實際質(zhì)量水平以及供給輻射半徑。而某些公路工程必須要求添加粉煤灰，則不能不從較遠的地區(qū)或者省外采購，不僅增加項目成本，也不符合持續(xù)發(fā)展綜合利用的理念。而部分公路工程限于成本管控，則不考慮使用摻合料，這將導致純水泥使用后水化熱高、早期脆性加劇、體積穩(wěn)定性和耐久性下降。

在面對地材選擇局限性下，云南省交通運輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局聯(lián)合云南省建筑科學研究院所下發(fā)的《云南省公路工程高性能混凝土應用技術(shù)指南》中已經(jīng)將C50及以上的高性能混凝土選用粉煤灰的級別降低為II級。

2 不同等級粉煤灰在配制C50及以上混凝土的試驗研究

2.1 原材料選擇

2.1.1 水泥

選用東駿P·O52.5普通硅酸鹽水泥，其檢測指標見表1。

表1 水泥性能指標

2.1.2 粉煤灰

選用大理城康再生資源有限公司的Ⅱ級粉煤灰和宣威電廠I級粉煤灰，其原材料性能指標見表2，原材料化學成分見表3。

表2 粉煤灰性能指標

表3 粉煤灰化學成分

2.1.3 集料

粗集料選用云南地區(qū)博石生態(tài)砂石廠生產(chǎn)的5～20mm連續(xù)級配碎石，公路壓碎指標為20%，含泥量＜1%，細集料選擇東川天然河砂，細度模數(shù)3.0，含泥量＜3%。

2.1.4 外加劑和水

粗集料選用云南建投高分子有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量為12%，減水率為33%。拌合和養(yǎng)護用水均為試驗室自來水。

2.2 研究方案

采用水膠比為0.33的C50以及水膠比為0.31的C55水泥混凝土配比作為基準，將Ⅰ級、Ⅱ級兩種粉煤灰以5%遞增等量取代水泥，進行18個配合比混凝土拌合物的工作性、力學性能、耐久性能（抗氯離子滲透、抗凍性、抗裂性）檢測分析。

2.3 工作性試驗分析

Ⅰ、II級粉煤灰對C50、C55工作性及力學性檢測數(shù)據(jù)詳見表4。

表4 不同等級粉煤灰對C50及以上混凝土工作性及力學性檢測

根據(jù)表4試驗數(shù)據(jù)，在一定坍落度范圍內(nèi)，隨粉煤灰摻量提高，外加劑摻量降低，這主要由于粉煤灰的滾珠形態(tài)效應降低了混凝土集料間的阻力，潤滑集料界面后改善了混凝土和易性。而同等粉煤灰摻量下，摻加Ⅱ級粉煤灰的混凝土所用外加劑摻量僅略高于Ⅰ級粉0.01%～0.03%，即形態(tài)效應影響差異較??；根據(jù)C50檢測含氣量在2.1±0.1%，C55混凝土含氣量在2.5±0.1%，可發(fā)現(xiàn)Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰在摻量變動時對混凝土含氣量無明顯影響。

2.4 力學性能分析

從表4可以看出，隨粉煤灰的加入，混凝土的28d強度發(fā)展趨勢為：純水泥＞Ⅰ級＞Ⅱ級，但摻量在15%以內(nèi)時，28d抗壓強度相對基準混凝土降幅較小；同等摻量時，在早期強度上Ⅱ級粉煤灰略低于Ⅰ級粉煤灰1%～3%，28d強度略低于2%～5%，但15%摻量時只降低了1.7%。從28d強度來看，粉煤灰混凝土均達到120%以上的合格控制要求，合理選擇Ⅱ級粉煤灰摻入比例可降低與Ⅰ級粉煤灰強度差距，這主要是由于粉煤灰微集料填充效應降低了混凝土內(nèi)部孔隙率，其后期強度發(fā)展優(yōu)于基準混凝土配比。

2.5 耐久性能分析

2.5.1 抗氯離子滲透性

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》選取電通量法檢測混凝土抗氯離子滲透性能。測定直徑95mm的試件的電通量Qs（C），并根據(jù)JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》評定抗氯離子滲透等級，詳見圖1和圖2。

從圖1和圖2可以看出，隨著摻入粉煤灰，混凝土抗氯離子滲透性能由大到小為：Ⅰ級＞Ⅱ級＞純水泥，且隨粉煤灰摻量的增加而提高，在超過15%摻量后增加變緩；同摻量時，Ⅱ級粉煤灰對Ⅰ級粉煤灰在電通量上增加幅度為2.2%～5.7%，且在摻量15%時增加較小，增幅在4%以內(nèi)；摻加Ⅱ級粉煤灰的C50混凝土最大電通量為906C，C55混凝土最大電通量為899C，分別比基準混凝土降低7.3%和2.1%，這主要是因為粉煤灰與水泥水化釋放Ca(OH)2持續(xù)發(fā)生火山灰反應，生成更多的C-S-H凝膠，填充了毛細孔，提高致密性，阻隔了滲透通道。其中摻加Ⅱ級粉煤灰配制的混凝土能滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）中電通量低于1000C的Q-Ⅳ級的要求。

圖1 C50混凝土6h電通量的變化曲線圖

圖2 C55混凝土6h電通量的變化曲線圖

2.5.2 抗凍性分析

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》，采用CABR-HDK9全自動混凝土快速凍融試驗機進行抗凍試驗，詳見表5。

根據(jù)表5檢測數(shù)據(jù)分析，在進行抗凍試驗時，C50和C55混凝土質(zhì)量損失率均低于＜5%的規(guī)范要求，故主要按動彈模量進行抗凍性評判。隨著摻入粉煤灰，混凝土抗凍融能力由大到小為：基準＞Ⅰ級＞Ⅱ級，但15%摻量以內(nèi)優(yōu)勢不大，且隨粉煤灰摻量的增加相對動彈性模量降低；相同摻量時，Ⅱ級粉煤灰對Ⅰ級粉煤灰在相對動彈模量上有一定降幅，但在15%摻量時，同比Ⅰ級粉煤灰在降幅平均為3%，在20%摻量以內(nèi)，摻入Ⅱ級粉煤灰的 C50可達到F150，C55可達F200；同等摻量下，摻合Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰的混凝土抗凍評定級別一致。

2.5.2 抗裂性分析

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》選取平板刀口法，檢測摻入Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰混凝土早期抗開裂性，詳見圖 3～ 圖 6。

表5 不同等級粉煤灰對C50及以上混凝土抗凍性檢測

圖3 C50混凝土總開裂面積c變化曲線圖

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析趨勢圖3和圖4可發(fā)現(xiàn)，隨著摻入粉煤灰，混凝土抗早期開裂能力優(yōu)越性為Ⅰ級＞Ⅱ級＞基準，且隨粉煤灰摻量的增加而提高，且超過5%摻量后優(yōu)勢較明顯；相同摻量時，Ⅱ級粉煤灰對Ⅰ級粉煤灰在開裂面積上增加幅度為1.2～5.5%，且在摻量10%時增加較小，增幅在3.3%以內(nèi)；摻合Ⅱ級粉煤灰的C50最大開裂面積為592mm2/m2，C55最大開裂面積為571mm2/m2，滿足《混凝土耐久性檢驗評定標準》（JGJ/T193-2009）L-Ⅲ級小于700mm2/m2要求，與同摻量下Ⅰ級粉煤灰摻入的C50和C55評級一致。當Ⅱ級粉煤灰摻量為15%時同比純水泥C50和C55降低開裂面積12%和9.9%，主要是由于粉煤灰的加入降低了混凝土內(nèi)部水化溫升，延緩混凝土水化峰值的出現(xiàn)，早期溫度收縮下約束應力變小，提高了抗裂性。

圖4 C55混凝土總開裂面積c變化曲線圖

圖5 摻加15%Ⅰ級粉煤灰C50開裂最大裂縫寬度

圖6 摻加10%Ⅱ級粉煤灰C55開裂最大裂縫寬度

3 II級粉煤灰在C50和C55實際應用

云南香麗高速公路洼里別大橋（詳見圖7）屬于全線“六橋八隧一互通”之一的重點控制性工程，也是連續(xù)剛構(gòu)橋。該橋四個主墩及系梁混凝土均采用泵送澆筑，墩柱為C50；現(xiàn)澆箱梁為C55。由于地域性帶來的Ⅰ級粉煤灰短缺，拌合站結(jié)合當?shù)氐夭默F(xiàn)狀，根據(jù)施工質(zhì)量驗收要求，進行了摻用Ⅱ級粉煤大量試配檢測，并順利通過了技術(shù)驗證，施工配合比見表6。

表6 洼里別大橋C50和C55配合比

在實際生產(chǎn)供應中，攪拌站與施工方共取樣494組C50和34組C55標準試件，C50平均強度均在59MPa以上，C55平均強度達65MPa以上。而通過抽檢材料進行駐地試驗監(jiān)理見證試配,并送當?shù)刭|(zhì)檢站進行檢驗，其靜彈模量、抗凍性、抗氯離子滲透、抗裂性等耐久性指標均滿足橋梁規(guī)范設(shè)計要求，根據(jù)表7檢測數(shù)據(jù)分析，摻入Ⅱ級粉煤灰的C50和C55靜彈模量滿足L—Ⅲ級，早期抗開裂性能均為L—Ⅲ級，抗氯離子滲透性中均可評定為Q-Ⅳ。

表7 洼里別大橋C50和C55檢測數(shù)據(jù)

隨著大橋混凝土順利澆筑，施工方采用薄膜與大棚雙重覆蓋，并在澆筑完成后一周內(nèi)采用蒸汽養(yǎng)護，拆模后，構(gòu)件外觀情況良好，表面氣孔很少，無蜂窩麻面情況，表面光滑，色澤均勻，經(jīng)實體回彈檢測的118組數(shù)據(jù)來看，其C50平均回彈值達到58.9MPa。

由于當?shù)鼐嘞沱惛咚僮罱蘑窦壏勖夯覟樾姀S，運距有850km，且因供應進站單價為Ⅱ級粉煤灰的2倍以上，而且長途運輸路況較復雜，對持續(xù)供應穩(wěn)定性上存在一定風險，通過選擇就近的300km內(nèi)粉煤灰廠家生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰生產(chǎn)C50和C55混凝土，即滿足當?shù)胤勖夯覐U渣資源可持續(xù)利用，同時也帶來較好的社會經(jīng)濟效益。

圖7 香麗高速洼里別大橋

4 結(jié)論

綜上分析，與基準純水泥混凝土相比，C50、C55混凝土中Ⅱ級粉煤灰摻入量在5%～20%范圍內(nèi)時，摻合礦物摻合料的混凝土工作性能、抗氯離子滲透性能和早期抗開裂性得到了顯著改善，且隨礦物摻合料摻量的增加而提高。摻Ⅰ級、Ⅱ級粉煤灰相比，其抗氯離子滲透性能評定等級、抗裂性能等級和抗凍等級一致，粉煤灰摻量在15%時，Ⅱ級粉煤灰28d抗壓強度降低率在1.7%以內(nèi)，而抗氯離子滲透性降低率在4%以內(nèi)，抗凍性下降率在3%以內(nèi)，抗凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率約3%，抗開裂性下降率在5%以內(nèi)。

通過在云南高速路在建項目工程質(zhì)量體積和驗收分析來看，選用Ⅱ級粉煤灰在適宜摻量下配制C50及以上混凝土，其性能滿足現(xiàn)行公路驗收標準。面對云南地區(qū)日趨嚴峻的摻合料供應市場，在“五網(wǎng)”建設(shè)高速公路大力推進下，結(jié)合高性能混凝土應用要求，合理因地選材、充分驗證各性能指標，做好綜合性、全面性配合比技術(shù)的對比試驗研究，對推動固廢資源在公路工程混凝土中的可持續(xù)發(fā)展應用具有重大意義。