摘要:
通過試驗與施工表明，在高速公路路面的水泥砼混合料中摻入一定用量的粉煤灰可以改善混合料的性能，且有利于滑模攤鋪施工。闡述了粉煤灰的技術性能和粉煤灰砼的配合比設計，及工程實用效果和取得較好的社會經濟效益。指出了存在的問題和解決辦法。
高速公路水泥混凝土路面滑模攤鋪施工對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，又要提高抗折強度。摻入粉煤灰，是提高水泥混凝土性能的有效技術手段。在常益高速公路路面工程施工過程中，通過相關試驗和施工實踐，對混凝土摻入粉煤灰的性能進行了研究，確定了粉煤灰的技術要求、合適的摻量、配合比設計方法，并提出了改進的措施。
一、室內試驗
1. 粉煤灰的技術要求
粉煤灰是熱電廠的排放場，其堆放不僅占用大量土地，而且污染環境，但若用于建材，會取得較好經濟效益。由于燃燒和回收工藝的不同，粉煤灰的品質也有很大差別。
在水泥混凝土路面工程中要求使用干粉煤灰，要求達到Ⅱ級以上粉煤灰的技術要求，并先采用磨細粉煤灰。可用于混凝土路面的粉煤灰技術要求及我省幾大電廠所產粉煤灰的技術試驗數據如表1。
表1 混凝土路面用粉煤灰的技術要求及試驗結果?
粉煤灰???? 需水量比/%?? 含水量/%?? Loss/%?? SO3/%?? 細度1/%(45um篩)
石門電廠產 94??????????? 0.18?????? 6.14??? 0.49???? 2.1
株洲電廠產 100?????????? 0.11?????? 4.51??? 0.44???? 19.9
湘潭電廠產 100?????????? 0.10?????? 4.88??? 0.11???? 13.1
要求指標 ≤105?????????? ≤1??????? ≤8???? ≤3????? ≤20
Ⅲ級灰各項技術指標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
國內外的理論研究表明，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，從而提高強度。在長常高速公路益常段路面施工中，強制規定每1m3水泥混凝土至少使用360kg水泥。當1m3水泥凝土使用360kg525#普通硅酸鹽水泥、水灰比0.41、砂率37%時，初步確定摻入粉煤灰20kg、25kg、30kg、35kg、40kg、45kg、50kg、55kg進行試配，得出結果是摻入45kg粉煤灰的混凝土綜合性能最佳。此時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計
粉煤灰水泥混凝土的配合比設計根據《粉煤灰混凝土應用技術規范》GBJ146-90規定的超量取代法進行，超量系數取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粘度系數減小，有利于振搗密實；②靜態坍落度變小，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，減小了攤鋪機前進的阻力，減輕了攤鋪機的工作負荷。
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流變學性能的影響所致。在對未摻入粉煤灰的水泥混凝土攤鋪時，為了振動密實，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頻率，同時機器前進的阻力增大，加大了機器的工作負荷。加粉煤灰后，這一矛盾得到了協調統一。
2. 提高抗折強度
滑模攤銷水泥混凝土使用粉煤灰，能提高抗折強度，尤其是使后期強度大幅度提高。長常高速公路益常段使用水泥用量12.5%的Ⅱ級粉煤灰，12個月的抗折強度超過了7.5MPa。試驗結果見表2。
表2 粉煤灰混凝土抗折強度隨齡期的增長
Ⅱ級粉煤灰摻量（kg） 抗折強度（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：在此試驗中，坍落度3～5cm，碎石粒徑5～30mm，砂細度模數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，強度提高越大。
3. 改善抗磨性
水泥混凝土路面的抗磨性與強度成線性正比關系。隨著路面抗折強度的提高，抗磨性也隨之提高。通過對28d齡期的試件進行抗磨性試驗，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比試驗
Ⅱ級粉煤灰摻量/kg 磨耗量/(kg·m-2) 試驗方法? 試驗值 技術要求?
?
1.200???????????? ≤3.6???????? T0527-94?? 45??? 0.923
4. 降低泌水率
由于機械配套的限制，國內滑模攤鋪路面多采用自卸車運輸混合料，在運輸過程中較嚴重的泌水將會導致混合料工作性能降低，并產生卸料困難，降低工作效率，提高勞動強度。摻入粉煤灰可降低混凝土的泌水率，有利于混凝土的運輸。長常高速公路益常段施工中砼運距最遠達25km，沒有因為運輸過程中的混合料泌水影響施工。長常公路三個路面施工承包人均反應益常段路面砼比沒有摻入粉煤灰的長益段容易卸料。
5. 降低水泥水化速度
摻入粉煤灰可降低水泥水化速度，混合料凝結時間延長，有利于高溫季節施工，并有利于遠距離運輸。
三、存在的問題及其處理措施
1. 粉煤灰砼干縮性大，高溫大風季節施工易產生塑性收縮開裂
長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，膠凝材料的總量過多在夏季高溫大風天氣施工容易產生塑性收縮裂縫。研究表明，粉煤灰水泥混凝土在0.57kg/m2·h蒸發率的條件下就會產生塑性收縮裂縫，而普通水泥混凝土則產生塑性收縮裂縫的臨界蒸發率為0.75kg/m2·h，這一點是值得高度重視的。在益常路的路面施工中即遇到此問題，1999年7月某天施工的段落連續產生了縱向塑性收縮裂縫，長的有6m，短的只有30cm，裂縫分布很有規律，大多在距縱向假縫兩側20-50cm處。這樣的分布規律與假縫拉桿的約束有關。
通過一定技術措施，完全可以控制裂縫的產生。在益常路的施工中，在攤鋪成型的砼路面拉毛噴灑養護劑后，馬上用土工布覆蓋，避免烈日的照射，降低蒸發率，并在土工布上灑水，保持濕潤，補充蒸發的水分。另外，還采用了在攤鋪成型路面拉毛噴酒養護劑過后噴酒霧化水的方法來控制裂縫的產生。前者比后者更保險。在施工過程中，要提高對裂縫產生的警惕性，在氣溫大于28℃，或是多風的季節，要做好控制裂縫產生的準備工作。
2. 低溫季節施工易發生施工期斷板和裂縫
粉煤灰水泥砼路面早期強度低，導致發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，板塊早期強度很低，由于板塊內應力和外部因素的影響，產生斷板。益常路路面由于在冬季施工時開放施工交通的時間遠遠遲于28d和加強了施工質量管理，此類型的斷板幾乎沒有發生。
(2) 在兩幅路面連接施工時生斷板。前一幅路面攤鋪后，由于溫度應力的用作，橫向縮縫處大部分斷裂。由于溫度的變化，裂縫通過拉桿向剛施工的、強度偏低的路面傳遞開裂變形，致使剛施工的面板出現大量斷板。此類型斷板在益常路，其中26km的路面中已經出現68塊斷板，超過規范容許值，花費了一定的資金進行處理。其中有一段落的3.75m塊的板塊連續有15塊斷板。這些斷板大多集中產生、分布在幾個路段，都在低溫季節施工時產生的。大部分斷板靠近縮縫位置，顯然也與縮縫傳力桿的約束有關。之所以產生了大量斷板，一是由于承包人沒能及時發現斷板的形成原因；二是管理上的松懈，導致切縫時間延誤和切縫的質量下降。通過采用軟切割技術提早鋸橫縫，并適當加深鋸縫，保證鋸縫質量，解決了此問題。
(3) 在縱向縮縫旁產生裂縫。此裂縫的分布規律與"3.1"所述的裂縫一樣，但形成的機理不一樣。施工氣溫較低時，混凝土強度形成緩慢，由于溫度應力的作用和縱向縮縫拉桿的約束，產生了裂縫。控制裂縫的措施是通過采用軟切割術提早鋸縱縫，或在施工氣溫低于10℃時停止施工。
3. 由于早期強度較低，要加強養生，并延長養生期
長常高速公路益常段的施工經驗是采取雙保險的養生措施，即在施工氣溫高于25℃時，既噴灑養護劑養生，又用麻袋覆蓋養生10d，并在28d內嚴格控制交通。
四、社會經濟效益
1. 社會效益
取得的社會效益主經體現為對環境的貢獻：全線75km粉煤灰水泥砼路面使用了2.25萬t粉煤灰，減少熱電廠用于存放粉煤灰的土地1094畝，保護了土地資源。少用525#水泥1.08萬t，減少了生產水泥時CO2的排放量1.08萬t，減少了對大氣的直接污染。
路面平整度、強度、外觀等工程質量的提高獲得了社會的贊譽，還為公路營運時保障暢通打下了基礎。
2. 直接經濟效益
全線75km粉煤灰水泥砼路面使用了2.25萬t粉煤灰，為電廠節約存放粉煤灰的資金300萬元，減少使用水泥1.08萬t，節約工程成本228萬元。每1km路面節約工程成本3.04萬元，直接獲得經濟效益7.04萬元。
五、結論
在水泥砼中適當地摻入粉煤灰后，改善了砼的工作性能，降低了泌水率和水泥水化速度，使之更適合滑模攤鋪施工，提高了路面的抗折強度和抗磨性，提高了高速公路工程質量，保護環境，取得了可觀的社會效益和經濟效益。雖然存在干縮性大、早期強度低等缺陷，但通過合理的技術措施和加強施工管理，這些問題完全可以解決，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。