粉煤灰在公路中的应用

肖小波

(娄底市娄星区公路局,湖南娄底 417000)

近年来,随着道路上交通量和轴载迅速增长,车速不断增加,对混凝土路面结构质量的要求随之提高,工程要求公路水泥混凝土具有早强、高强、低水化热、大流动性、轻质、高密实、高耐久性、成本低、易成型、易养护等特性。

粉煤灰是水泥混凝土中最常使用的掺合料,在没有认识到粉煤灰在水泥混凝土中的重要作用以前,把粉煤灰作为一种工业废料进行利用,后来逐渐认识到粉煤灰作为水泥混凝土的掺合料可以改善水泥混凝土多种性能的优点,粉煤灰的使用率越来越高。为了满足公路混凝土的要求,粉煤灰已广泛应用于公路工程的水泥混凝土中[1-4]。

本文通过调整粉煤灰掺量,试验研究了路面的粉煤灰水泥混凝土的力学性能和部分耐久性,探讨了粉煤灰在路面水泥混凝土应用的可行性。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1)水泥(C):长沙坪塘水泥有限公司生产的太平牌PO42.5水泥,化学成分及主要性能指标见表1和表2。

2)粉煤灰(FA):湘潭电厂生产的Ⅰ级粉煤灰,密度为2.62 g/cm3,比表面积为460m2/kg,需水量比为96%,化学成分见表1。

表1 水泥和粉煤灰的化学成分%

表2 太平牌PO 42.5水泥性能指标

3)砂(S):湘江河砂,级配合格,细度模数2.61,符合Ⅱ区要求。

4)粗骨料(G):碎石,级配合格,符合5～31.5mm的连续级配要求。5)水(W):自来水。

1.2 试验方法

混凝土拌合物性能试验按《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》GB/T20080—2002进行。混凝土力学性能试验按《普通混凝土力学试验方法标准》GB/T50081—2002进行,其中立方体抗压强度试件尺寸为100 mm×100mm×100mm,抗折强度试件尺寸为100 mm×100mm×400mm,试验结果均已乘换算系数。氯离子扩散系数按RCM方法。

2 试验结果和分析

根据公路工程水泥混凝土的相关规范,混凝土的28 d弯拉强度应大于5.0 MPa,坍落度不小于30mm,28 d抗折强度达到5.0 MPa以上。

2.1 路面混凝土的配合比

恒定水胶比为0.4,砂率为0.38,胶凝材料总用量为350 kg/m3不变,仅仅调整粉煤灰掺量,试验测试混凝土的力学性能,部分耐久性,并与基准混凝土进行对比。试验配合比和相关测试结果见表3及图1～图4。

表3 不同粉煤灰掺量下混凝土的配合比和相关性能

图1 不同粉煤灰掺量下混凝土的弯拉强度

图2 不同粉煤灰掺量下混凝土的抗折强度

2.2 试验结果分析

从表3可以看出,当粉煤灰掺量从0增大到40%,混凝土的力学性能几乎都在减小,但仍能满足规范对路面混凝土的要求。28 d弯拉强度降低了15%,且随着掺量的增大降低幅度也不断增大;28 d抗折强度降低了7%;当粉煤灰掺量从0增加到30%时,混凝土28 d抗压强度增大了12%,当其掺量从30%增大到40%时,混凝土28 d抗压强度反而降低了5%,故粉煤灰掺量对混凝土28 d抗压强度的最佳掺量是30%。

图3 不同粉煤灰掺量下混凝土的抗压强度

图4 不同粉煤灰掺量下混凝土的抗氯离子渗透性

粉煤灰对混凝土力学性能的影响原因是:粉煤灰自身几乎不具有水化性能,粉煤灰等量取代水泥,相当于减少了28 d参加水化反应水泥数量,变相增大了水灰比,因此测试28 d强度时会发现随着粉煤灰掺量的增加,混凝土的强度会逐渐降低。另一方面,粉煤灰对于水泥混凝土的有利作用,除了粉煤灰可以作为部分细料起到微填充作用、改善水泥混凝土内部微孔结构外,粉煤灰还可以与水泥水化生成的副产物Ca(OH)2进行反应,消耗Ca(OH)2片状晶体,同时生成硅酸钙类物质,增加水泥混凝土的强度。这一反应由于受到水泥水化反应的限制,一般对早期强度影响不明显,在后期增强效果比较明显[5]。

从表3也可以看出,当粉煤灰掺量从0增大到40%时,混凝土的氯离子扩散系数减小了12%,氯离子扩散系数最大值是4.658×10-12m2/s,根据相关规范要求,抗氯离子渗透性能均达到了较好的水平。粉煤灰从两方面改善了混凝土的抗氯离子渗透性能:①由于其活性效应,通过其反应降低了Ca(OH)2数量,形成二次水化产物C—S—H凝胶,从而改善混凝土孔径分布,增加小孔数量,降低孔隙率、改善界面过渡区结构,提高了混凝土对氯离子扩散的阻碍能力;②由于其对氯离子的初始固化(物理吸附)和二次水化产物的化学固化与物理化学吸附,增强混凝土对氯离子的结合能力,提高了混凝土的抗氯离子渗透能力[6,7]。

3 结论

1)当粉煤灰掺量从0增大到40%时,路面混凝土的各项力学性能基本都有不同程度的减小,其中28 d弯拉强度降低了15%,28 d抗折强度降低了7%,28 d抗压强度的最佳掺量是30%,但这些力学性能指标仍能满足相关规范要求。

2)当粉煤灰掺量从0增大到40%时,混凝土的氯离子扩散系数减小了12%,氯离子扩散系数最大值是4.658×10-12m2/s,根据相关规范要求,抗氯离子渗透性能均达到了较好的水平。

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[6]胡红梅,马保国.矿物功能材料对混凝土氯离子渗透性的影响[J].武汉理工大学学报,2004,26(3):19-22.

[7]Shi C,Stegemann JA,Caldwell R.Effect of supplementary cementing materials on the rapid chloride permeability test(AASHTO T 277 and ASTM C1202)results[J].ACIMaterials,1998,95(4):389-394.