粉煤灰在高等级路面混凝土中的应用分析

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(山西职业技术学院，山西 太原 030006)

引言

随着我国经济的发展，综合国力的提高，我国的基础建设项目逐渐增多，城市道路与高速公路作为重要的基建工程项目之一，发展尤为迅速。我国公路网络十分发达，并且每年以20%以上的速度递增，为促进国民经济的发展起到了关键性的作用。

随着技术的发展与创新，在城市道路及高速公路的建设过程中，混凝土路面的应用越来越多。混凝土路面以其高效的防滑性能、使用寿命长、养护费用低等优点，成为了高等级公路建设的首选。粉煤灰是混凝土重要的掺合原料之一，在改善混凝土性能和提高混凝土的和易性方面发挥着重要的作用。而且对节能环保和减少水泥用量，提升混凝土性能，都起到了关键的作用。因此，对粉煤灰在水泥混凝土中的应用研究十分重要。

1 路面混凝土概述

城市道路与高速公路是交通运输的重要组成部分，在国民经济的发展过程中有着重要的作用。当前我国的公路普遍采用水泥混凝土进行公路路面的铺设。混凝土也称为白色路面，是一种高级的路面。混凝土路面具有强度高、结构稳定、生命周期长、养护费用低、防滑性强等特点，在压力情况下分解压力能力强，是适合夜间车辆行驶的高级路面。适合于城市道路及高速公路路面的施工与建设，极具发展前景[1]。

混凝土路面也存在着一些问题：

(1)水泥消耗量大。由于城市道路与高速公路的路程较长，原料的使用量巨大，其中水泥与水的用量也较大，当前每1 km路面水泥用量约为450 t，水的用量在200 t以上。

(2)水泥混凝土路面的接缝较多。由于混凝土在温湿度变化的条件下会产生一定的形变，可能致使路面起翘。而混凝土结构中的板材对变形的产生具有一定的约束力，当约束力持续增加则会产生裂纹。为了防止裂纹的产生，通常混凝土路面会设置大量的接缝，同时可抵消热胀冷缩带来的裂纹。

(3)路面保养维护较为困难。

(4)施工周期较长。由于水泥的凝结硬化需要一定的时间，因此混凝土路面施工完成后不能立即投入使用，需要养护一段时间才能正式开通。

2 粉煤灰的技术特性

2.1 粉煤灰概述

我国是煤炭消耗大国，据统计，“十二五”末粉煤灰的年排放量为5.7亿t。在使用煤炭作为供能原料的工厂中通常会以废弃物的形式排出，工厂排放的粉煤灰会被排入空气或水中，既污染空气，又会造成河水的堵塞。粉煤灰中的化学毒素进入河水中会造成水源污染，若进入供水系统，则对人类与动植物有所危害，因此粉煤灰是工业的主要废弃物与有害物质之一。粉煤灰虽然是工业废弃物，但与秸秆类似，如加以处理合理利用，可以变废为宝。粉煤灰作为混凝土的重要掺合原料，可以改善混凝土的性能，降低水泥的使用量，提高混凝土路面的经济效益，起到固废利用、环保减排的作用[2]。

2.2 粉煤灰的组成结构

粉煤灰主要化学组成如表1所示。不同地区煤炭内含有的组成元素不尽相同，其燃烧后产生的粉煤灰成分也不相同，即使是同一煤矿不同位置的煤炭产生的粉煤灰其成分也不相同。粉煤灰中的CaO是水泥水化产物的主要成分，也是凝胶的重要组成部分。当粉煤灰中CaO的含量在10%以上时，可以作为水泥的混合材料使用；当其中CaO的含量不足10%时，可以作为混凝土的重要掺合原料。作为掺合原料的粉煤灰与水泥结合后，其与水化合时产生的热量相对于混合材料要低[3]。

表1 粉煤灰化学组成及其含量

2.3 粉煤灰的应用现状

粉煤灰的应用领域为水泥工业、混凝土工程、建筑施工项目、公路铺设、农业肥料、造纸、防火保温板。由于粉煤灰中含有Fe2O3、Al2O3等金属氧化物，可以对其回收再利用[4]。在混凝土材料中添加粉煤灰，对于节省水泥以及其他辅料的使用量都有着重要的作用。使用粉煤灰作为掺合料可以制成不同强度等级的混凝土。

3 粉煤灰在混凝土路面中的应用分析

3.1 粉煤灰在路面混凝土中的改性机理

城市道路和高速公路普遍使用水泥混凝土作为铺设原料，而粉煤灰作为混凝土的掺合材料可以极大地减少水和水泥的用量，降低原料的成本，提高公路项目的经济效益。同时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，具体的改善机理为：

(1)提高混凝土的和易性。混凝土中加入粉煤灰后，可以有效地减少拌和水泥的用水量。水泥与水的拌和过程中，水泥会变成絮状结构，这种结构不利于水的流动与润滑作用。而粉煤灰的加入，降低了水的用量，提高了混凝土的流动性、均匀性、润滑性，这便改善了混凝土的输送性能，致使混凝土泵送浇筑更加顺畅。

(2)提高混凝土强度。粉煤灰中的SiO2、Al2O3与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生反应，反应产物都属于胶质体，可以增强混凝土的强度、寿命以及稳定性。

(3)提高混凝土的致密性。粉煤灰微粒的颗粒大小相比其他骨料来说非常小，可以调节混凝土结构的致密性，减少混凝土出现裂纹的几率，提高混凝土的抗化学腐蚀能力。

另外，粉煤灰还可以提高混凝土的抗折性与耐磨性，大大提高混凝土的综合性能。

3.2 粉煤灰应用于高等级混凝土路面的技术分析

粉煤灰是重要的混凝土掺合原料，所配制的混凝土具有和易性好、成本低、强度高、维护方便等特点，在高等级路面中有着广泛的应用。其具体应用以及注意事项有：

(1)粉煤灰的选择。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。湿粉煤灰会影响水泥搅拌的均匀性，易导致结团现象，不利于混凝土的搅拌。

(2)粉煤灰掺入量的选择。路面的铺设过程中如果使用一般强度等级的水泥，要求粉煤灰掺入量为混凝土总量的30%。如果粉煤灰的量过多，多余的粉煤灰无法与水泥水化产物中的Ca(OH)2发生反应，多余的粉煤灰不但无法提高混凝土的强度，还会起到反作用。

(3)粉煤灰与水泥的比例。在路面混凝土的施工过程中，首先按图纸设计的强度要求，确定水泥的强度等级以及水泥的使用量。例如，某高速公路项目确定1 m3混凝土中使用360 kg水泥，水泥强度等级为52.5 MPa，水灰比为0.41。试验计划掺入5%～15%的粉煤灰，分别按20 kg、25 kg、30 kg、35 kg、40 kg、45 kg、50 kg、55 kg进行掺入。掺入后测试混凝土强度，经过试验强度检测，以45 kg粉煤灰掺合后强度最高，可以达到设计标准。计算得知，此时粉煤灰掺合比为12.5%，按此掺入量进行粉煤灰的混合掺合[5]。

3.3 粉煤灰应用于混凝土路面的经济效益分析

以某高速公路项目为例，该路段全线长度为75 km，共使用粉煤灰3.2万t，水泥用量少用了1.5 t，节约成本约300万元，减少了水泥生产时CO2的排放量1.38万t，每1 km路段节约费用为3万元，共产生了9.8万元的经济效益。另外，工程项目减少了对空气的污染，粉煤灰作为废弃物回收再利用，降低了固废排放量，经济效益也十分可观[6]。

3.4 施工过程中的注意事项

粉煤灰应用于混凝土路面施工过程中应注意的问题有：

(1)在大风且温度较高的天气施工时，粉煤灰混凝土路面容易收缩产生裂纹，在实际的施工过程中要避免过多的阳光照射，应进行路面覆盖以保持路面湿润，降低水蒸发的速度。

(2)在路面的冬季施工过程中，容易产生裂缝。分析其原因为：一是冬季施工水泥的硬化速度较慢，要保证水泥充分硬化后才能通车，防止提前通车产生的裂痕。二是冬季施工相邻两路段之间的衔接容易出现断板，需要铺设后期进行处理。三是如果冬季室外气温降到10 ℃以下，要停止施工，避免多路段发生裂纹，以确保路面的质量。

4 结语

综上所述，城市道路与高速公路使用高等级混凝土路面施工越来越多。粉煤灰作为重要的混凝土掺合原料，起到了改善混凝土性能，降低施工成本，提高经济效益的作用。在施工过程中，应通过选择合适的粉煤灰，确定粉煤灰正确用量，设计粉煤灰与水泥的比例，以改善混凝土的性能，保证混凝土的强度。在施工过程中，还要注意混凝土的开裂以及冬季施工过程中的注意事项，保证混凝土铺设路面的施工质量。