粉煤灰品質對路用混凝土耐磨性的影響分析

李興民（甘肅長達路業有限公司，甘肅 蘭州 730030）

隨著混凝土技術的發展，道路混凝土的抗壓強度、抗彎拉強度等強度指標很容易達到。但是，混凝土路面運營過程中拉毛甚至刻槽等表面紋理極容易被往復的車輛磨蝕掉，造成抗滑性降低、噪聲增加等表面功能逐漸衰減。因此，在道路混凝土配合比設計時必須將混凝土的耐磨性作為一個非常重要的因素來考慮。

由于摻加粉煤灰、礦渣和硅灰等礦物外摻料的混凝土不僅有高的耐久性、高的工作性,而且還有綠色環保的特點，國內外的道路工程師和研究人員對礦物外摻料改善路用混凝土的耐磨性能進行了大量的相關研究。Ukita 等人[1]研究了混凝土中低鈣粉煤灰體積摻量對混凝土的耐磨性的影響，Ghafoori 和Diawara[2]針對硅灰替代細集料的混凝土耐磨性進行了相關試驗。曾陽春等[3]對摻粉煤灰和礦渣的混凝土耐磨性進行了試驗。長安大學研究生袁春毅[4]研究用高摻量磨細礦渣制備高性能路面混凝土，考察了磨細礦渣對道路混凝土耐磨性的影響。其中，粉煤灰具有價格低廉的優勢，在眾多工程中廣泛被應用。

縱觀國內外研究成果，粉煤灰混凝土耐磨性在工程界研究還處于探討階段，此外，粉煤灰混凝土的耐磨性能則還與粉煤灰的品種及品質。粉煤灰取代水泥量的多少等因素有關[5]。本文通過研究摻加不同品質的粉煤灰混凝土的強度、耐磨性能隨其摻量用量的變化規律，考察粉煤灰對混凝土耐磨性的影響，為進一步推廣粉煤灰混凝土在路面工程中的應用提供技術支持。

1 原材料

（1）水泥

本研究選用強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，各項技術指標見表1。

表1 水泥技術指標

（2）粗集料

粗集料為4.75～31.5mm 連續級配的玄武巖，其技術指標見表2。

表2 粗集料技術指標

（3）細集料

細集料采用天然河砂，細度模數為2.83，為中砂，級配符合II區級配要求。其技術指標見表3。

表3 細集料技術性能指標

（4）粉煤灰

分別對選用的I 級粉煤灰和II 級粉煤灰進行了測試，其主要技術指標見4。

表4 粉煤灰主要技術指標

2 方案設計

按照路用混凝土進行基準混凝土配合比設計的基礎上，選擇了5%、15% 和25% 三種摻量的I 級粉煤灰等量取代部分水泥，得到普通基準混凝土(JZ)、摻加I 級粉煤灰(UFA)和普通粉煤灰(FA)混凝土，其配合比見表5。

由于路面混凝土不同于普通混凝土，它既要求混凝土抗折強度高，又要求具有較好的耐磨性能。本文依據《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》(JTG E30-2005)中的水泥混凝土耐磨性試驗方法對基準混凝土和摻粉煤灰的混凝土進行試驗，分別研究了I 級和II 級粉煤灰對道路混凝土強度及其耐磨性的影響。

表5 摻粉煤灰的混凝土配合比/(kg/m3)

3 粉煤灰對混凝土力學性能的影響

a) I 級粉煤灰對混凝土力學性能的影響

對不同摻量的I 級粉煤灰混凝土分別進行7d、14d 和28d 抗壓強度及抗折強度試驗，結果如圖1。

圖1 摻I 級粉煤灰混凝土力學強度

可以看出，摻I 級粉煤灰的混凝土7d 抗壓強度隨著摻量增加而降低；當養護齡期到14d 時，摻I 級粉煤灰混凝土的抗壓強度已經和普通混凝土持平；摻I 級粉煤灰的混凝土28d 抗壓強度均高于普通混凝土。這主要是因為混凝土水化硬化過程早期主要是水泥的水化反應，I 級粉煤灰參與反應較慢，7d 以后粉煤灰的活性成分開始大量與水泥水化產物反應，生成膠凝物質。

摻I 級粉煤灰的混凝土抗折強度高于普通混凝土，其火山灰反應生成的膠凝材料增強了集料和砂漿界面處的粘結，提高了抗折強度；摻I 級粉煤灰混凝土的抗折強度在28d齡期時有所降低，這與其抗壓強度增大，混凝土脆性增加有關，這也可以從各混凝土的壓折比結果得到驗證。隨著I級粉煤灰摻量增加，混凝土壓折比下降，說明混凝土的抗彎拉變形能力得到了增強。此外，還可以發現I 級粉煤灰摻量在15%時，混凝土的抗壓和抗折強度最高。

b）II 級粉煤灰對混凝土力學性能的影響

對不同摻量的II 級粉煤灰混凝土分別進行7d、14d 和28d 抗壓強度及抗折強度試驗，結果見圖2。

圖2 摻II 級粉煤灰混凝土的力學強度

可以看出，混凝土抗壓強度隨II 級粉煤灰的摻量增加呈降低趨勢。摻II 級粉煤灰的混凝土7d和14d 強度均低于不摻粉煤灰的普通混凝土，而其28d 強度和普通混凝土相差不多，這說明粉煤灰的活性效應在混凝土養護后期才發揮了作用。

摻II 級粉煤灰混凝土在各摻量下的7d 和14d 抗折強度均低于普通混凝土，而28d 抗折強度高于普通混凝土。這說明II 級粉煤灰在早期參與反應很少，到14d 后才發生反應。因此，為了使粉煤灰的作用得到發揮，就要求粉煤灰混凝土的養護時間較長。

4 粉煤灰對混凝土耐磨性的影響

摻加不同品質粉煤灰的混凝土單位面積磨損量隨其摻量的變化曲線，見圖3。

圖3 摻粉煤灰混凝土的耐磨性隨摻量的變化

從圖3 可以看出，摻I 級粉煤灰的混凝土比摻II 級粉煤灰的混凝土耐磨性好，這是因為粉煤灰經過機械磨細后，其未破碎的顆粒水化更充分，水化產物更加堅硬耐磨。

在7d 齡期時，摻粉煤灰的混凝土磨耗損失量較高。其中，摻II 級粉煤灰的混凝土磨耗量隨著粉煤灰摻量增加有較大的增大幅度；在粉煤灰摻量為5%和15%時，摻I 級粉煤灰混凝土的磨耗損失量與基準混凝土相當，當摻量增大到25%時，其磨耗損失大于基準混凝土。這主要是因為粉煤灰顆粒與骨料的結合較弱，在磨損作用下粉煤灰顆粒容易脫離骨料，因此即使是摻粉煤灰的混凝土，其早期絕對磨耗值較基準混凝土的高。

在28d 齡期時，摻粉煤灰混凝土的磨耗損失量明顯降低。由于粉煤灰與水泥水化產物發生反應，提高了混凝土強度，同時，混凝土內部結構也更加致密，因此混凝土磨耗損失減小，耐磨性提高。其中，摻I 級粉煤灰的混凝土在粉煤灰摻量為15%時表現出最低的磨損量，混凝土耐磨性較基準混凝土提高了約20%，而高于這個摻量后混凝土的耐磨性改善效果不明顯；摻II 級粉煤灰的混凝土的磨耗損失較基準混凝土低，說明與普通混凝土相比，其耐磨性也得到一定程度的改善。

粉煤灰混凝土耐磨性改善主要是由于粉煤灰的火山灰反應，可在混凝土中與水泥水化產物反應生成膠凝材料，起到增強作用；粉煤灰中含有大量玻璃微珠，“滾珠”作用能起到減水效果，混凝土拌和流動性和粘聚性增強，內部容易達到均勻密實，氣泡、裂紋等原生缺陷少。此外，粉煤灰中的玻璃微珠表面結構特別致密，抗壓強度和彈性模量很高，研究表明[6]，厚壁空心微珠的抗壓強度達到700MPa 以上，彈性模量可達到34.3GPa，這種特性也有助于混凝土抵抗磨耗作用。

5 結論

（1）混凝土強度與耐磨性之間沒有直接關系，并非強度越高其耐磨性越好。

（2）粉煤灰的品質對其抗壓強度和抗折強度的影響差異較為明顯。摻I 級粉煤灰的混凝土抗折強度高于普通混凝土，而早期抗壓強度隨著摻量增加而降低，后期抗壓強度均高于普通混凝土；混凝土抗壓和抗折強度隨II 級粉煤灰的摻量增加呈降低趨勢。

（3）摻I 級粉煤灰的混凝土比摻II 級粉煤灰的混凝土耐磨性好。

（4）在7d 齡期時，摻粉煤灰的混凝土磨耗損失量較高。其中，摻II 級粉煤灰的混凝土磨耗量隨著粉煤灰摻量增加有較大的增大幅度；在粉煤灰摻量為5%和15%時，摻I 級粉煤灰混凝土的磨耗損失量與基準混凝土相當，當摻量增大到25%時，其磨耗損失大于基準混凝土。

（5）在28d 齡期時，摻粉煤灰混凝土的磨耗損失量明顯降低。其中，摻I 級粉煤灰的混凝土在粉煤灰摻量為15%時表現出最低的磨損量，混凝土耐磨性較基準混凝土提高了約20%，而高于這個摻量后混凝土的耐磨性改善效果不明顯；摻II 級粉煤灰的混凝土的磨耗損失較基準混凝土低，與普通混凝土相比，其耐磨性也得到改善。

[1]Ukita K.，Shigematsu S.，Ishic M..Improvements in the Properties of Concrete Utilizing Classified Fly Ash[A].Proceedings of the CANMET/ACI Third International Conference on the Use of Fly Ash,Silica Fume,Slag,and Natural Pozzolans in Concrete[C].Trondheim∶ 1989∶ 219-240

[2]Ghafoori N.，Diawara H..Abrasion Resistance of Fine Aggregate-Replaced Silica Fume Concrete[J].ACI Materials Journal，1999，96(5)∶559-567

[3]曾陽春，鄭克仁，李益進.礦物摻合料對道路混凝土耐磨性的影響及機理[J].鐵道科學與工程學報，2007，4(2)∶ 59-62