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“五縱五橫一邊兩環十二聯”高速公路布局已經進入到實施階段。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。“十三五”期間，建設高速公路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]。云南省部分地區地處山區或半山區，在交通不便的區域性下原材料品質良莠不齊，而各小型企業加工工藝單一、質量穩定性較差，更縮小了優質材料的供給，對于超過40%高橋隧比的公路工程，關鍵部位所需的C50及以上混凝土材料規格選擇已成為公路工程建設可持續發展路上一道門檻。筆者通過對近年來云南市場粉煤灰調查，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，結合實際應用案例提出經優化滿足質量驗收要求的Ⅱ級粉煤灰摻量配比，為云南公路混凝土配合比技術發展提供參考。

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會（CCPA）《2017年度粉煤灰行業發展報告》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流化床鍋爐燃燒收集的粉末。而循環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境保護標準的，將收取25元/t的環保稅，這些都給粉煤灰帶來前所未有的供需矛盾[2]。

云南省煤炭資源居全國第八位，全省火力發電廠隨煤資源分布，多集中在昆明、曲靖、紅河三地。粉煤灰受火力發電廠產能、位置制約，有地域局限性，時空分布不均。據統計，云南省內電廠燃煤鍋爐采用四角切圓粉煤爐的F類粉煤灰企業主要有宣威發電有限公司、國電陽宗海發電有限公司（昆明環恒）、云南華電昆明發電有限公司、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，據調查資料宣威火電廠2016年年產Ⅰ級粉煤灰35萬t，昆明環恒粉煤灰有限責任公司2016年年產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“電力強省”，在水利建設上，云南實施“興水強滇”戰略，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，導致優質粉煤灰需求量大增，優質粉煤灰主要供往水電站建設項目，并且全省水電占比越來越高，火力發電廠出現逐步減少的情況，也導致粉煤灰廠能下降。

1.2 標準規范局限性

在JTG/T F50《公路橋涵施工技術規范》對高性能混凝土所用礦物摻合料技術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%，硫酸鹽侵蝕環境）、氯離子含量（≤0.02%）的Ⅰ級粉煤灰質量要求。結合云南省建科院在省內10余條高速路以及筆者所在公司參建的6條高速路建設期所抽檢的原材料指標來看，省內大多數粉煤灰樣品關鍵技術參數，如細度、需水量比、燒失量、SO3含量等關鍵性能參數能同時達到Ⅰ級粉煤灰質量要求的樣品非常少，絕大部分只滿足II級粉煤灰的技術要求。以“燒失量”指標為例，如果按照JTG/T F50《公路橋涵施工技術規范》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《公路橋涵施工技術規范》中C50及以上混凝土控制要求，云南省內絕大部分粉煤灰都不滿足要求，不符合云南地材實際質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或者省外采購，不僅增加項目成本，也不符合持續發展綜合利用的理念。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量監督局聯合云南省建筑科學研究院所下發的《云南省公路工程高性能混凝土應用技術指南》中已經將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博石生態砂石廠生產的5～20mm連續級配碎石，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的聚羧酸減水劑，固含量為12%，減水率為33%。拌合和養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據詳見表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

根據表4試驗數據，在一定坍落度范圍內，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%，即形態效應影響差異較小；根據C50檢測含氣量在2.1±0.1%，C55混凝土含氣量在2.5±0.1%，可發現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強度發展趨勢為：純水泥＞Ⅰ級＞Ⅱ級，但摻量在15%以內時，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部孔隙率，其后期強度發展優于基準混凝土配比。

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；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持續發生火山灰反應，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《公路橋涵施工技術規范》（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。

根據表5檢測數據分析，在進行抗凍試驗時，C50和C55混凝土質量損失率均低于＜5%的規范要求，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%摻量以內優勢不大，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，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

根據檢測數據分析趨勢圖3和圖4可發現，隨著摻入粉煤灰，混凝土抗早期開裂能力優越性為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；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部水化溫升，延緩混凝土水化峰值的出現，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，也是連續剛構橋。該橋四個主墩及系梁混凝土均采用泵送澆筑，墩柱為C50；現澆箱梁為C55。由于地域性帶來的Ⅰ級粉煤灰短缺，拌合站結合當地地材現狀，根據施工質量驗收要求，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理見證試配,并送當地質檢站進行檢驗，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范設計要求，根據表7檢測數據分析，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檢測數據

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采用蒸汽養護，拆模后，構件外觀情況良好，表面氣孔很少，無蜂窩麻面情況，表面光滑，色澤均勻，經實體回彈檢測的118組數據來看，其C50平均回彈值達到58.9MPa。

由于當地距香麗高速最近的Ⅰ級粉煤灰為宣威電廠，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，對持續供應穩定性上存在一定風險，通過選擇就近的300km內粉煤灰廠家生產的Ⅱ級粉煤灰生產C50和C55混凝土，即滿足當地粉煤灰廢渣資源可持續利用，同時也帶來較好的社會經濟效益。

圖7 香麗高速洼里別大橋

4 結論

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，而抗氯離子滲透性降低率在4%以內，抗凍性下降率在3%以內，抗凍融循環下的質量損失率約3%，抗開裂性下降率在5%以內。

通過在云南高速路在建項目工程質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，其性能滿足現行公路驗收標準。面對云南地區日趨嚴峻的摻合料供應市場，在“五網”建設高速公路大力推進下，結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發展應用具有重大意義。