粉煤灰混凝土在桥梁基础工程中的应用

苏东阳

(河北省东光县公路管理站)

粉煤灰混凝土在桥梁基础工程中的应用

苏东阳

(河北省东光县公路管理站)

利用粉煤灰的特性，在混凝土中加入粉煤灰，不仅能能污染物得到合理处理，还能减少水泥的使用量，降低工程费用，增强混凝土的各项性能，将其应用于桥梁基础工程中，有着广阔的前景。

粉煤灰;混凝土;掺量;水化

1 概述

粉煤灰是煤粉经高温燃烧后形成的一种似火山的灰质混合材料，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。我国是一个以煤炭为主要能源的国家，火力发电基本靠煤。粉煤灰是我国当前排量较大的工业废渣之一，加上电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。粉煤灰如不加处理直接排放，则不仅污染环境，还对人体健康和各类生物造成危害。在普通混凝土中掺加粉煤灰，不仅能使污染物得到合理处理，还能减少水泥的使用量，降低工程费用，增强混凝土的各项性能，将其应用于桥梁基础工程中，有着广阔的前景。

2 粉煤灰混凝土用于桥梁工程的特性分析

2.1 粉煤灰混凝土抗压强度分析

(1)水胶比对粉煤灰混凝土抗压强度的影响。

图1 水胶比对某外加剂粉煤灰混凝土抗压强度的影响

从图1不难看出:在粉煤灰的掺入量相同的情况下，随着水胶比的增加，粉煤灰混凝土抗压强度是逐渐下降的;水胶比相同的情况下，粉煤灰混凝土抗压强度基本都比普通混凝土低。因此，粉煤灰混凝土要获得较大的抗压强度，不仅要选择合适的掺量，而且要使用比普通混凝土更低的水胶比。

(2)粉煤灰掺量对粉煤灰混凝土抗压强度的影响

图2 粉煤灰掺量对某外加剂粉煤灰混凝土60 d抗压强度的影响

从图2可看出:粉煤灰掺量从0% ～27.3%的变化过程中抗压强度是逐渐减小的，掺量为27.3%时达到极小值;由27.3% ～39.1%的变化中，又逐渐增大，在39.1%掺量时得到最大抗压强度;在后续的变化中，抗压强度大体呈逐渐下降趋势。但水胶比较大的粉煤灰混凝土抗压强度下降的更快，即水胶比小的粉煤灰混凝土适应的掺量更大。

2.2 粉煤灰混凝土抗冻耐久性特性

(1)抗冻性

有学者通过研究粉煤灰混凝土的水化作用得出如下结论:含气量和水胶比等都会对其抗冻融性产生影响。混凝土抗冻融的破坏机理是在其中掺用引气剂，其产生的气泡能缓解冻融过程中产生的膨胀压力和渗透压力。若掺用引气剂的量达到一定要求，可使混凝土抗冻融性能提高好几倍。在同等条件下，随着含气量的增大，混凝土抗冻融性能将增强，抗压强度却会降低。随着抗压强度的降低，抗冻融性能也会减弱，所以含气量并不是越大越好，它存在一个最佳范围。因此，最佳范围含气量的确定要通过严格的试验按抗冻指标来确定。

同等条件下，普通混凝土的水灰比愈大，其毛细管越多，吸水率就愈大，其在冻融过程中产生的膨胀力和渗透力也就愈大，其抗冻融性能也就愈差。对于粉煤灰混凝土来说，同样符合上述规律。而从图2中曲线的发展趋势来看，在原材料相同的情况下，较低水胶比的粉煤灰混凝土可获得与普通混凝土相近的抗冻融性能。通过粉煤灰混凝土抗冻耐久性的研究表明:水胶比在0.25～0.27范围内，随着粉煤灰内掺量的提高，不掺引气剂，混凝土抗冻耐久性随粉煤灰增加而增加。

(2)耐久性

在结构混凝土中单纯只使用水泥，不掺粉煤灰等掺和料时，则不具有高性能混凝土的品质，如果要将混凝土配制成将耐久性作为重要基本特征的高性能混凝土，在其水泥水化产物中就必须尽量消除氢氧化钙等大批晶体对混凝土强度、耐久性的损坏。粉煤灰等活性掺合料的成分是SiO2和Al2O3，其能与水反应生成Ca(OH)2，之后还能与Ca(OH)2发生“二次反应”生成水化硫酸钙和水化铝酸钙的胶凝体，而这些生成产物是水泥石中提供强度的主要矿物来源。这就不仅使混凝土的耐久性性能得到了改善，还使得强度得到了提高。

混凝土中细集料填充了粗集料间的空隙，而细集料的空隙则是由水泥浆填充并将它们胶结起来，在混凝土硬化之后，集料均被水泥石包裹。混凝土用的粗集料升温膨胀，而水泥石则升温收缩，这两种不同的胀缩行为会在水泥石与集料的粘结界面产生应力，直至破坏粘结界面，导致混凝土的开裂，而粉煤灰则能增强水泥石与集料的界面粘结能力。

水泥在凝结硬化过程中，由于渗透压力的作用，水泥微粒进一步水化，除继续生成Ca(OH)2及钙矾石外，还会生成大量凝胶。在160～300℃的相对低温阶段开始脱水，使凝胶体组织逐渐致密，混凝土强度将增加。到350～800℃时凝胶中约有85%水分逸出，达到900℃以上时则趋于完全脱水，这种脱去自身结合水的行为，会破坏凝胶体结构，直至开裂，进而导致水泥石强度下降。凝胶层越厚，开裂程度将越大。加入粉煤灰后，水泥水化产生的凝胶体包裹在粉煤灰的表面，从而有效分散凝胶体，减少胶层的厚度，从而降低凝胶体在高温下的开裂程度。粉煤灰颗粒越细，加入的量越多，凝胶层厚度越薄混凝土越不容易开裂。粉煤灰的掺入使硬化混凝土干缩变形较少，提高抗裂性能，从而提高混凝土的耐久性。

由于粉煤灰混凝土具有上述特性，将其用于桥梁工程中，不仅可以变废为宝，减少对环境的污染，还便于工程就地取材，解决材料匮乏问题，降低工程造价，更由于其良好的工程特性，能提高混凝土质量，可以广泛利用于桥梁工程中。

3 工程应用

结合《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)对混凝土有关耐久性的相关要求及关于高性能混凝土的有关观点，该工程可按以下步骤进行设计来确定粉煤灰混凝土的配合比。

(1)混凝土强度等级选择≥C30级，水泥用量不宜低于100 kg/m3，粉煤灰掺量不宜大于60%，利用以上这些条件来确保粉煤灰混凝土的抗碳化性能。

(2)用水量选择宜≤180 kg/m3。

(3)选择粉煤灰掺量分别为20%、30%、40%、50%、60%，选择水胶比分别为 0.3、0.35、0.40、0.45、0.50，通过进行正交试验设计或裂区设计，测试混凝土的和易性及强度，并进行经济指标比较。

(4)以满足和易性为原则确定砂率，粉煤灰掺量增加，砂率减小，砂子减小的体积应等于粉煤灰增加部分的体积。

(5)计算砂石用量。

(6)外加剂掺量以满足混凝土和易性要求为宜，可由胶凝材料的适当比例及水灰比大小确定。

通过以上试验步骤，确定出经济指标最佳，浆体用量在0.3～0.35 m3之间，且和易性满足施工要求的不同强度等级的粉煤灰混凝土，从而得到该处跨线桥挖孔灌注桩粉煤灰混凝土施工配合比及掺量。每方混凝土用量见表1～表3(坍落度分别为180～220 mm、120～160 mm、120～160 mm)。

表1 桩基粉煤灰混凝土材料用量表

表2 系梁、承台粉煤灰混凝土材料用量表

表3 墩柱粉煤灰混凝土材料用量表

经实体工程回弹检测，以上粉煤灰混凝土强度均满足对应的强度等级。

4 总结

经过以上分析，将粉煤灰混凝土的优良性能运用于工程实践中，不仅解决了粉煤灰对环境的污染，降低工程造价，还能提高混凝土性能。通过实验，根据具体工程要求，合理确定应用于桥梁基础工程中的粉煤灰混凝土中的粉煤灰的掺量和配置比，能提高混凝土的抗压强度和抗冻耐久性能，因而在桥梁基础工程中能得到较好的应用。

［1］胡雅群.浅谈粉煤灰对混凝土耐久性的影响［J］.建筑科学，2010，(32):41.

［2］刘爱新.粉煤灰混凝土的性能及其应用［J］.混凝土，2001，(12).

［3］李永祥，王宇，董梦臣.粉煤灰混凝土性能的研究［J］.科学实践，315-316.

U416.217

C

1008-3383(2012)03-0029-02

2012-01-15

苏东阳(1984-)，男，助理工程师，从事桥梁工程施工技术研究。