Ⅱ级粉煤灰在高速公路工程C50及以上混凝土中的应用研究

王俊杰，王生助，伍勇华

（1.西安建筑科技大学材料科学与工程学院 西安 710055 2.云南建投绿色高性能混凝土股份有限公司 云南 昆明 650501）

0 引言

随着云南省交通厅“五纵五横一边两环十二联”高速公路布局已经进入到实施阶段。到2030年，预计将建成高速公路1.45万km，形成25个省际高速公路通道和15个出境高速公路通道。“十三五”期间，建设高速公路6 000km、完成投资6 500亿元，建成4 000km、使全省高速公路通车里程达到8 000km以上[1]。云南省部分地区地处山区或半山区，在交通不便的区域性下原材料品质良莠不齐，而各小型企业加工工艺单一、质量稳定性较差，更缩小了优质材料的供给，对于超过40%高桥隧比的公路工程，关键部位所需的C50及以上混凝土材料规格选择已成为公路工程建设可持续发展路上一道门槛。笔者通过对近年来云南市场粉煤灰调查，通过选用Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰在掺入5%～20%等量替换水泥进行C50、C55混凝土工作性、力学性能、耐久性的研究，结合实际应用案例提出经优化满足质量验收要求的Ⅱ级粉煤灰掺量配比，为云南公路混凝土配合比技术发展提供参考。

1 云南粉煤灰在公路工程使用中存在的问题

1.1 供需不平衡

中国混凝土与水泥制品协会（CCPA）《2017年度粉煤灰行业发展报告》和新修订的GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》标准中明确指出粉煤灰不包括循环流化床锅炉燃烧收集的粉末。而循环流化床灰渣年排量已超过1亿t，占2016年5.65亿t的17.7%，并且环境保护税法将于2018年1月1日正式实施，届时粉煤灰处置和利用不符合国家或地方环境保护标准的，将收取25元/t的环保税，这些都给粉煤灰带来前所未有的供需矛盾[2]。

云南省煤炭资源居全国第八位，全省火力发电厂随煤资源分布，多集中在昆明、曲靖、红河三地。粉煤灰受火力发电厂产能、位置制约，有地域局限性，时空分布不均。据统计，云南省内电厂燃煤锅炉采用四角切圆粉煤炉的F类粉煤灰企业主要有宣威发电有限公司、国电阳宗海发电有限公司（昆明环恒）、云南华电昆明发电有限公司、东源曲靖能源有限公司，2014年总粉煤灰排放量仅为240万t，Ⅱ级粉煤灰不断涨价后依旧供不应求[3]。用于混凝土中的粉煤灰多由昆明、曲靖、宣威、阳宗海四大火电厂生产，据调查资料宣威火电厂2016年年产Ⅰ级粉煤灰35万t，昆明环恒粉煤灰有限责任公司2016年年产Ⅰ级粉煤灰10万t，Ⅱ级粉煤灰30万t，曲靖白水电厂2016年年产Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰共50万t，Ⅰ级粉煤灰辅供白鹤滩电站。云南作为全国第二大水电资源大省，于2001年底首次提出建设“电力强省”，在水利建设上，云南实施“兴水强滇”战略，决定在2010～2020年的10年间总投资超过3 000亿元，到2020年，分期分批建设36座大中型水电站的44个水资源综合利用工程，2016年接入云南电网装机容量突破8 000万kW，达8 037万kW，其中水电装机5 901万kW，火电装机1 262万kW，风电装机682万kW，太阳能装机192万kW。近10年来，水电装机从不足500万千瓦增长到了5 901万kW，目前云南水电占比73.4%，火电占比仅15.7%。近年由于大力兴建水电站，包括溪洛渡水电站、白鹤滩水电站、乌东德水电站、向家坝水电站、小湾水电站等，导致优质粉煤灰需求量大增，优质粉煤灰主要供往水电站建设项目，并且全省水电占比越来越高，火力发电厂出现逐步减少的情况，也导致粉煤灰厂能下降。

1.2 标准规范局限性

在JTG/T F50《公路桥涵施工技术规范》对高性能混凝土所用矿物掺合料技术指标要求应满足细度（≤12%）、需水比（≤100%）、烧失量（≤3.0%）、氧化钙含量（≤10%，硫酸盐侵蚀环境）、氯离子含量（≤0.02%）的Ⅰ级粉煤灰质量要求。结合云南省建科院在省内10余条高速路以及笔者所在公司参建的6条高速路建设期所抽检的原材料指标来看，省内大多数粉煤灰样品关键技术参数，如细度、需水量比、烧失量、SO3含量等关键性能参数能同时达到Ⅰ级粉煤灰质量要求的样品非常少，绝大部分只满足II级粉煤灰的技术要求。以“烧失量”指标为例，如果按照JTG/T F50《公路桥涵施工技术规范》中用于C50及以上混凝土的粉煤灰烧失量不应大于3.0%执行，全省将有52%的粉煤灰被淘汰。如果完全按JTG/T F50《公路桥涵施工技术规范》中C50及以上混凝土控制要求，云南省内绝大部分粉煤灰都不满足要求，不符合云南地材实际质量水平以及供给辐射半径。而某些公路工程必须要求添加粉煤灰，则不能不从较远的地区或者省外采购，不仅增加项目成本，也不符合持续发展综合利用的理念。而部分公路工程限于成本管控，则不考虑使用掺合料，这将导致纯水泥使用后水化热高、早期脆性加剧、体积稳定性和耐久性下降。

在面对地材选择局限性下，云南省交通运输厅工程质量监督局联合云南省建筑科学研究院所下发的《云南省公路工程高性能混凝土应用技术指南》中已经将C50及以上的高性能混凝土选用粉煤灰的级别降低为II级。

2 不同等级粉煤灰在配制C50及以上混凝土的试验研究

2.1 原材料选择

2.1.1 水泥

选用东骏P·O52.5普通硅酸盐水泥，其检测指标见表1。

表1 水泥性能指标

2.1.2 粉煤灰

选用大理城康再生资源有限公司的Ⅱ级粉煤灰和宣威电厂I级粉煤灰，其原材料性能指标见表2，原材料化学成分见表3。

表2 粉煤灰性能指标

表3 粉煤灰化学成分

2.1.3 集料

粗集料选用云南地区博石生态砂石厂生产的5～20mm连续级配碎石，公路压碎指标为20%，含泥量＜1%，细集料选择东川天然河砂，细度模数3.0，含泥量＜3%。

2.1.4 外加剂和水

粗集料选用云南建投高分子有限公司生产的聚羧酸减水剂，固含量为12%，减水率为33%。拌合和养护用水均为试验室自来水。

2.2 研究方案

采用水胶比为0.33的C50以及水胶比为0.31的C55水泥混凝土配比作为基准，将Ⅰ级、Ⅱ级两种粉煤灰以5%递增等量取代水泥，进行18个配合比混凝土拌合物的工作性、力学性能、耐久性能（抗氯离子渗透、抗冻性、抗裂性）检测分析。

2.3 工作性试验分析

Ⅰ、II级粉煤灰对C50、C55工作性及力学性检测数据详见表4。

表4 不同等级粉煤灰对C50及以上混凝土工作性及力学性检测

根据表4试验数据，在一定坍落度范围内，随粉煤灰掺量提高，外加剂掺量降低，这主要由于粉煤灰的滚珠形态效应降低了混凝土集料间的阻力，润滑集料界面后改善了混凝土和易性。而同等粉煤灰掺量下，掺加Ⅱ级粉煤灰的混凝土所用外加剂掺量仅略高于Ⅰ级粉0.01%～0.03%，即形态效应影响差异较小；根据C50检测含气量在2.1±0.1%，C55混凝土含气量在2.5±0.1%，可发现Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰在掺量变动时对混凝土含气量无明显影响。

2.4 力学性能分析

从表4可以看出，随粉煤灰的加入，混凝土的28d强度发展趋势为：纯水泥＞Ⅰ级＞Ⅱ级，但掺量在15%以内时，28d抗压强度相对基准混凝土降幅较小；同等掺量时，在早期强度上Ⅱ级粉煤灰略低于Ⅰ级粉煤灰1%～3%，28d强度略低于2%～5%，但15%掺量时只降低了1.7%。从28d强度来看，粉煤灰混凝土均达到120%以上的合格控制要求，合理选择Ⅱ级粉煤灰掺入比例可降低与Ⅰ级粉煤灰强度差距，这主要是由于粉煤灰微集料填充效应降低了混凝土内部孔隙率，其后期强度发展优于基准混凝土配比。

2.5 耐久性能分析

2.5.1 抗氯离子渗透性

根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》选取电通量法检测混凝土抗氯离子渗透性能。测定直径95mm的试件的电通量Qs（C），并根据JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性检验评定标准》评定抗氯离子渗透等级，详见图1和图2。

从图1和图2可以看出，随着掺入粉煤灰，混凝土抗氯离子渗透性能由大到小为：Ⅰ级＞Ⅱ级＞纯水泥，且随粉煤灰掺量的增加而提高，在超过15%掺量后增加变缓；同掺量时，Ⅱ级粉煤灰对Ⅰ级粉煤灰在电通量上增加幅度为2.2%～5.7%，且在掺量15%时增加较小，增幅在4%以内；掺加Ⅱ级粉煤灰的C50混凝土最大电通量为906C，C55混凝土最大电通量为899C，分别比基准混凝土降低7.3%和2.1%，这主要是因为粉煤灰与水泥水化释放Ca(OH)2持续发生火山灰反应，生成更多的C-S-H凝胶，填充了毛细孔，提高致密性，阻隔了渗透通道。其中掺加Ⅱ级粉煤灰配制的混凝土能满足《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）中电通量低于1000C的Q-Ⅳ级的要求。

图1 C50混凝土6h电通量的变化曲线图

图2 C55混凝土6h电通量的变化曲线图

2.5.2 抗冻性分析

根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》，采用CABR-HDK9全自动混凝土快速冻融试验机进行抗冻试验，详见表5。

根据表5检测数据分析，在进行抗冻试验时，C50和C55混凝土质量损失率均低于＜5%的规范要求，故主要按动弹模量进行抗冻性评判。随着掺入粉煤灰，混凝土抗冻融能力由大到小为：基准＞Ⅰ级＞Ⅱ级，但15%掺量以内优势不大，且随粉煤灰掺量的增加相对动弹性模量降低；相同掺量时，Ⅱ级粉煤灰对Ⅰ级粉煤灰在相对动弹模量上有一定降幅，但在15%掺量时，同比Ⅰ级粉煤灰在降幅平均为3%，在20%掺量以内，掺入Ⅱ级粉煤灰的 C50可达到F150，C55可达F200；同等掺量下，掺合Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰的混凝土抗冻评定级别一致。

2.5.2 抗裂性分析

根据GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》选取平板刀口法，检测掺入Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰混凝土早期抗开裂性，详见图 3～ 图 6。

表5 不同等级粉煤灰对C50及以上混凝土抗冻性检测

图3 C50混凝土总开裂面积c变化曲线图

根据检测数据分析趋势图3和图4可发现，随着掺入粉煤灰，混凝土抗早期开裂能力优越性为Ⅰ级＞Ⅱ级＞基准，且随粉煤灰掺量的增加而提高，且超过5%掺量后优势较明显；相同掺量时，Ⅱ级粉煤灰对Ⅰ级粉煤灰在开裂面积上增加幅度为1.2～5.5%，且在掺量10%时增加较小，增幅在3.3%以内；掺合Ⅱ级粉煤灰的C50最大开裂面积为592mm2/m2，C55最大开裂面积为571mm2/m2，满足《混凝土耐久性检验评定标准》（JGJ/T193-2009）L-Ⅲ级小于700mm2/m2要求，与同掺量下Ⅰ级粉煤灰掺入的C50和C55评级一致。当Ⅱ级粉煤灰掺量为15%时同比纯水泥C50和C55降低开裂面积12%和9.9%，主要是由于粉煤灰的加入降低了混凝土内部水化温升，延缓混凝土水化峰值的出现，早期温度收缩下约束应力变小，提高了抗裂性。

图4 C55混凝土总开裂面积c变化曲线图

图5 掺加15%Ⅰ级粉煤灰C50开裂最大裂缝宽度

图6 掺加10%Ⅱ级粉煤灰C55开裂最大裂缝宽度

3 II级粉煤灰在C50和C55实际应用

云南香丽高速公路洼里别大桥（详见图7）属于全线“六桥八隧一互通”之一的重点控制性工程，也是连续刚构桥。该桥四个主墩及系梁混凝土均采用泵送浇筑，墩柱为C50；现浇箱梁为C55。由于地域性带来的Ⅰ级粉煤灰短缺，拌合站结合当地地材现状，根据施工质量验收要求，进行了掺用Ⅱ级粉煤大量试配检测，并顺利通过了技术验证，施工配合比见表6。

表6 洼里别大桥C50和C55配合比

在实际生产供应中，搅拌站与施工方共取样494组C50和34组C55标准试件，C50平均强度均在59MPa以上，C55平均强度达65MPa以上。而通过抽检材料进行驻地试验监理见证试配,并送当地质检站进行检验，其静弹模量、抗冻性、抗氯离子渗透、抗裂性等耐久性指标均满足桥梁规范设计要求，根据表7检测数据分析，掺入Ⅱ级粉煤灰的C50和C55静弹模量满足L—Ⅲ级，早期抗开裂性能均为L—Ⅲ级，抗氯离子渗透性中均可评定为Q-Ⅳ。

表7 洼里别大桥C50和C55检测数据

随着大桥混凝土顺利浇筑，施工方采用薄膜与大棚双重覆盖，并在浇筑完成后一周内采用蒸汽养护，拆模后，构件外观情况良好，表面气孔很少，无蜂窝麻面情况，表面光滑，色泽均匀，经实体回弹检测的118组数据来看，其C50平均回弹值达到58.9MPa。

由于当地距香丽高速最近的Ⅰ级粉煤灰为宣威电厂，运距有850km，且因供应进站单价为Ⅱ级粉煤灰的2倍以上，而且长途运输路况较复杂，对持续供应稳定性上存在一定风险，通过选择就近的300km内粉煤灰厂家生产的Ⅱ级粉煤灰生产C50和C55混凝土，即满足当地粉煤灰废渣资源可持续利用，同时也带来较好的社会经济效益。

图7 香丽高速洼里别大桥

4 结论

综上分析，与基准纯水泥混凝土相比，C50、C55混凝土中Ⅱ级粉煤灰掺入量在5%～20%范围内时，掺合矿物掺合料的混凝土工作性能、抗氯离子渗透性能和早期抗开裂性得到了显著改善，且随矿物掺合料掺量的增加而提高。掺Ⅰ级、Ⅱ级粉煤灰相比，其抗氯离子渗透性能评定等级、抗裂性能等级和抗冻等级一致，粉煤灰掺量在15%时，Ⅱ级粉煤灰28d抗压强度降低率在1.7%以内，而抗氯离子渗透性降低率在4%以内，抗冻性下降率在3%以内，抗冻融循环下的质量损失率约3%，抗开裂性下降率在5%以内。

通过在云南高速路在建项目工程质量体积和验收分析来看，选用Ⅱ级粉煤灰在适宜掺量下配制C50及以上混凝土，其性能满足现行公路验收标准。面对云南地区日趋严峻的掺合料供应市场，在“五网”建设高速公路大力推进下，结合高性能混凝土应用要求，合理因地选材、充分验证各性能指标，做好综合性、全面性配合比技术的对比试验研究，对推动固废资源在公路工程混凝土中的可持续发展应用具有重大意义。