粉煤灰在大型集装箱堆场重载混凝土路面建设中的应用——以卡拉奇港口堆场为例

朱文彬，计海江

(1.中国港湾工程有限责任公司巴基斯坦办事处，北京 100009；2.深圳市蛇口招商港湾工程有限公司，广东 深圳 518000)

1 研究背景

SAPT集装箱堆场与房建项目位于巴基斯坦卡拉奇港口城市，该集装箱设计堆放场地约80.5 hm2，年设计吞吐能力为310万个标准箱，为巴基斯坦最大的深水港堆场。该项目分为二期建设，一期工程已完工运营，二期工程正在实施。二期项目重载道路的路面类型结构从下往上依次为级配碎石基层、C40钢筋网片混凝土板。根据设计需求的混凝土面层结构类型划分，包含有II型混凝土路面2.63万m2；Ⅵ型混凝土路面2.35万m2；Ⅶ型混凝土路面3.16万m2，混凝土路面总计为8.14万m2。

由于巴基斯坦卡拉奇市属于热带季风气候，干燥少雨。从正在运营的一期项目路面使用情况来看，在动态重力荷载的作用下，道路质量混凝土路面出现了结构贯通裂缝。为合理应对卡拉奇或者类似地区常年高温天气，在动态重型荷载长期作用下，更好地优化、提升混凝土路面的使用舒适性和寿命，在二期项目路面质量混凝土施工时引入粉煤灰，并对引进粉煤灰后的路面质量混凝土的强度、裂缝控制、成本节约进行总结和分析。

2 路面质量混凝土配合比的确定

2.1 路面质量混凝土

定义：根据路面设计规范[1]，路面质量混凝土(PQC)指混凝土设计强度一般≥40 MPa，作为路面结构顶层施工且厚度约为300 mm。

2.2 粉煤灰

粉煤灰，是火力发电厂中粉煤燃烧的副产品。粉煤灰中的主要化学成分是二氧化硅、氧化铝以及钙和铁的氧化物[2，3]。

根据粉煤灰在混凝土的用量可分为大量用途，如路堤、水坝、堤防和堤防的结构填充物；中量用途，如作为掺合水泥的混合物,作为水泥的替代品或混凝土中的矿物掺合料。本文粉煤灰使用性质属于中量用途。

2.3 粉煤灰对路面质量混凝土(PQC)强度的影响

根据粉煤灰对水泥不同替代量，研究混凝土的抗压强度和抗弯强度。粉煤灰部分替代水泥的3种不同替代水平，即10%、20%和30%，在混凝土固化7 d和28 d后测试。准备了多组混凝土抗压强度方模和抗弯强度试验梁，用于确定水灰比为0.40的混凝土抗压强度和抗弯强度，要求抗压强度≥40 MPa，最小抗弯强度为4.5 N/mm2。

(1)养护龄期对抗压强度的影响。从数据可以看出，粉煤灰替代部分水泥量具有较高的初始强度，强度从7 d增加到28 d的增加率比不掺粉煤灰的混凝土低，但满足技术规格书和设计规范的要求，因此粉煤灰可代替部分水泥掺入混凝土。

(2)粉煤灰替代量对路面质量混凝土抗压强度的影响。在水灰比为0.4时，用粉煤灰部分代替了水泥可以在28 d的养护期内达到设计规范的40 MPa抗压强度值。其中，随着粉煤灰在水泥中的掺量由10%到30%变化，路面质量混凝土的终凝强度逐步降低。

(3)粉煤灰替代量对路面质量混凝土抗弯强度的影响。用粉煤灰代替部分水泥掺入混凝土，可以在28 d的养护期内满足路面质量混凝土的抗弯强度值≥4.5 N/mm2。粉煤灰替代量为10%、20%、30%时，路面质量混凝土的抗弯强度呈降低趋势。

2.4 混凝土配合比

(1)水泥及粉煤灰用量要求。当使用普通波特兰水泥(OPC)时，路面质量混凝土中的水泥用量应≥360 kg/m3。如掺入I级粉煤灰作为水泥的部分替代品，则粉煤灰的数量应占水泥重量的20%；而普通波特兰水泥的用量应≥310 kg/m3。

(2)混凝土抗弯强度要求。混凝土抗弯强度应≥4.5 N/mm2(M40级)。混合料设计的目标平均抗弯强度应≥4.5 MPa+1.65×s，其中s是通过对至少30个梁进行测试得出的抗弯强度的标准偏差。

(3)混凝土抗压强度要求。本项目路面质量混凝土的方模抗压强度等级≥40 MPa。使用尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的试块以测试抗压强度，在标准养护环境的干净淡水中固化28 d。轴向施加载荷而无冲击，直到压碎样品。

根据水泥中掺入粉煤灰的比例的试验结果，暂定使用掺入粉煤灰20%的比例作为项目路面质量混凝土配合比，见表1。

表1 混凝土配合比与掺粉煤灰混凝土配合比 kg/m3

本项目路面质量混凝土总方量约为34781 m3，巴基斯坦水泥的市场价为6838卢比/t(约合311元/t)；粉煤灰的市场价格为2600卢比/t(约合118元/t)。由于掺入粉煤灰变更路面混凝土配合比，节约材料成本约53.7万元。

3 粉煤灰对路面质量混凝土的裂缝控制

3.1 部分粉煤灰替换水泥量对混凝土早期开裂敏感性的影响

混凝土裂缝形成存在多种原因，主要为温度变化、结构设计的合理性等[4]。混凝土在硬化过程中胶凝材料水化反应放出大量水化热，混凝土内部温度不断上升，混凝土从内部到外部产生温度差异，会引起混凝土表面的拉应力。后期在降温过程中由于受到基础或相邻结构上的约束，同时会在混凝土内部产生拉应力。温度的降低也会在混凝土表面形成拉应力，当混凝土的抗裂能力低于各种原因产生的拉应力时就会出现裂缝。

根据在水泥中掺入10%、20%、30%粉煤灰量的路面质量混凝土进行试验研究，混凝土初期：1 d、7 d、14 d、28 d、60 d的绝热温升(定义：绝热温升指放热反应物完全转化时所放出的热量可以使物料升高的温度[5])试验结果见表2。

表2 路面质量混凝土绝热温升 ℃

由表2可知，随着部分粉煤灰替换水泥量的增加，混凝土绝热温升逐渐降低，且降低幅度随着粉煤灰占比量增加而增加。在7 d的混凝土养护龄期中，未使用粉煤灰替换水泥的混凝土FA00的绝热温升为70.0 ℃，粉煤灰替换水泥量为20%时，混凝土FA20的绝热温为58.8 ℃，相比FA00降低了11.2 ℃。由此得出结论：部分粉煤灰替换水泥后可大幅降低混凝土结构的绝热温升，其变化规律为绝热温升随着粉煤灰替换水泥量的增加呈现降低趋势，减少了混凝土由于温度应力产生潜在的开裂风险。

3.2 部分粉煤灰替换水泥可降低混凝土的水化热

混凝土中水泥与水发生水化反应产生热效应，即水化反应放热。使用部分粉煤灰替代水泥掺入混凝土中，由于减少了水泥的用量，进一步降低所产生水化热。水化放热程度和速度取决于水泥熟料的矿物成分和粉煤灰替代水泥量。研究表明：若按粉煤灰替代水泥的重量计算，20%粉煤灰替换水泥量可使因水化热产生的绝热温升降低13%左右。部分粉煤灰替换水泥后混凝土减少了水化热，进而结构物由于温度造成的裂缝随之降低。

当然，掺入粉煤灰不但可以改善早期开裂敏感性、降低混凝土的水化热，而且可改善混凝土的耐久性等。所以在二期项目实施的路面质量混凝土适量加入20%的粉煤灰后，实际浇筑后的混凝土表面裂缝较一期项目同类型路面较大地降低，提高了混凝土使用舒适性的性能，减少了后期路面维修的次数及成本。

4 结论

随着粉煤灰掺量的变化，混凝土各项耐久性指标表现出一定的规律性，在20%左右的掺量范围内表现出较其它掺量优异的性质，出现最佳值或分界点。粉煤灰的掺入可大幅降低混凝土结构的绝热温升，且降低幅度随着掺量的增加越加明显，能减少温度应力对混凝土路面带来的潜在开裂风险。

从实施使用效果来看，路面质量混凝土中适量地掺入粉煤灰后，提升了混凝土路面的使用舒适性和寿命，可为类似工程提供参考。