李興民（甘肅長(zhǎng)達(dá)路業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

隨著混凝土技術(shù)的發(fā)展，道路混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)很容易達(dá)到。但是，混凝土路面運(yùn)營(yíng)過程中拉毛甚至刻槽等表面紋理極容易被往復(fù)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(shè)計(jì)時(shí)必須將混凝土的耐磨性作為一個(gè)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(huán)保的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外的道路工程師和研究人員對(duì)礦物外摻料改善路用混凝土的耐磨性能進(jìn)行了大量的相關(guān)研究。Ukita 等人[1]研究了混凝土中低鈣粉煤灰體積摻量對(duì)混凝土的耐磨性的影響，Ghafoori 和Diawara[2]針對(duì)硅灰替代細(xì)集料的混凝土耐磨性進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。曾陽春等[3]對(duì)摻粉煤灰和礦渣的混凝土耐磨性進(jìn)行了試驗(yàn)。長(zhǎng)安大學(xué)研究生袁春毅[4]研究用高摻量磨細(xì)礦渣制備高性能路面混凝土，考察了磨細(xì)礦渣對(duì)道路混凝土耐磨性的影響。其中，粉煤灰具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，在眾多工程中廣泛被應(yīng)用。

縱觀國(guó)內(nèi)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(zhì)。粉煤灰取代水泥量的多少等因素有關(guān)[5]。本文通過研究摻加不同品質(zhì)的粉煤灰混凝土的強(qiáng)度、耐磨性能隨其摻量用量的變化規(guī)律，考察粉煤灰對(duì)混凝土耐磨性的影響，為進(jìn)一步推廣粉煤灰混凝土在路面工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 原材料

（1）水泥

本研究選用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水泥技術(shù)指標(biāo)

（2）粗集料

粗集料為4.75～31.5mm 連續(xù)級(jí)配的玄武巖，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

（3）細(xì)集料

細(xì)集料采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)為2.83，為中砂，級(jí)配符合II區(qū)級(jí)配要求。其技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 細(xì)集料技術(shù)性能指標(biāo)

（4）粉煤灰

分別對(duì)選用的I 級(jí)粉煤灰和II 級(jí)粉煤灰進(jìn)行了測(cè)試，其主要技術(shù)指標(biāo)見4。

表4 粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo)

2 方案設(shè)計(jì)

按照路用混凝土進(jìn)行基準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，選擇了5%、15% 和25% 三種摻量的I 級(jí)粉煤灰等量取代部分水泥，得到普通基準(zhǔn)混凝土(JZ)、摻加I 級(jí)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(qiáng)度高，又要求具有較好的耐磨性能。本文依據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)中的水泥混凝土耐磨性試驗(yàn)方法對(duì)基準(zhǔn)混凝土和摻粉煤灰的混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，分別研究了I 級(jí)和II 級(jí)粉煤灰對(duì)道路混凝土強(qiáng)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(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

a) I 級(jí)粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

對(duì)不同摻量的I 級(jí)粉煤灰混凝土分別進(jìn)行7d、14d 和28d 抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1。

圖1 摻I 級(jí)粉煤灰混凝土力學(xué)強(qiáng)度

可以看出，摻I 級(jí)粉煤灰的混凝土7d 抗壓強(qiáng)度隨著摻量增加而降低；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到14d 時(shí)，摻I 級(jí)粉煤灰混凝土的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)和普通混凝土持平；摻I 級(jí)粉煤灰的混凝土28d 抗壓強(qiáng)度均高于普通混凝土。這主要是因?yàn)榛炷了不^程早期主要是水泥的水化反應(yīng)，I 級(jí)粉煤灰參與反應(yīng)較慢，7d 以后粉煤灰的活性成分開始大量與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)。

摻I 級(jí)粉煤灰的混凝土抗折強(qiáng)度高于普通混凝土，其火山灰反應(yīng)生成的膠凝材料增強(qiáng)了集料和砂漿界面處的粘結(jié)，提高了抗折強(qiáng)度；摻I 級(jí)粉煤灰混凝土的抗折強(qiáng)度在28d齡期時(shí)有所降低，這與其抗壓強(qiáng)度增大，混凝土脆性增加有關(guān)，這也可以從各混凝土的壓折比結(jié)果得到驗(yàn)證。隨著I級(jí)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(qiáng)。此外，還可以發(fā)現(xiàn)I 級(jí)粉煤灰摻量在15%時(shí)，混凝土的抗壓和抗折強(qiáng)度最高。

b）II 級(jí)粉煤灰對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

對(duì)不同摻量的II 級(jí)粉煤灰混凝土分別進(jìn)行7d、14d 和28d 抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。

圖2 摻II 級(jí)粉煤灰混凝土的力學(xué)強(qiáng)度

可以看出，混凝土抗壓強(qiáng)度隨II 級(jí)粉煤灰的摻量增加呈降低趨勢(shì)。摻II 級(jí)粉煤灰的混凝土7d和14d 強(qiáng)度均低于不摻粉煤灰的普通混凝土，而其28d 強(qiáng)度和普通混凝土相差不多，這說明粉煤灰的活性效應(yīng)在混凝土養(yǎng)護(hù)后期才發(fā)揮了作用。

摻II 級(jí)粉煤灰混凝土在各摻量下的7d 和14d 抗折強(qiáng)度均低于普通混凝土，而28d 抗折強(qiáng)度高于普通混凝土。這說明II 級(jí)粉煤灰在早期參與反應(yīng)很少，到14d 后才發(fā)生反應(yīng)。因此，為了使粉煤灰的作用得到發(fā)揮，就要求粉煤灰混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)。

4 粉煤灰對(duì)混凝土耐磨性的影響

摻加不同品質(zhì)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(jí)粉煤灰的混凝土比摻II 級(jí)粉煤灰的混凝土耐磨性好，這是因?yàn)榉勖夯医?jīng)過機(jī)械磨細(xì)后，其未破碎的顆粒水化更充分，水化產(chǎn)物更加堅(jiān)硬耐磨。

在7d 齡期時(shí)，摻粉煤灰的混凝土磨耗損失量較高。其中，摻II 級(jí)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(shí)，摻I 級(jí)粉煤灰混凝土的磨耗損失量與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，當(dāng)摻量增大到25%時(shí)，其磨耗損失大于基準(zhǔn)混凝土。這主要是因?yàn)榉勖夯翌w粒與骨料的結(jié)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(duì)磨耗值較基準(zhǔn)混凝土的高。

在28d 齡期時(shí)，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(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，提高了混凝土強(qiáng)度，同時(shí)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jí)粉煤灰的混凝土在粉煤灰摻量為15%時(shí)表現(xiàn)出最低的磨損量，混凝土耐磨性較基準(zhǔn)混凝土提高了約20%，而高于這個(gè)摻量后混凝土的耐磨性改善效果不明顯；摻II 級(jí)粉煤灰的混凝土的磨耗損失較基準(zhǔn)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(yīng)，可在混凝土中與水泥水化產(chǎn)物反應(yīng)生成膠凝材料，起到增強(qiáng)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(dòng)性和粘聚性增強(qiáng)，內(nèi)部容易達(dá)到均勻密實(shí)，氣泡、裂紋等原生缺陷少。此外，粉煤灰中的玻璃微珠表面結(jié)構(gòu)特別致密，抗壓強(qiáng)度和彈性模量很高，研究表明[6]，厚壁空心微珠的抗壓強(qiáng)度達(dá)到700MPa 以上，彈性模量可達(dá)到34.3GPa，這種特性也有助于混凝土抵抗磨耗作用。

5 結(jié)論

（1）混凝土強(qiáng)度與耐磨性之間沒有直接關(guān)系，并非強(qiáng)度越高其耐磨性越好。

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

（3）摻I 級(jí)粉煤灰的混凝土比摻II 級(jí)粉煤灰的混凝土耐磨性好。

（4）在7d 齡期時(shí)，摻粉煤灰的混凝土磨耗損失量較高。其中，摻II 級(jí)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(shí)，摻I 級(jí)粉煤灰混凝土的磨耗損失量與基準(zhǔn)混凝土相當(dāng)，當(dāng)摻量增大到25%時(shí)，其磨耗損失大于基準(zhǔn)混凝土。

（5）在28d 齡期時(shí)，摻粉煤灰混凝土的磨耗損失量明顯降低。其中，摻I 級(jí)粉煤灰的混凝土在粉煤灰摻量為15%時(shí)表現(xiàn)出最低的磨損量，混凝土耐磨性較基準(zhǔn)混凝土提高了約20%，而高于這個(gè)摻量后混凝土的耐磨性改善效果不明顯；摻II 級(jí)粉煤灰的混凝土的磨耗損失較基準(zhǔn)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(jìn).礦物摻合料對(duì)道路混凝土耐磨性的影響及機(jī)理[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，4(2)∶ 59-62