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(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山西 太原 030006)
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,綜合國力的提高,我國的基礎(chǔ)建設(shè)項目逐漸增多,城市道路與高速公路作為重要的基建工程項目之一,發(fā)展尤為迅速。我國公路網(wǎng)絡(luò)十分發(fā)達(dá),并且每年以20%以上的速度遞增,為促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了關(guān)鍵性的作用。
隨著技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新,在城市道路及高速公路的建設(shè)過程中,混凝土路面的應(yīng)用越來越多?;炷谅访嬉云涓咝У姆阑阅?、使用壽命長、養(yǎng)護(hù)費用低等優(yōu)點,成為了高等級公路建設(shè)的首選。粉煤灰是混凝土重要的摻合原料之一,在改善混凝土性能和提高混凝土的和易性方面發(fā)揮著重要的作用。而且對節(jié)能環(huán)保和減少水泥用量,提升混凝土性能,都起到了關(guān)鍵的作用。因此,對粉煤灰在水泥混凝土中的應(yīng)用研究十分重要。
城市道路與高速公路是交通運輸?shù)闹匾M成部分,在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中有著重要的作用。當(dāng)前我國的公路普遍采用水泥混凝土進(jìn)行公路路面的鋪設(shè)?;炷烈卜Q為白色路面,是一種高級的路面?;炷谅访婢哂袕?qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、生命周期長、養(yǎng)護(hù)費用低、防滑性強(qiáng)等特點,在壓力情況下分解壓力能力強(qiáng),是適合夜間車輛行駛的高級路面。適合于城市道路及高速公路路面的施工與建設(shè),極具發(fā)展前景[1]。
混凝土路面也存在著一些問題:
(1)水泥消耗量大。由于城市道路與高速公路的路程較長,原料的使用量巨大,其中水泥與水的用量也較大,當(dāng)前每1 km路面水泥用量約為450 t,水的用量在200 t以上。
(2)水泥混凝土路面的接縫較多。由于混凝土在溫濕度變化的條件下會產(chǎn)生一定的形變,可能致使路面起翹。而混凝土結(jié)構(gòu)中的板材對變形的產(chǎn)生具有一定的約束力,當(dāng)約束力持續(xù)增加則會產(chǎn)生裂紋。為了防止裂紋的產(chǎn)生,通?;炷谅访鏁O(shè)置大量的接縫,同時可抵消熱脹冷縮帶來的裂紋。
(3)路面保養(yǎng)維護(hù)較為困難。
(4)施工周期較長。由于水泥的凝結(jié)硬化需要一定的時間,因此混凝土路面施工完成后不能立即投入使用,需要養(yǎng)護(hù)一段時間才能正式開通。
我國是煤炭消耗大國,據(jù)統(tǒng)計,“十二五”末粉煤灰的年排放量為5.7億t。在使用煤炭作為供能原料的工廠中通常會以廢棄物的形式排出,工廠排放的粉煤灰會被排入空氣或水中,既污染空氣,又會造成河水的堵塞。粉煤灰中的化學(xué)毒素進(jìn)入河水中會造成水源污染,若進(jìn)入供水系統(tǒng),則對人類與動植物有所危害,因此粉煤灰是工業(yè)的主要廢棄物與有害物質(zhì)之一。粉煤灰雖然是工業(yè)廢棄物,但與秸稈類似,如加以處理合理利用,可以變廢為寶。粉煤灰作為混凝土的重要摻合原料,可以改善混凝土的性能,降低水泥的使用量,提高混凝土路面的經(jīng)濟(jì)效益,起到固廢利用、環(huán)保減排的作用[2]。
粉煤灰主要化學(xué)組成如表1所示。不同地區(qū)煤炭內(nèi)含有的組成元素不盡相同,其燃燒后產(chǎn)生的粉煤灰成分也不相同,即使是同一煤礦不同位置的煤炭產(chǎn)生的粉煤灰其成分也不相同。粉煤灰中的CaO是水泥水化產(chǎn)物的主要成分,也是凝膠的重要組成部分。當(dāng)粉煤灰中CaO的含量在10%以上時,可以作為水泥的混合材料使用;當(dāng)其中CaO的含量不足10%時,可以作為混凝土的重要摻合原料。作為摻合原料的粉煤灰與水泥結(jié)合后,其與水化合時產(chǎn)生的熱量相對于混合材料要低[3]。
表1 粉煤灰化學(xué)組成及其含量
粉煤灰的應(yīng)用領(lǐng)域為水泥工業(yè)、混凝土工程、建筑施工項目、公路鋪設(shè)、農(nóng)業(yè)肥料、造紙、防火保溫板。由于粉煤灰中含有Fe2O3、Al2O3等金屬氧化物,可以對其回收再利用[4]。在混凝土材料中添加粉煤灰,對于節(jié)省水泥以及其他輔料的使用量都有著重要的作用。使用粉煤灰作為摻合料可以制成不同強(qiáng)度等級的混凝土。
城市道路和高速公路普遍使用水泥混凝土作為鋪設(shè)原料,而粉煤灰作為混凝土的摻合材料可以極大地減少水和水泥的用量,降低原料的成本,提高公路項目的經(jīng)濟(jì)效益。同時粉煤灰本身具有填充、活化等作用,可以有效改善混凝土的性能,具體的改善機(jī)理為:
(1)提高混凝土的和易性。混凝土中加入粉煤灰后,可以有效地減少拌和水泥的用水量。水泥與水的拌和過程中,水泥會變成絮狀結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)不利于水的流動與潤滑作用。而粉煤灰的加入,降低了水的用量,提高了混凝土的流動性、均勻性、潤滑性,這便改善了混凝土的輸送性能,致使混凝土泵送澆筑更加順暢。
(2)提高混凝土強(qiáng)度。粉煤灰中的SiO2、Al2O3與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物都屬于膠質(zhì)體,可以增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度、壽命以及穩(wěn)定性。
(3)提高混凝土的致密性。粉煤灰微粒的顆粒大小相比其他骨料來說非常小,可以調(diào)節(jié)混凝土結(jié)構(gòu)的致密性,減少混凝土出現(xiàn)裂紋的幾率,提高混凝土的抗化學(xué)腐蝕能力。
另外,粉煤灰還可以提高混凝土的抗折性與耐磨性,大大提高混凝土的綜合性能。
粉煤灰是重要的混凝土摻合原料,所配制的混凝土具有和易性好、成本低、強(qiáng)度高、維護(hù)方便等特點,在高等級路面中有著廣泛的應(yīng)用。其具體應(yīng)用以及注意事項有:
(1)粉煤灰的選擇。水泥混凝土路面要求粉煤灰中的CaO含量在10%以下,并且要使用干粉煤灰。濕粉煤灰會影響水泥攪拌的均勻性,易導(dǎo)致結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,不利于混凝土的攪拌。
(2)粉煤灰摻入量的選擇。路面的鋪設(shè)過程中如果使用一般強(qiáng)度等級的水泥,要求粉煤灰摻入量為混凝土總量的30%。如果粉煤灰的量過多,多余的粉煤灰無法與水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),多余的粉煤灰不但無法提高混凝土的強(qiáng)度,還會起到反作用。
(3)粉煤灰與水泥的比例。在路面混凝土的施工過程中,首先按圖紙設(shè)計的強(qiáng)度要求,確定水泥的強(qiáng)度等級以及水泥的使用量。例如,某高速公路項目確定1 m3混凝土中使用360 kg水泥,水泥強(qiáng)度等級為52.5 MPa,水灰比為0.41。試驗計劃摻入5%~15%的粉煤灰,分別按20 kg、25 kg、30 kg、35 kg、40 kg、45 kg、50 kg、55 kg進(jìn)行摻入。摻入后測試混凝土強(qiáng)度,經(jīng)過試驗強(qiáng)度檢測,以45 kg粉煤灰摻合后強(qiáng)度最高,可以達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。計算得知,此時粉煤灰摻合比為12.5%,按此摻入量進(jìn)行粉煤灰的混合摻合[5]。
以某高速公路項目為例,該路段全線長度為75 km,共使用粉煤灰3.2萬t,水泥用量少用了1.5 t,節(jié)約成本約300萬元,減少了水泥生產(chǎn)時CO2的排放量1.38萬t,每1 km路段節(jié)約費用為3萬元,共產(chǎn)生了9.8萬元的經(jīng)濟(jì)效益。另外,工程項目減少了對空氣的污染,粉煤灰作為廢棄物回收再利用,降低了固廢排放量,經(jīng)濟(jì)效益也十分可觀[6]。
粉煤灰應(yīng)用于混凝土路面施工過程中應(yīng)注意的問題有:
(1)在大風(fēng)且溫度較高的天氣施工時,粉煤灰混凝土路面容易收縮產(chǎn)生裂紋,在實際的施工過程中要避免過多的陽光照射,應(yīng)進(jìn)行路面覆蓋以保持路面濕潤,降低水蒸發(fā)的速度。
(2)在路面的冬季施工過程中,容易產(chǎn)生裂縫。分析其原因為:一是冬季施工水泥的硬化速度較慢,要保證水泥充分硬化后才能通車,防止提前通車產(chǎn)生的裂痕。二是冬季施工相鄰兩路段之間的銜接容易出現(xiàn)斷板,需要鋪設(shè)后期進(jìn)行處理。三是如果冬季室外氣溫降到10 ℃以下,要停止施工,避免多路段發(fā)生裂紋,以確保路面的質(zhì)量。
綜上所述,城市道路與高速公路使用高等級混凝土路面施工越來越多。粉煤灰作為重要的混凝土摻合原料,起到了改善混凝土性能,降低施工成本,提高經(jīng)濟(jì)效益的作用。在施工過程中,應(yīng)通過選擇合適的粉煤灰,確定粉煤灰正確用量,設(shè)計粉煤灰與水泥的比例,以改善混凝土的性能,保證混凝土的強(qiáng)度。在施工過程中,還要注意混凝土的開裂以及冬季施工過程中的注意事項,保證混凝土鋪設(shè)路面的施工質(zhì)量。