王俊杰，王生助，伍勇華

（1.西安建筑科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 西安 710055 2.云南建投綠色高性能混凝土股份有限公司 云南 昆明 650501）

0 引言

隨著云南省交通廳“五縱五橫一邊兩環(huán)十二聯(lián)”高速公路布局已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)施階段。到2030年，預(yù)計(jì)將建成高速公路1.45萬(wàn)km，形成25個(gè)省際高速公路通道和15個(gè)出境高速公路通道。“十三五”期間，建設(shè)高速公路6 000km、完成投資6 500億元，建成4 000km、使全省高速公路通車(chē)?yán)锍踢_(dá)到8 000km以上[1]。云南省部分地區(qū)地處山區(qū)或半山區(qū)，在交通不便的區(qū)域性下原材料品質(zhì)良莠不齊，而各小型企業(yè)加工工藝單一、質(zhì)量穩(wěn)定性較差，更縮小了優(yōu)質(zhì)材料的供給，對(duì)于超過(guò)40%高橋隧比的公路工程，關(guān)鍵部位所需的C50及以上混凝土材料規(guī)格選擇已成為公路工程建設(shè)可持續(xù)發(fā)展路上一道門(mén)檻。筆者通過(guò)對(duì)近年來(lái)云南市場(chǎng)粉煤灰調(diào)查，通過(guò)選用Ⅰ、Ⅱ級(jí)粉煤灰在摻入5%～20%等量替換水泥進(jìn)行C50、C55混凝土工作性、力學(xué)性能、耐久性的研究，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用案例提出經(jīng)優(yōu)化滿(mǎn)足質(zhì)量驗(yàn)收要求的Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量配比，為云南公路混凝土配合比技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 云南粉煤灰在公路工程使用中存在的問(wèn)題

1.1 供需不平衡

中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)（CCPA）《2017年度粉煤灰行業(yè)發(fā)展報(bào)告》和新修訂的GB/T1596-2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》標(biāo)準(zhǔn)中明確指出粉煤灰不包括循環(huán)流化床鍋爐燃燒收集的粉末。而循環(huán)流化床灰渣年排量已超過(guò)1億t，占2016年5.65億t的17.7%，并且環(huán)境保護(hù)稅法將于2018年1月1日正式實(shí)施，屆時(shí)粉煤灰處置和利用不符合國(guó)家或地方環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的，將收取25元/t的環(huán)保稅，這些都給粉煤灰?guī)?lái)前所未有的供需矛盾[2]。

云南省煤炭資源居全國(guó)第八位，全省火力發(fā)電廠隨煤資源分布，多集中在昆明、曲靖、紅河三地。粉煤灰受火力發(fā)電廠產(chǎn)能、位置制約，有地域局限性，時(shí)空分布不均。據(jù)統(tǒng)計(jì)，云南省內(nèi)電廠燃煤鍋爐采用四角切圓粉煤爐的F類(lèi)粉煤灰企業(yè)主要有宣威發(fā)電有限公司、國(guó)電陽(yáng)宗海發(fā)電有限公司（昆明環(huán)恒）、云南華電昆明發(fā)電有限公司、東源曲靖能源有限公司，2014年總粉煤灰排放量?jī)H為240萬(wàn)t，Ⅱ級(jí)粉煤灰不斷漲價(jià)后依舊供不應(yīng)求[3]。用于混凝土中的粉煤灰多由昆明、曲靖、宣威、陽(yáng)宗海四大火電廠生產(chǎn)，據(jù)調(diào)查資料宣威火電廠2016年年產(chǎn)Ⅰ級(jí)粉煤灰35萬(wàn)t，昆明環(huán)恒粉煤灰有限責(zé)任公司2016年年產(chǎn)Ⅰ級(jí)粉煤灰10萬(wàn)t，Ⅱ級(jí)粉煤灰30萬(wàn)t，曲靖白水電廠2016年年產(chǎn)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)粉煤灰共50萬(wàn)t，Ⅰ級(jí)粉煤灰輔供白鶴灘電站。云南作為全國(guó)第二大水電資源大省，于2001年底首次提出建設(shè)“電力強(qiáng)省”，在水利建設(shè)上，云南實(shí)施“興水強(qiáng)滇”戰(zhàn)略，決定在2010～2020年的10年間總投資超過(guò)3 000億元，到2020年，分期分批建設(shè)36座大中型水電站的44個(gè)水資源綜合利用工程，2016年接入云南電網(wǎng)裝機(jī)容量突破8 000萬(wàn)kW，達(dá)8 037萬(wàn)kW，其中水電裝機(jī)5 901萬(wàn)kW，火電裝機(jī)1 262萬(wàn)kW，風(fēng)電裝機(jī)682萬(wàn)kW，太陽(yáng)能裝機(jī)192萬(wàn)kW。近10年來(lái)，水電裝機(jī)從不足500萬(wàn)千瓦增長(zhǎng)到了5 901萬(wàn)kW，目前云南水電占比73.4%，火電占比僅15.7%。近年由于大力興建水電站，包括溪洛渡水電站、白鶴灘水電站、烏東德水電站、向家壩水電站、小灣水電站等，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)粉煤灰需求量大增，優(yōu)質(zhì)粉煤灰主要供往水電站建設(shè)項(xiàng)目，并且全省水電占比越來(lái)越高，火力發(fā)電廠出現(xiàn)逐步減少的情況，也導(dǎo)致粉煤灰廠能下降。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范局限性

在JTG/T F50《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)高性能混凝土所用礦物摻合料技術(shù)指標(biāo)要求應(yīng)滿(mǎn)足細(xì)度（≤12%）、需水比（≤100%）、燒失量（≤3.0%）、氧化鈣含量（≤10%，硫酸鹽侵蝕環(huán)境）、氯離子含量（≤0.02%）的Ⅰ級(jí)粉煤灰質(zhì)量要求。結(jié)合云南省建科院在省內(nèi)10余條高速路以及筆者所在公司參建的6條高速路建設(shè)期所抽檢的原材料指標(biāo)來(lái)看，省內(nèi)大多數(shù)粉煤灰樣品關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，如細(xì)度、需水量比、燒失量、SO3含量等關(guān)鍵性能參數(shù)能同時(shí)達(dá)到Ⅰ級(jí)粉煤灰質(zhì)量要求的樣品非常少，絕大部分只滿(mǎn)足II級(jí)粉煤灰的技術(shù)要求。以“燒失量”指標(biāo)為例，如果按照J(rèn)TG/T F50《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中用于C50及以上混凝土的粉煤灰燒失量不應(yīng)大于3.0%執(zhí)行，全省將有52%的粉煤灰被淘汰。如果完全按JTG/T F50《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中C50及以上混凝土控制要求，云南省內(nèi)絕大部分粉煤灰都不滿(mǎn)足要求，不符合云南地材實(shí)際質(zhì)量水平以及供給輻射半徑。而某些公路工程必須要求添加粉煤灰，則不能不從較遠(yuǎn)的地區(qū)或者省外采購(gòu)，不僅增加項(xiàng)目成本，也不符合持續(xù)發(fā)展綜合利用的理念。而部分公路工程限于成本管控，則不考慮使用摻合料，這將導(dǎo)致純水泥使用后水化熱高、早期脆性加劇、體積穩(wěn)定性和耐久性下降。

在面對(duì)地材選擇局限性下，云南省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局聯(lián)合云南省建筑科學(xué)研究院所下發(fā)的《云南省公路工程高性能混凝土應(yīng)用技術(shù)指南》中已經(jīng)將C50及以上的高性能混凝土選用粉煤灰的級(jí)別降低為II級(jí)。

2 不同等級(jí)粉煤灰在配制C50及以上混凝土的試驗(yàn)研究

2.1 原材料選擇

2.1.1 水泥

選用東駿P·O52.5普通硅酸鹽水泥，其檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

2.1.2 粉煤灰

選用大理城康再生資源有限公司的Ⅱ級(jí)粉煤灰和宣威電廠I級(jí)粉煤灰，其原材料性能指標(biāo)見(jiàn)表2，原材料化學(xué)成分見(jiàn)表3。

表2 粉煤灰性能指標(biāo)

表3 粉煤灰化學(xué)成分

2.1.3 集料

粗集料選用云南地區(qū)博石生態(tài)砂石廠生產(chǎn)的5～20mm連續(xù)級(jí)配碎石，公路壓碎指標(biāo)為20%，含泥量＜1%，細(xì)集料選擇東川天然河砂，細(xì)度模數(shù)3.0，含泥量＜3%。

2.1.4 外加劑和水

粗集料選用云南建投高分子有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量為12%，減水率為33%。拌合和養(yǎng)護(hù)用水均為試驗(yàn)室自來(lái)水。

2.2 研究方案

采用水膠比為0.33的C50以及水膠比為0.31的C55水泥混凝土配比作為基準(zhǔn)，將Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)兩種粉煤灰以5%遞增等量取代水泥，進(jìn)行18個(gè)配合比混凝土拌合物的工作性、力學(xué)性能、耐久性能（抗氯離子滲透、抗凍性、抗裂性）檢測(cè)分析。

2.3 工作性試驗(yàn)分析

Ⅰ、II級(jí)粉煤灰對(duì)C50、C55工作性及力學(xué)性檢測(cè)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表4。

表4 不同等級(jí)粉煤灰對(duì)C50及以上混凝土工作性及力學(xué)性檢測(cè)

根據(jù)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在一定坍落度范圍內(nèi)，隨粉煤灰摻量提高，外加劑摻量降低，這主要由于粉煤灰的滾珠形態(tài)效應(yīng)降低了混凝土集料間的阻力，潤(rùn)滑集料界面后改善了混凝土和易性。而同等粉煤灰摻量下，摻加Ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土所用外加劑摻量?jī)H略高于Ⅰ級(jí)粉0.01%～0.03%，即形態(tài)效應(yīng)影響差異較??；根據(jù)C50檢測(cè)含氣量在2.1±0.1%，C55混凝土含氣量在2.5±0.1%，可發(fā)現(xiàn)Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)粉煤灰在摻量變動(dòng)時(shí)對(duì)混凝土含氣量無(wú)明顯影響。

2.4 力學(xué)性能分析

從表4可以看出，隨粉煤灰的加入，混凝土的28d強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)為：純水泥＞Ⅰ級(jí)＞Ⅱ級(jí)，但摻量在15%以?xún)?nèi)時(shí)，28d抗壓強(qiáng)度相對(duì)基準(zhǔn)混凝土降幅較小；同等摻量時(shí)，在早期強(qiáng)度上Ⅱ級(jí)粉煤灰略低于Ⅰ級(jí)粉煤灰1%～3%，28d強(qiáng)度略低于2%～5%，但15%摻量時(shí)只降低了1.7%。從28d強(qiáng)度來(lái)看，粉煤灰混凝土均達(dá)到120%以上的合格控制要求，合理選擇Ⅱ級(jí)粉煤灰摻入比例可降低與Ⅰ級(jí)粉煤灰強(qiáng)度差距，這主要是由于粉煤灰微集料填充效應(yīng)降低了混凝土內(nèi)部孔隙率，其后期強(qiáng)度發(fā)展優(yōu)于基準(zhǔn)混凝土配比。

2.5 耐久性能分析

2.5.1 抗氯離子滲透性

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》選取電通量法檢測(cè)混凝土抗氯離子滲透性能。測(cè)定直徑95mm的試件的電通量Qs（C），并根據(jù)JGJ/T 193-2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》評(píng)定抗氯離子滲透等級(jí)，詳見(jiàn)圖1和圖2。

從圖1和圖2可以看出，隨著摻入粉煤灰，混凝土抗氯離子滲透性能由大到小為：Ⅰ級(jí)＞Ⅱ級(jí)＞純水泥，且隨粉煤灰摻量的增加而提高，在超過(guò)15%摻量后增加變緩；同摻量時(shí)，Ⅱ級(jí)粉煤灰對(duì)Ⅰ級(jí)粉煤灰在電通量上增加幅度為2.2%～5.7%，且在摻量15%時(shí)增加較小，增幅在4%以?xún)?nèi)；摻加Ⅱ級(jí)粉煤灰的C50混凝土最大電通量為906C，C55混凝土最大電通量為899C，分別比基準(zhǔn)混凝土降低7.3%和2.1%，這主要是因?yàn)榉勖夯遗c水泥水化釋放Ca(OH)2持續(xù)發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成更多的C-S-H凝膠，填充了毛細(xì)孔，提高致密性，阻隔了滲透通道。其中摻加Ⅱ級(jí)粉煤灰配制的混凝土能滿(mǎn)足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）中電通量低于1000C的Q-Ⅳ級(jí)的要求。

圖1 C50混凝土6h電通量的變化曲線(xiàn)圖

圖2 C55混凝土6h電通量的變化曲線(xiàn)圖

2.5.2 抗凍性分析

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用CABR-HDK9全自動(dòng)混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗凍試驗(yàn)，詳見(jiàn)表5。

根據(jù)表5檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，在進(jìn)行抗凍試驗(yàn)時(shí)，C50和C55混凝土質(zhì)量損失率均低于＜5%的規(guī)范要求，故主要按動(dòng)彈模量進(jìn)行抗凍性評(píng)判。隨著摻入粉煤灰，混凝土抗凍融能力由大到小為：基準(zhǔn)＞Ⅰ級(jí)＞Ⅱ級(jí)，但15%摻量以?xún)?nèi)優(yōu)勢(shì)不大，且隨粉煤灰摻量的增加相對(duì)動(dòng)彈性模量降低；相同摻量時(shí)，Ⅱ級(jí)粉煤灰對(duì)Ⅰ級(jí)粉煤灰在相對(duì)動(dòng)彈模量上有一定降幅，但在15%摻量時(shí)，同比Ⅰ級(jí)粉煤灰在降幅平均為3%，在20%摻量以?xún)?nèi)，摻入Ⅱ級(jí)粉煤灰的 C50可達(dá)到F150，C55可達(dá)F200；同等摻量下，摻合Ⅰ、Ⅱ級(jí)粉煤灰的混凝土抗凍評(píng)定級(jí)別一致。

2.5.2 抗裂性分析

根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》選取平板刀口法，檢測(cè)摻入Ⅰ、Ⅱ級(jí)粉煤灰混凝土早期抗開(kāi)裂性，詳見(jiàn)圖 3～ 圖 6。

表5 不同等級(jí)粉煤灰對(duì)C50及以上混凝土抗凍性檢測(cè)

圖3 C50混凝土總開(kāi)裂面積c變化曲線(xiàn)圖

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析趨勢(shì)圖3和圖4可發(fā)現(xiàn)，隨著摻入粉煤灰，混凝土抗早期開(kāi)裂能力優(yōu)越性為Ⅰ級(jí)＞Ⅱ級(jí)＞基準(zhǔn)，且隨粉煤灰摻量的增加而提高，且超過(guò)5%摻量后優(yōu)勢(shì)較明顯；相同摻量時(shí)，Ⅱ級(jí)粉煤灰對(duì)Ⅰ級(jí)粉煤灰在開(kāi)裂面積上增加幅度為1.2～5.5%，且在摻量10%時(shí)增加較小，增幅在3.3%以?xún)?nèi)；摻合Ⅱ級(jí)粉煤灰的C50最大開(kāi)裂面積為592mm2/m2，C55最大開(kāi)裂面積為571mm2/m2，滿(mǎn)足《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T193-2009）L-Ⅲ級(jí)小于700mm2/m2要求，與同摻量下Ⅰ級(jí)粉煤灰摻入的C50和C55評(píng)級(jí)一致。當(dāng)Ⅱ級(jí)粉煤灰摻量為15%時(shí)同比純水泥C50和C55降低開(kāi)裂面積12%和9.9%，主要是由于粉煤灰的加入降低了混凝土內(nèi)部水化溫升，延緩混凝土水化峰值的出現(xiàn)，早期溫度收縮下約束應(yīng)力變小，提高了抗裂性。

圖4 C55混凝土總開(kāi)裂面積c變化曲線(xiàn)圖

圖5 摻加15%Ⅰ級(jí)粉煤灰C50開(kāi)裂最大裂縫寬度

圖6 摻加10%Ⅱ級(jí)粉煤灰C55開(kāi)裂最大裂縫寬度

3 II級(jí)粉煤灰在C50和C55實(shí)際應(yīng)用

云南香麗高速公路洼里別大橋（詳見(jiàn)圖7）屬于全線(xiàn)“六橋八隧一互通”之一的重點(diǎn)控制性工程，也是連續(xù)剛構(gòu)橋。該橋四個(gè)主墩及系梁混凝土均采用泵送澆筑，墩柱為C50；現(xiàn)澆箱梁為C55。由于地域性帶來(lái)的Ⅰ級(jí)粉煤灰短缺，拌合站結(jié)合當(dāng)?shù)氐夭默F(xiàn)狀，根據(jù)施工質(zhì)量驗(yàn)收要求，進(jìn)行了摻用Ⅱ級(jí)粉煤大量試配檢測(cè)，并順利通過(guò)了技術(shù)驗(yàn)證，施工配合比見(jiàn)表6。

表6 洼里別大橋C50和C55配合比

在實(shí)際生產(chǎn)供應(yīng)中，攪拌站與施工方共取樣494組C50和34組C55標(biāo)準(zhǔn)試件，C50平均強(qiáng)度均在59MPa以上，C55平均強(qiáng)度達(dá)65MPa以上。而通過(guò)抽檢材料進(jìn)行駐地試驗(yàn)監(jiān)理見(jiàn)證試配,并送當(dāng)?shù)刭|(zhì)檢站進(jìn)行檢驗(yàn)，其靜彈模量、抗凍性、抗氯離子滲透、抗裂性等耐久性指標(biāo)均滿(mǎn)足橋梁規(guī)范設(shè)計(jì)要求，根據(jù)表7檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，摻入Ⅱ級(jí)粉煤灰的C50和C55靜彈模量滿(mǎn)足L—Ⅲ級(jí)，早期抗開(kāi)裂性能均為L(zhǎng)—Ⅲ級(jí)，抗氯離子滲透性中均可評(píng)定為Q-Ⅳ。

表7 洼里別大橋C50和C55檢測(cè)數(shù)據(jù)

隨著大橋混凝土順利澆筑，施工方采用薄膜與大棚雙重覆蓋，并在澆筑完成后一周內(nèi)采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，拆模后，構(gòu)件外觀情況良好，表面氣孔很少，無(wú)蜂窩麻面情況，表面光滑，色澤均勻，經(jīng)實(shí)體回彈檢測(cè)的118組數(shù)據(jù)來(lái)看，其C50平均回彈值達(dá)到58.9MPa。

由于當(dāng)?shù)鼐嘞沱惛咚僮罱蘑窦?jí)粉煤灰為宣威電廠，運(yùn)距有850km，且因供應(yīng)進(jìn)站單價(jià)為Ⅱ級(jí)粉煤灰的2倍以上，而且長(zhǎng)途運(yùn)輸路況較復(fù)雜，對(duì)持續(xù)供應(yīng)穩(wěn)定性上存在一定風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)選擇就近的300km內(nèi)粉煤灰廠家生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰生產(chǎn)C50和C55混凝土，即滿(mǎn)足當(dāng)?shù)胤勖夯覐U渣資源可持續(xù)利用，同時(shí)也帶來(lái)較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 香麗高速洼里別大橋

4 結(jié)論

綜上分析，與基準(zhǔn)純水泥混凝土相比，C50、C55混凝土中Ⅱ級(jí)粉煤灰摻入量在5%～20%范圍內(nèi)時(shí)，摻合礦物摻合料的混凝土工作性能、抗氯離子滲透性能和早期抗開(kāi)裂性得到了顯著改善，且隨礦物摻合料摻量的增加而提高。摻Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)粉煤灰相比，其抗氯離子滲透性能評(píng)定等級(jí)、抗裂性能等級(jí)和抗凍等級(jí)一致，粉煤灰摻量在15%時(shí)，Ⅱ級(jí)粉煤灰28d抗壓強(qiáng)度降低率在1.7%以?xún)?nèi)，而抗氯離子滲透性降低率在4%以?xún)?nèi)，抗凍性下降率在3%以?xún)?nèi)，抗凍融循環(huán)下的質(zhì)量損失率約3%，抗開(kāi)裂性下降率在5%以?xún)?nèi)。

通過(guò)在云南高速路在建項(xiàng)目工程質(zhì)量體積和驗(yàn)收分析來(lái)看，選用Ⅱ級(jí)粉煤灰在適宜摻量下配制C50及以上混凝土，其性能滿(mǎn)足現(xiàn)行公路驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。面對(duì)云南地區(qū)日趨嚴(yán)峻的摻合料供應(yīng)市場(chǎng)，在“五網(wǎng)”建設(shè)高速公路大力推進(jìn)下，結(jié)合高性能混凝土應(yīng)用要求，合理因地選材、充分驗(yàn)證各性能指標(biāo)，做好綜合性、全面性配合比技術(shù)的對(duì)比試驗(yàn)研究，對(duì)推動(dòng)固廢資源在公路工程混凝土中的可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用具有重大意義。