淺談粉煤灰在道路工程中的應用

王 果

（重慶商社（集團）有限公司 404100）

目前粉煤灰在國內外被公認為一種建材資源。在混凝土中摻加粉煤灰己成為國內外一項比較成熟、工藝比較簡單且有明顯節約水泥效果的措施。通常,在混凝土中摻加一噸磨細粉煤灰不僅可代替或節約水泥650kg,而且還能改善水泥混凝土性能,故美國一學者指出,“與其把粉煤灰當作混凝土中的水泥代用品或摻加材料,還不如把它當作混凝土的組成材料,更能反映其實際價值,單純以波特蘭水泥來配制混凝土將步恐龍后塵”。還在60年代,美國等一些國家在混凝土路面工程中摻加20%～30%的粉煤灰所配制的混凝土能取得與硅酸鹽水泥同樣效果,除早期強度略有降低外,其他性能均有提高。

一、我國粉煤灰綜合利用研發現狀

我國是煤炭資源豐富的國家,是世界最大的煤炭生產國和煤炭消費國。以煤為燃料的火力發電迅速,發電量達1.3億千瓦小時,其中火力發電占79.6%,由此而產生的粉煤灰排放量逐年增加,至2002年底,全國粉煤灰排放量1.6億噸,粉煤灰的堆存量達8億多噸,占地20多萬畝,粉煤灰的處置受到整個社會的關注。因此,自從1987年國家把它確立為資源綜合利用突破口以來,如何對粉煤灰資源進行合理有效的利用,成為我國經濟和社會發展的一項長遠戰略方針。粉煤灰是火山灰質材料,它具潛在活性高,礦物體化學穩定性好,顆粒細,有害物質少,可以改善混凝土或砂漿物理性能等優點。綜合利用粉煤灰能夠改善生態環境、變廢為寶、節約能源,具有顯著的社會效益、環境效益、經濟效益,是一項利國、利民、利企業的工作,符合保護土地,合理開發自然資源的基本國策。

概述

粉煤灰在道路混凝土中應用,國內外已有大量的先例:早在50～60年代,國內就用粉煤灰作為混凝土的摻合料修筑過路面,但是不成功。70年代以來,由于粉煤灰的質量提高,在混凝土路面中的應用有所發展。例如北京西門立交橋施工時,摻用30%粉煤灰的混凝土澆筑了一段路面板,使用20多年仍完好;河南焦作在同期也采用摻30%粉煤灰的混凝土鋪筑一段試驗路,據了解使用情況也尚好。到80年代末,廣西南寧—北海的公路采用碾壓混凝土施工了1.1km路面,混凝土中摻用粉煤灰達46%,水泥用量僅為154 與171kgm3 ,混凝土試件的28d抗折強度在4.5～8MPa;180d芯樣的劈裂抗拉試驗折算抗折強度為5.8～7.6MPa,除碾壓外,采用滑模攤鋪工藝施工的 水泥混凝土路面,也因為摻用粉煤灰而取得良好的效果。例如河北省于1992年8～9月采用滑模攤鋪8km天津—高碑店高等級公路,施工中先后從北京用散裝運輸車運送300多t粉煤灰至高碑店工地,以15%～30%摻量加入混凝土,其90d鉆芯劈裂抗拉強度折算成抗折強度,不摻對照組為6MPa;摻15%粉煤灰組6.5MPa;摻30%粉煤灰組達到7MPa。

在國外,一些國家應用粉煤灰于路面混凝土,已有大量工程實例。如在英國,以粉煤灰:水泥為75:25(體積比)的混合膠結料用于路面工程(A483Gresford-Pulford段)。此前,早在1983年,倫敦的第二國際機場就以摻有16%(重量比)粉煤灰的混凝土和不摻 粉煤灰的普通混凝土,鋪筑了兩條相鄰的路面進行對比試驗,經過4年飛機與各種車輛的運行后,摻有粉煤灰的一條車道,表面抗滑構造完好如初;而未摻粉煤灰的一條已經斑斑點點。

二、粉煤灰在混凝土中所起的作用

在水泥砼中適當地摻入粉煤灰后，改善了砼的工作性能，降低了泌水率和水泥水化速度，使之更適合滑模攤鋪施工，提高了路面的抗折強度和抗磨性，提高了高速公路工程質量，保護環境，取得了可觀的社會效益和經濟效益。雖然存在干縮性大、早期強度低等缺陷，但通過合理的技術措施和加強施工管理，這些問題完全可以解決，并不妨礙粉煤灰的使用。粉煤灰水泥砼在高速公路水泥路面工程中值得推廣。

通過幾十年國內外在混凝土利用粉煤灰的大量實踐,似乎應該從宏觀作用到微觀機理都十分清楚了。但實際上,由于應用的局限性,許多問題看來還有進一步認識的必要。 如上所述,粉煤灰作為一種火山灰質混合材,自50年代起就在水泥生產過程中或低標號混凝土中摻用。70年代以來,高效減水劑在國內外得到日益廣泛的應用,這種應用為混凝土技術的發展開辟了廣闊的天地。因為高效減水劑對水泥的強烈分散作用,能使混凝土的水灰比大大降低的直接效果是可以制備出非常密實、強度非常高的混凝土。例如在北歐,摻有高效減水劑和硅粉制備的高強混凝土,抗壓強度達到100～150MPa,鋪筑出可以與花崗石的耐磨耗性能相當的路面,能很好抵擋住冬季嚴寒季節里帶釘輪胎車輛的強烈磨蝕作用。在美國,摻有高效減水劑與硅粉,密實度很高,從而滲透系數很低的混凝土,大量用于橋面板的修補與更新,以抵抗除冰鹽溶液與凍融循環的腐蝕,延長橋梁使用壽命。 從大量有關高強混凝土的研究與實踐中,得到一個重要的啟發:用添加高效減水劑或者其它辦法,把水灰比盡量地降低,就能獲得強度和耐磨耗等耐久性能優良的混凝土。那么摻大量粉煤灰,使膠結料用量顯著增大,并使水灰比盡量減小,是不是也有類似的效果呢

三、摻粉煤灰路面混凝土的性能

路面混凝土與普通混凝土有很大差別。首先,混凝土路面板承受彎拉應力并以混凝土抗折強度為施工與驗收指標,而且國內的路面板一般不配筋;其次,混凝土路面板的暴露面積很大,對其表面有很高的耐磨耗性能要求;再者,由道路的施工特點所決定:路面板常常要在澆筑后很長時間才承受荷載;它所受磨耗作用,是逐漸地向深下里發展的。這種差別決定對路面混凝土要“區別對待”。 路面混凝土可以摻入引氣型減水劑,通過引氣作用和減水作用降低水膠比。上述英國大摻量粉煤灰混凝土(粉煤灰:水泥75:25)道路的鋪筑中正是“因為 摻用了新型的外加劑,解決了引氣作用”(因為在大摻量粉煤灰條件下,通常混凝土引氣較困難,且不容易 穩定)而得到成功。 當然,由于引氣作用使混凝土的含氣量增大,其抗壓強度通常會有降低。但是由于引氣作用形成了大量微小、形狀較規則的氣泡,堵塞了混凝土中的毛細孔,起減小泌水與離析作用;同時在硬化后的混凝土中,由于引氣劑的表面活性作用形成的氣孔有利于減小局部應力集中的薄弱點,因此在抗壓強度降低的同時,混凝土抗折強度不降低或反而提高。

四、水泥混凝土路面材料與工藝存在問題與改進

根據幾十年來國內外對粉煤灰綜合利用發展模式的探索,應該在技術開發引進、資金的運作、人才的培養、制度的建立、信息的互通,橫向協作等方面借鑒經驗。

(1)成立專門機構負責研發與引進、改造。為進一步提高粉煤灰綜合利用率,更大限度地利用廢棄資源,拓寬粉煤灰利用途徑和渠道,開發出高附加值、科技含量高、用灰量大的產品,有必要成立專門的機構負責研發新產品、新技術。同時,粉煤灰綜合利用部門應相互聯系,相互交流粉煤灰綜合利用經驗,取長補短。引進先進技術,對原有綜合利用技術進行改造,節約時間、資金。

(2)相關制度的建立與改善，應在政策、規章等方面給予綜合利用企業寬松的經營環境,調動綜合利用企業的生產經營積極性。深入企業內部,虛心聽取他們在生產經營方面需要解決的實際困難,在各項政策、規章中予以完善,切實為企業解決困難。

(3)領導重視程度,資金傾斜,宣傳力度加大，領導部門對綜合利用的重要性意識增強,重視程度進一步提高,各項政策不斷完善,執行力度不斷擴大。在項目科研和項目投產等方面給予相當的資金傾斜。

(4)及時把握國內外發展動態,加強粉煤灰利用信息技術交流。結合自身的實際情況,放眼于國內外技術信息市場,加強國內外科研機構和企業的聯系互動。一要同國內外大專院校、科研機構建立長期的合作關系,定期進行有目的、有重點的學術和技術交流,二是同有一定創新開發能力的企業進行技術開發與成果實施,共同探討技術開發、引進和消化創新中的問題,三是及時掌握國內外粉煤灰綜合利用動態,避免低水平的重復研究所造成的浪費。

(5)加強粉煤灰綜合利用科技創新系統建設,促進創新系統的要素聯動部分企業雖已建立了粉煤灰綜合利用科技創新系統,但系統的各要素之間相互聯系和互動作用還較弱,企業在該系統中處于核心地位,科研機構、院校主要從事基礎性研究和技術開發研究與技術轉移,為粉煤灰利用提供理論基礎和技術支持,企業則主要是將成熟的粉煤灰技術成果引進并應用于生產實際。目前,必須加強粉煤灰綜合利用的集成創新和整體聯動,促進科研院所和企業的聯動,利用公共政策評價工作,聽取企業的意見,適時調整粉煤灰利用政策。大學、科研機構與綜合利用企業要緊密結合,使大學、科研機構的智力知識資源與企業的資本、資源互為補充,有必要使一部分科研機構進入企業,更為重要的是,大中型企業的綜合利用要建立與院校、科研機構和其它企業對接的技術研發中心,提升自已的研究開發、消化吸收和創新能力。

(6)加強綜合利用企業增強自主創新能力,形成自主知識產權。

(7)加強粉煤灰成果轉化,使粉煤灰成果轉化為現實生產力。目前粉煤灰技術成果很多,但是真正實施的不足一半,加強現有粉煤灰技術成果的轉化實施工作是當務之急,使現有成果經過進一步熟化形成生產能力。從企業在加強成果的再開發創新能力和技術的配套能力上下工夫,使科研機構和院校服務于企業,為企業解決成果的轉化問題。

(8)重視粉煤灰綜合利用人才建設 。人才是粉煤灰綜合利用事業發展的根本,沒有一支高素質的研究開發和管理人才隊伍,這項事業很難長久發展。在人才隊伍建設上,要有大氣派、有戰略眼光,適時引進一批國內外的高級粉煤灰技術研發和創新管理人才,同時加大現有人才的培訓、培養工作,通過多種途徑更新現有人才的知識,提高現有人才的科技開發和創新管理能力。要抓緊制定粉煤灰利用科技人才資源開發和利用規劃,構建吸引人才和發揮人才作用的制度環境,企業要尊重人才,盡快建立人才管理的薪酬、培訓、交流機制,以待遇和事業留住人才,以求提升粉煤灰綜合利用水平。 粉煤灰利用信息交流工作,要發揮電子政務和電子商務為粉煤灰利用服務的功能,進一步加強粉煤灰研究機構間的學術交流,發揮社會中介組織在粉煤灰信息交流中的作用。

（10）粉煤灰的“物盡其用”

如上所述,粉煤灰是一種大宗工業廢料,又是一 種良好的輔助膠凝材料。如何把它作為一種資源,使其得到充分的利用,是個重要的課題。從多年來在路面混凝土中應用粉煤灰的過程中,體會到粉煤灰作為路面混凝土的輔助膠凝材料,或者更廣泛一些,作為混凝土的輔助膠凝材料,是充分發揮粉煤灰的作用,獲得顯著技術經濟效益的重要途徑。 當前我國正處在大建設時期,以水泥混凝土路面高等級公路為例,每年要鋪筑數千公里(如92年為6千公里),發展速度是世界上罕見的。以每一米路面需要澆筑2～6m3混凝土計算,一公里路面消耗水泥可達一、兩千t。另一方面,道路工程的特點是遍布全國各處,不像水電工程修大壩是集中于幾個點,因此不需要遠途運輸粉煤灰,可以就近使用。所以在道路工程,特別是路面混凝土中大量應用粉煤灰作為輔助膠凝材料,效益尤為顯著。 綜上所述,采用水泥用量不高、粉煤灰(或其它輔助膠凝材料)和外加劑(高效減水劑、普通減水劑、引氣型外加劑)摻量較大,以適宜的配合比制備早期強度較高、后期強度發展幅度大(耐磨耗性能隨強度的發展能明顯增長)、收縮小、滲透性很低(因而抗凍融與抗腐蝕性能優異)的混凝土,近年來在國際上受到廣泛重視,被稱為高性能混凝土,代表著今后水泥混凝土路面材料的一種發展方向。因為它不僅使用性能優異,可以隨著道路交通量的逐年增大而增長,有益于延長道路的使用壽命,且造價可以降低,又有著節約能源(因為生產水泥耗能很大)、保護環境等多方面的優越性。

[1] 許 永 馮立南 粉煤灰在路面混凝土中的應用效果 第2期(總第89期)中國市政工程2000年6月25日

[2] 王璐,尹延輝 我國粉煤灰綜合利用現狀、存在問題及其對策

[3] 覃維祖 應用技術 粉煤灰在路面混凝土中的應用