粉煤灰在大型集裝箱堆場重載混凝土路面建設中的應用
——以卡拉奇港口堆場為例

朱文彬，計海江

(1.中國港灣工程有限責任公司巴基斯坦辦事處，北京 100009；2.深圳市蛇口招商港灣工程有限公司，廣東 深圳 518000)

1 研究背景

SAPT集裝箱堆場與房建項目位于巴基斯坦卡拉奇港口城市，該集裝箱設計堆放場地約80.5 hm2，年設計吞吐能力為310萬個標準箱，為巴基斯坦最大的深水港堆場。該項目分為二期建設，一期工程已完工運營，二期工程正在實施。二期項目重載道路的路面類型結構從下往上依次為級配碎石基層、C40鋼筋網片混凝土板。根據設計需求的混凝土面層結構類型劃分，包含有II型混凝土路面2.63萬m2；Ⅵ型混凝土路面2.35萬m2；Ⅶ型混凝土路面3.16萬m2，混凝土路面總計為8.14萬m2。

由于巴基斯坦卡拉奇市屬于熱帶季風氣候，干燥少雨。從正在運營的一期項目路面使用情況來看，在動態重力荷載的作用下，道路質量混凝土路面出現了結構貫通裂縫。為合理應對卡拉奇或者類似地區常年高溫天氣，在動態重型荷載長期作用下，更好地優化、提升混凝土路面的使用舒適性和壽命，在二期項目路面質量混凝土施工時引入粉煤灰，并對引進粉煤灰后的路面質量混凝土的強度、裂縫控制、成本節約進行總結和分析。

2 路面質量混凝土配合比的確定

2.1 路面質量混凝土

定義：根據路面設計規范[1]，路面質量混凝土(PQC)指混凝土設計強度一般≥40 MPa，作為路面結構頂層施工且厚度約為300 mm。

2.2 粉煤灰

粉煤灰，是火力發電廠中粉煤燃燒的副產品。粉煤灰中的主要化學成分是二氧化硅、氧化鋁以及鈣和鐵的氧化物[2，3]。

根據粉煤灰在混凝土的用量可分為大量用途，如路堤、水壩、堤防和堤防的結構填充物；中量用途，如作為摻合水泥的混合物,作為水泥的替代品或混凝土中的礦物摻合料。本文粉煤灰使用性質屬于中量用途。

2.3 粉煤灰對路面質量混凝土(PQC)強度的影響

根據粉煤灰對水泥不同替代量，研究混凝土的抗壓強度和抗彎強度。粉煤灰部分替代水泥的3種不同替代水平，即10%、20%和30%，在混凝土固化7 d和28 d后測試。準備了多組混凝土抗壓強度方模和抗彎強度試驗梁，用于確定水灰比為0.40的混凝土抗壓強度和抗彎強度，要求抗壓強度≥40 MPa，最小抗彎強度為4.5 N/mm2。

(1)養護齡期對抗壓強度的影響。從數據可以看出，粉煤灰替代部分水泥量具有較高的初始強度，強度從7 d增加到28 d的增加率比不摻粉煤灰的混凝土低，但滿足技術規格書和設計規范的要求，因此粉煤灰可代替部分水泥摻入混凝土。

(2)粉煤灰替代量對路面質量混凝土抗壓強度的影響。在水灰比為0.4時，用粉煤灰部分代替了水泥可以在28 d的養護期內達到設計規范的40 MPa抗壓強度值。其中，隨著粉煤灰在水泥中的摻量由10%到30%變化，路面質量混凝土的終凝強度逐步降低。

(3)粉煤灰替代量對路面質量混凝土抗彎強度的影響。用粉煤灰代替部分水泥摻入混凝土，可以在28 d的養護期內滿足路面質量混凝土的抗彎強度值≥4.5 N/mm2。粉煤灰替代量為10%、20%、30%時，路面質量混凝土的抗彎強度呈降低趨勢。

2.4 混凝土配合比

(1)水泥及粉煤灰用量要求。當使用普通波特蘭水泥(OPC)時，路面質量混凝土中的水泥用量應≥360 kg/m3。如摻入I級粉煤灰作為水泥的部分替代品，則粉煤灰的數量應占水泥重量的20%；而普通波特蘭水泥的用量應≥310 kg/m3。

(2)混凝土抗彎強度要求。混凝土抗彎強度應≥4.5 N/mm2(M40級)。混合料設計的目標平均抗彎強度應≥4.5 MPa+1.65×s，其中s是通過對至少30個梁進行測試得出的抗彎強度的標準偏差。

(3)混凝土抗壓強度要求。本項目路面質量混凝土的方模抗壓強度等級≥40 MPa。使用尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的試塊以測試抗壓強度，在標準養護環境的干凈淡水中固化28 d。軸向施加載荷而無沖擊，直到壓碎樣品。

根據水泥中摻入粉煤灰的比例的試驗結果，暫定使用摻入粉煤灰20%的比例作為項目路面質量混凝土配合比，見表1。

表1 混凝土配合比與摻粉煤灰混凝土配合比 kg/m3

本項目路面質量混凝土總方量約為34781 m3，巴基斯坦水泥的市場價為6838盧比/t(約合311元/t)；粉煤灰的市場價格為2600盧比/t(約合118元/t)。由于摻入粉煤灰變更路面混凝土配合比，節約材料成本約53.7萬元。

3 粉煤灰對路面質量混凝土的裂縫控制

3.1 部分粉煤灰替換水泥量對混凝土早期開裂敏感性的影響

混凝土裂縫形成存在多種原因，主要為溫度變化、結構設計的合理性等[4]。混凝土在硬化過程中膠凝材料水化反應放出大量水化熱，混凝土內部溫度不斷上升，混凝土從內部到外部產生溫度差異，會引起混凝土表面的拉應力。后期在降溫過程中由于受到基礎或相鄰結構上的約束，同時會在混凝土內部產生拉應力。溫度的降低也會在混凝土表面形成拉應力，當混凝土的抗裂能力低于各種原因產生的拉應力時就會出現裂縫。

根據在水泥中摻入10%、20%、30%粉煤灰量的路面質量混凝土進行試驗研究，混凝土初期：1 d、7 d、14 d、28 d、60 d的絕熱溫升(定義：絕熱溫升指放熱反應物完全轉化時所放出的熱量可以使物料升高的溫度[5])試驗結果見表2。

表2 路面質量混凝土絕熱溫升 ℃

由表2可知，隨著部分粉煤灰替換水泥量的增加，混凝土絕熱溫升逐漸降低，且降低幅度隨著粉煤灰占比量增加而增加。在7 d的混凝土養護齡期中，未使用粉煤灰替換水泥的混凝土FA00的絕熱溫升為70.0 ℃，粉煤灰替換水泥量為20%時，混凝土FA20的絕熱溫為58.8 ℃，相比FA00降低了11.2 ℃。由此得出結論：部分粉煤灰替換水泥后可大幅降低混凝土結構的絕熱溫升，其變化規律為絕熱溫升隨著粉煤灰替換水泥量的增加呈現降低趨勢，減少了混凝土由于溫度應力產生潛在的開裂風險。

3.2 部分粉煤灰替換水泥可降低混凝土的水化熱

混凝土中水泥與水發生水化反應產生熱效應，即水化反應放熱。使用部分粉煤灰替代水泥摻入混凝土中，由于減少了水泥的用量，進一步降低所產生水化熱。水化放熱程度和速度取決于水泥熟料的礦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計算，20%粉煤灰替換水泥量可使因水化熱產生的絕熱溫升降低13%左右。部分粉煤灰替換水泥后混凝土減少了水化熱，進而結構物由于溫度造成的裂縫隨之降低。

當然，摻入粉煤灰不但可以改善早期開裂敏感性、降低混凝土的水化熱，而且可改善混凝土的耐久性等。所以在二期項目實施的路面質量混凝土適量加入20%的粉煤灰后，實際澆筑后的混凝土表面裂縫較一期項目同類型路面較大地降低，提高了混凝土使用舒適性的性能，減少了后期路面維修的次數及成本。

4 結論

隨著粉煤灰摻量的變化，混凝土各項耐久性指標表現出一定的規律性，在20%左右的摻量范圍內表現出較其它摻量優異的性質，出現最佳值或分界點。粉煤灰的摻入可大幅降低混凝土結構的絕熱溫升，且降低幅度隨著摻量的增加越加明顯，能減少溫度應力對混凝土路面帶來的潛在開裂風險。

從實施使用效果來看，路面質量混凝土中適量地摻入粉煤灰后，提升了混凝土路面的使用舒適性和壽命，可為類似工程提供參考。