浅谈粉煤灰在道路工程中的应用

王 果

（重庆商社（集团）有限公司 404100）

目前粉煤灰在国内外被公认为一种建材资源。在混凝土中掺加粉煤灰己成为国内外一项比较成熟、工艺比较简单且有明显节约水泥效果的措施。通常,在混凝土中掺加一吨磨细粉煤灰不仅可代替或节约水泥650kg,而且还能改善水泥混凝土性能,故美国一学者指出,“与其把粉煤灰当作混凝土中的水泥代用品或掺加材料,还不如把它当作混凝土的组成材料,更能反映其实际价值,单纯以波特兰水泥来配制混凝土将步恐龙后尘”。还在60年代,美国等一些国家在混凝土路面工程中掺加20%～30%的粉煤灰所配制的混凝土能取得与硅酸盐水泥同样效果,除早期强度略有降低外,其他性能均有提高。

一、我国粉煤灰综合利用研发现状

我国是煤炭资源丰富的国家,是世界最大的煤炭生产国和煤炭消费国。以煤为燃料的火力发电迅速,发电量达1.3亿千瓦小时,其中火力发电占79.6%,由此而产生的粉煤灰排放量逐年增加,至2002年底,全国粉煤灰排放量1.6亿吨,粉煤灰的堆存量达8亿多吨,占地20多万亩,粉煤灰的处置受到整个社会的关注。因此,自从1987年国家把它确立为资源综合利用突破口以来,如何对粉煤灰资源进行合理有效的利用,成为我国经济和社会发展的一项长远战略方针。粉煤灰是火山灰质材料,它具潜在活性高,矿物体化学稳定性好,颗粒细,有害物质少,可以改善混凝土或砂浆物理性能等优点。综合利用粉煤灰能够改善生态环境、变废为宝、节约能源,具有显著的社会效益、环境效益、经济效益,是一项利国、利民、利企业的工作,符合保护土地,合理开发自然资源的基本国策。

概述

粉煤灰在道路混凝土中应用,国内外已有大量的先例:早在50～60年代,国内就用粉煤灰作为混凝土的掺合料修筑过路面,但是不成功。70年代以来,由于粉煤灰的质量提高,在混凝土路面中的应用有所发展。例如北京西门立交桥施工时,掺用30%粉煤灰的混凝土浇筑了一段路面板,使用20多年仍完好;河南焦作在同期也采用掺30%粉煤灰的混凝土铺筑一段试验路,据了解使用情况也尚好。到80年代末,广西南宁—北海的公路采用碾压混凝土施工了1.1km路面,混凝土中掺用粉煤灰达46%,水泥用量仅为154 与171kgm3 ,混凝土试件的28d抗折强度在4.5～8MPa;180d芯样的劈裂抗拉试验折算抗折强度为5.8～7.6MPa,除碾压外,采用滑模摊铺工艺施工的 水泥混凝土路面,也因为掺用粉煤灰而取得良好的效果。例如河北省于1992年8～9月采用滑模摊铺8km天津—高碑店高等级公路,施工中先后从北京用散装运输车运送300多t粉煤灰至高碑店工地,以15%～30%掺量加入混凝土,其90d钻芯劈裂抗拉强度折算成抗折强度,不掺对照组为6MPa;掺15%粉煤灰组6.5MPa;掺30%粉煤灰组达到7MPa。

在国外,一些国家应用粉煤灰于路面混凝土,已有大量工程实例。如在英国,以粉煤灰:水泥为75:25(体积比)的混合胶结料用于路面工程(A483Gresford-Pulford段)。此前,早在1983年,伦敦的第二国际机场就以掺有16%(重量比)粉煤灰的混凝土和不掺 粉煤灰的普通混凝土,铺筑了两条相邻的路面进行对比试验,经过4年飞机与各种车辆的运行后,掺有粉煤灰的一条车道,表面抗滑构造完好如初;而未掺粉煤灰的一条已经斑斑点点。

二、粉煤灰在混凝土中所起的作用

在水泥砼中适当地掺入粉煤灰后，改善了砼的工作性能，降低了泌水率和水泥水化速度，使之更适合滑模摊铺施工，提高了路面的抗折强度和抗磨性，提高了高速公路工程质量，保护环境，取得了可观的社会效益和经济效益。虽然存在干缩性大、早期强度低等缺陷，但通过合理的技术措施和加强施工管理，这些问题完全可以解决，并不妨碍粉煤灰的使用。粉煤灰水泥砼在高速公路水泥路面工程中值得推广。

通过几十年国内外在混凝土利用粉煤灰的大量实践,似乎应该从宏观作用到微观机理都十分清楚了。但实际上,由于应用的局限性,许多问题看来还有进一步认识的必要。 如上所述,粉煤灰作为一种火山灰质混合材,自50年代起就在水泥生产过程中或低标号混凝土中掺用。70年代以来,高效减水剂在国内外得到日益广泛的应用,这种应用为混凝土技术的发展开辟了广阔的天地。因为高效减水剂对水泥的强烈分散作用,能使混凝土的水灰比大大降低的直接效果是可以制备出非常密实、强度非常高的混凝土。例如在北欧,掺有高效减水剂和硅粉制备的高强混凝土,抗压强度达到100～150MPa,铺筑出可以与花岗石的耐磨耗性能相当的路面,能很好抵挡住冬季严寒季节里带钉轮胎车辆的强烈磨蚀作用。在美国,掺有高效减水剂与硅粉,密实度很高,从而渗透系数很低的混凝土,大量用于桥面板的修补与更新,以抵抗除冰盐溶液与冻融循环的腐蚀,延长桥梁使用寿命。 从大量有关高强混凝土的研究与实践中,得到一个重要的启发:用添加高效减水剂或者其它办法,把水灰比尽量地降低,就能获得强度和耐磨耗等耐久性能优良的混凝土。那么掺大量粉煤灰,使胶结料用量显著增大,并使水灰比尽量减小,是不是也有类似的效果呢

三、掺粉煤灰路面混凝土的性能

路面混凝土与普通混凝土有很大差别。首先,混凝土路面板承受弯拉应力并以混凝土抗折强度为施工与验收指标,而且国内的路面板一般不配筋;其次,混凝土路面板的暴露面积很大,对其表面有很高的耐磨耗性能要求;再者,由道路的施工特点所决定:路面板常常要在浇筑后很长时间才承受荷载;它所受磨耗作用,是逐渐地向深下里发展的。这种差别决定对路面混凝土要“区别对待”。 路面混凝土可以掺入引气型减水剂,通过引气作用和减水作用降低水胶比。上述英国大掺量粉煤灰混凝土(粉煤灰:水泥75:25)道路的铺筑中正是“因为 掺用了新型的外加剂,解决了引气作用”(因为在大掺量粉煤灰条件下,通常混凝土引气较困难,且不容易 稳定)而得到成功。 当然,由于引气作用使混凝土的含气量增大,其抗压强度通常会有降低。但是由于引气作用形成了大量微小、形状较规则的气泡,堵塞了混凝土中的毛细孔,起减小泌水与离析作用;同时在硬化后的混凝土中,由于引气剂的表面活性作用形成的气孔有利于减小局部应力集中的薄弱点,因此在抗压强度降低的同时,混凝土抗折强度不降低或反而提高。

四、水泥混凝土路面材料与工艺存在问题与改进

根据几十年来国内外对粉煤灰综合利用发展模式的探索,应该在技术开发引进、资金的运作、人才的培养、制度的建立、信息的互通,横向协作等方面借鉴经验。

(1)成立专门机构负责研发与引进、改造。为进一步提高粉煤灰综合利用率,更大限度地利用废弃资源,拓宽粉煤灰利用途径和渠道,开发出高附加值、科技含量高、用灰量大的产品,有必要成立专门的机构负责研发新产品、新技术。同时,粉煤灰综合利用部门应相互联系,相互交流粉煤灰综合利用经验,取长补短。引进先进技术,对原有综合利用技术进行改造,节约时间、资金。

(2)相关制度的建立与改善，应在政策、规章等方面给予综合利用企业宽松的经营环境,调动综合利用企业的生产经营积极性。深入企业内部,虚心听取他们在生产经营方面需要解决的实际困难,在各项政策、规章中予以完善,切实为企业解决困难。

(3)领导重视程度,资金倾斜,宣传力度加大，领导部门对综合利用的重要性意识增强,重视程度进一步提高,各项政策不断完善,执行力度不断扩大。在项目科研和项目投产等方面给予相当的资金倾斜。

(4)及时把握国内外发展动态,加强粉煤灰利用信息技术交流。结合自身的实际情况,放眼于国内外技术信息市场,加强国内外科研机构和企业的联系互动。一要同国内外大专院校、科研机构建立长期的合作关系,定期进行有目的、有重点的学术和技术交流,二是同有一定创新开发能力的企业进行技术开发与成果实施,共同探讨技术开发、引进和消化创新中的问题,三是及时掌握国内外粉煤灰综合利用动态,避免低水平的重复研究所造成的浪费。

(5)加强粉煤灰综合利用科技创新系统建设,促进创新系统的要素联动部分企业虽已建立了粉煤灰综合利用科技创新系统,但系统的各要素之间相互联系和互动作用还较弱,企业在该系统中处于核心地位,科研机构、院校主要从事基础性研究和技术开发研究与技术转移,为粉煤灰利用提供理论基础和技术支持,企业则主要是将成熟的粉煤灰技术成果引进并应用于生产实际。目前,必须加强粉煤灰综合利用的集成创新和整体联动,促进科研院所和企业的联动,利用公共政策评价工作,听取企业的意见,适时调整粉煤灰利用政策。大学、科研机构与综合利用企业要紧密结合,使大学、科研机构的智力知识资源与企业的资本、资源互为补充,有必要使一部分科研机构进入企业,更为重要的是,大中型企业的综合利用要建立与院校、科研机构和其它企业对接的技术研发中心,提升自已的研究开发、消化吸收和创新能力。

(6)加强综合利用企业增强自主创新能力,形成自主知识产权。

(7)加强粉煤灰成果转化,使粉煤灰成果转化为现实生产力。目前粉煤灰技术成果很多,但是真正实施的不足一半,加强现有粉煤灰技术成果的转化实施工作是当务之急,使现有成果经过进一步熟化形成生产能力。从企业在加强成果的再开发创新能力和技术的配套能力上下工夫,使科研机构和院校服务于企业,为企业解决成果的转化问题。

(8)重视粉煤灰综合利用人才建设 。人才是粉煤灰综合利用事业发展的根本,没有一支高素质的研究开发和管理人才队伍,这项事业很难长久发展。在人才队伍建设上,要有大气派、有战略眼光,适时引进一批国内外的高级粉煤灰技术研发和创新管理人才,同时加大现有人才的培训、培养工作,通过多种途径更新现有人才的知识,提高现有人才的科技开发和创新管理能力。要抓紧制定粉煤灰利用科技人才资源开发和利用规划,构建吸引人才和发挥人才作用的制度环境,企业要尊重人才,尽快建立人才管理的薪酬、培训、交流机制,以待遇和事业留住人才,以求提升粉煤灰综合利用水平。 粉煤灰利用信息交流工作,要发挥电子政务和电子商务为粉煤灰利用服务的功能,进一步加强粉煤灰研究机构间的学术交流,发挥社会中介组织在粉煤灰信息交流中的作用。

（10）粉煤灰的“物尽其用”

如上所述,粉煤灰是一种大宗工业废料,又是一 种良好的辅助胶凝材料。如何把它作为一种资源,使其得到充分的利用,是个重要的课题。从多年来在路面混凝土中应用粉煤灰的过程中,体会到粉煤灰作为路面混凝土的辅助胶凝材料,或者更广泛一些,作为混凝土的辅助胶凝材料,是充分发挥粉煤灰的作用,获得显著技术经济效益的重要途径。 当前我国正处在大建设时期,以水泥混凝土路面高等级公路为例,每年要铺筑数千公里(如92年为6千公里),发展速度是世界上罕见的。以每一米路面需要浇筑2～6m3混凝土计算,一公里路面消耗水泥可达一、两千t。另一方面,道路工程的特点是遍布全国各处,不像水电工程修大坝是集中于几个点,因此不需要远途运输粉煤灰,可以就近使用。所以在道路工程,特别是路面混凝土中大量应用粉煤灰作为辅助胶凝材料,效益尤为显著。 综上所述,采用水泥用量不高、粉煤灰(或其它辅助胶凝材料)和外加剂(高效减水剂、普通减水剂、引气型外加剂)掺量较大,以适宜的配合比制备早期强度较高、后期强度发展幅度大(耐磨耗性能随强度的发展能明显增长)、收缩小、渗透性很低(因而抗冻融与抗腐蚀性能优异)的混凝土,近年来在国际上受到广泛重视,被称为高性能混凝土,代表着今后水泥混凝土路面材料的一种发展方向。因为它不仅使用性能优异,可以随着道路交通量的逐年增大而增长,有益于延长道路的使用寿命,且造价可以降低,又有着节约能源(因为生产水泥耗能很大)、保护环境等多方面的优越性。

[1] 许 永 冯立南 粉煤灰在路面混凝土中的应用效果 第2期(总第89期)中国市政工程2000年6月25日

[2] 王璐,尹延辉 我国粉煤灰综合利用现状、存在问题及其对策

[3] 覃维祖 应用技术 粉煤灰在路面混凝土中的应用