【浅谈】粉煤灰在桥梁混凝土中的应用

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0 引言

随着国民经济的飞速发展，我国交通建设事业发展迅猛，高速公路通车里程居世界第一，福建省高速公路建设密度居全国第二。水泥混凝土建设技术的不断进步，要求水泥混凝土具有高性能、低水化热、大流动性、高密实、高耐久性、成本低等特征，为了满足此要求，粉煤灰已经广泛应用于水泥混凝土中，并起着不可缺少的作用。粉煤灰作为一种活性掺合料有许多优点：提高水泥混凝土的抗渗性、耐久性，改善混凝土早期水化凝结过程中由于水化热和水分变化引起的体积变化，增强混凝土早期体积稳定性，改善混凝土工作性，使混凝土表面更光滑平整。本文对粉煤灰的性能指标、应用范围、注意事项等做了介绍，并结合××高速公路过溪大桥混凝土掺加粉煤灰前后性能的比较，来探讨粉煤灰在桥梁中的应用。

1 粉煤灰技术要求

粉煤灰是燃煤电厂从烟道中收集到的一种灰分，具有一定的火山灰活性。粉煤灰的质量等级分为三级，本项目使用的是Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰。其质量检验指标见表1。

表1 粉煤灰技术指标和检测结果

2 粉煤类的适用范围

2.1 普通公路水泥混凝土工程

根据粉煤灰等级、水泥混凝土强度和耐久性等要求，粉煤灰用于水泥混凝土工程，按下列要求使用：Ⅰ级灰干缩小、烧失量小，适用于有耐久性要求的预应力混凝土结构和钢筋混凝土。Ⅱ级灰适用于素混凝土结构和钢筋混凝土，不宜用于预应力混凝土结构或构件。Ⅲ级灰用于强度等级C20 以下的贫水泥混凝土基层、素水泥混凝土结构、石灰粉煤灰或水泥粉煤灰稳定粒料基层等。

2.2 有特殊要求的混凝土工程

粉煤灰用于早期脱模、提前负荷的粉煤灰混凝土宜掺入早强剂、高效减水剂等外加剂；用于要求高抗冻性混凝土时，必须掺入引气剂，满足含气量要求；粉煤灰混凝土在低温条件下施工时，宜掺入早强剂或抗冻剂，并采取保温措施。粉煤灰混凝土外加剂掺量应以水泥加粉煤灰的胶凝材料总量百分率表示。外加剂的适应性和最优掺量由试验确定。

2.3 粉煤灰不宜用于的混凝土工程

（1）低温施工时，易温缩开裂的薄壁混凝土结构，长期养生温度和湿度条件无保证。

（2）长时间养生温度和温度条件无保障、易干缩开裂的薄壁混凝土结构。

（3）有提前通车要求的混凝土、钢筋混凝土结构和预应力混凝土结构。

3 工程中的应用

水泥混凝土中外掺的粉煤灰的计算方法有等量取代法、外加法和超量取代法三种。除Ⅰ级灰外，一般不宜采用等量取代法。当水泥混凝土超强较大或配制大体积水泥混凝土时，可采用等量取代法。以改善拌和物工作性为主时，可采用外加法。采用超量取代法时，薄壁水泥混凝土结构取较低限；一般结构宜取低限；大体积结构可取中、高限；重要公路工程结构的粉煤灰超量系数应通过试验确定。三种掺用粉煤灰的计算方法均必须经过试验，满足要求后，才能在实际工程中使用。

现以××高速公路过溪大桥为例。该桥上部结构采用预应力混凝土T 梁（5×30m），先简支后连续；下部结构0 号桥台采用承台分离式台，5 号台采用柱式台，基础均为桩基础；桥墩采用柱式墩，基础采用桩基础。

3.1 设计混凝土使用部位

灌注桩C30 水下混凝土，坍落度选择180~220mm。原材料选定：①××牌P·O42.5 水泥；②南安游子河的天然中砂；③铺当村碎石厂的4.75~31.5mm碎石；④××牌HPCA- 600聚羧酸减水剂（缓凝型），掺量1.4%；⑤××牌Ⅱ级粉煤灰。

3.1.1 设计依据

依据JGJ55- 2011 《普通混凝土配合比设计规程》、GB/T50146- 2014《粉煤灰混凝土应用技术规范》和JTG/TF50- 2011《公路桥涵施工技术规范》进行设计。

3.1.2 配合比计算（等量取代法）

（1）配制强度：Fcu,0=30+1.645×5=38.2MPa。

（2）用水量：75~90mm 坍落度，取水195kg，以90mm 坍落度为基础，按坍落度每增大20mm 用水量增加5 kg，计算出未掺外加剂时的混凝土用水量：195+（220- 90）×5/20=227.5kg。

掺外加剂时，混凝土用水量：××牌HPCA- 600 聚羧酸减水剂（缓凝型），减水率为23%。

Mwa=227.5×（1- 23%）=175kg。

（3） 水胶比及水泥用量（粉煤灰等量取代10%水泥用量）：

W/C=(0.53×47)÷(38.2+0.53×0.20×（47×0.90）)=0.58，

根据“桥规”要求确定水胶比为0.42。不掺粉煤灰时胶凝材料总用量：

Mc0=175×0.42=417 kg

粉煤灰用量：Mf=417×10%=42kg，掺粉煤灰时水泥用量：Mc0=417- 42=375kg。

（4）砂率：10~60mm 混凝土砂率，水胶比0.42，砂率选择37%，以60mm 坍落度为基础，按坍落度每增大20mm，砂率增大1%，计算砂率：

37%+（220- 60）×0.01/20=45%，确定砂率为45%。

（5）粗集料和细集料用量的确定：

按照重量法，假定2400 kg /m3 混凝土拌和物计算：

375+42+ Ms0+ Mg0+175+5.25=2400（Ms0 为细集料质量，Mg0为粗集料质量）

Ms0=812 kg，Mg0=991kg。

（6）经试验确定的配合比（见表2）：

表2 桩基配合比

3.2 设计混凝土使用部位

预制梁、湿接缝、横隔板等C50 混凝土，坍落度选择120~160 mm。原材料选定：①××牌P·O52.5 水泥；②南安游子河的天然中砂；③铺当村碎石厂的4.75~19mm 碎石；④××牌HPCA- 500 聚羧酸减水剂（早强型）；⑤××牌Ⅰ级粉煤灰。

经试验确定的配合比（见表3）。

表3 C50 混凝土配合比

通过成本对比分析（见表4），表明掺加粉煤灰后节约水泥用量，降低成本。

表4 成本对比分析（其他材料不计）

通过拌合物性能对比分析（见表5），表明掺加适量粉煤灰后混凝土拌合物的泌水性减少，1h 坍落度的经时损失减少，混凝土拌合物的和易性得到改善，减少混凝土离析，对于灌注桩水下混凝土尤其有利；由于掺加粉煤灰后减少水泥用量，且粉煤灰水化放热量很少，从而减少了水化放热量，施工时混凝土的温升降低，减少温度裂缝，对于大体积混凝土有利。经过现场混凝土浇筑对比在没有掺粉煤灰前，成品的梁片外观气泡偏多，掺入适量的粉煤灰后可抑制新拌混凝土的泌水，梁片表面更光滑平整。

表5 拌合物性能对比分析

4 施工注意事项

（1）粉煤灰在预应力混凝土、钢筋混凝土中取代水泥的最大掺量：在硅酸盐水泥中，Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰替代水泥最大的掺量为25%；普通硅酸盐水泥中最大的掺量为15%。

（2）粉煤灰的实际掺量与所配制的水泥混凝土等级和所要求的其他性能有关，最大限量仅用于最低强度等级的水泥混凝土。当使用中、高强度等级的水泥混凝土和同时有其他性能要求时，要满足粉煤灰全部水化反应贡献强度的最优配伍关系的要求。因此，中、高等级水泥混凝土实际掺量宜取最大限量的低限或2/3，并应通过试验或经验确定。

（3）粉煤灰混凝土拌和物必须使用强制式搅拌机搅拌均匀，其搅拌时间应通过试拌确定，纯拌和时间宜比基准水泥混凝土延长10~30s，以保证粉煤灰在混凝土中的分散均匀度。当环境温度较高或从搅拌至浇筑完成历时较长时，损失后的坍落度值应满足浇筑要求。

（4）施工经验表明，结块灰和湿排灰在新拌混凝土中会有搅拌不开的粉煤灰小团块，其严重影响水泥混凝土的强度。粉煤灰应以干粉通过水泥罐掺入混凝土，并单独计量。

（5）粉煤灰混凝土浇筑时，应振捣密实，不得漏振、欠振或过振。振捣后的混凝土表面不得出现明显的粉煤灰浮浆层。粉煤灰浮浆强度很低，极不耐磨，色泽较差。终饰抹面作业应在泌水结束、终凝之前进行。

（6）粉煤灰混凝土结构应加强养生，并始终保持表面处于潮湿状态。薄壁结构潮湿养生时间应延长，不得少于28d，干燥或炎热气候条件下暴露面潮湿养生时间不得少于21d。