粉煤灰在滑模摊铺水泥砼路面工程中的质量控制
林炳星
(厦门市公路局, 361009)
摘 要:通过对粉煤灰在水泥混凝土中的作用机理分析,结合厦门市使用滑模摊铺粉煤灰混凝土路面的施工实践,总结出粉煤灰在滑模摊铺水泥混凝土路面工程中在质量控制方面应注意的技术问题。
关键词:粉煤灰;滑模摊铺;混凝土;技术要求
中图分类号:U416.216 文献标识码:B 文章编号:1005-8249(2005)05-0025-03
混凝土中掺入粉煤灰会使水泥混凝土的振动粘度系数减小、振捣密实性好、静态塌落度较小,因而有利于防止路面塌边,且能延缓混凝土凝结时间,减少塑性收缩裂缝。如何将粉煤灰混凝土广泛应用于滑模摊铺水泥混凝土路面,并得到质量保证,是本课题的研究重点。
1 粉煤灰在水泥混凝土中的作用机理
由于实际应用的局限性,有关粉煤灰在水泥混凝土中的作用机理,还有进一步认识的必要。粉煤灰作为一种辅助胶凝材料,水胶比对粉煤灰混凝土强度影响较大,只有当水胶比较小时,粉煤灰作用才能体现出来,且水胶比越小,这种作用越显著。其作用机理可解释为:大水灰比条件下水泥颗粒的水化环境良好,活性高的水泥有充分水化条件,生成大量凝胶与结晶,填充于骨料与水泥颗粒的间隙,使之粘接成一整体。粉煤灰与水泥水化释放的氢氧化钙反应时,由于形成低钙C-S-H的过程相当缓慢(3d~7d内才开始),加上氢氧化钙通过表面水化生成物层向内部扩散十分困难,因此在混凝土拌合后相当长时间里,粉煤灰的水化产物依然不多,填充空隙的能力差,导致混凝土强度在一定龄期内随粉煤灰掺量增大呈线性下降。
而当混凝土拌合物的水胶比/水灰比大大降低的情况下(例如0.30左右),水泥颗粒或水泥与掺合料颗粒的间隙明显减小,需要填充空隙的水化生成物量也随之大大减少。高活性的水泥与掺合料迅速水化,很快消耗了内部本来较少的水分,致使水泥与掺合料得不到充分水化,留下大量未水化的颗粒内芯。由于硬化水泥浆体内大量微孔缺水,对混凝土的微结构和性能造成不利影响,使其自然收缩明显增大,受外界因素的影响,经常出现宏观开裂。
当低水胶比混凝土掺用大量粉煤灰作为掺合料时,粉煤灰活性低、填充能力差的缺点便发生转化。由于粉煤灰水化较缓慢,混凝土拌合物的初始水灰比实际要大得多(在水胶比一定的条件下,粉煤灰掺量越大,水灰比自然也就越大)。这时,高活性水泥的水化,显然要比低水胶比的纯水泥混凝土迅速而充分,产生大量的水化生成物去填充相对较小的空隙,释放出的氢氧化钙则提供粉煤灰后续的水化,使混凝土随龄期增长日益密实,水泥石和骨料的界面得到显著加强(过渡区薄弱的氢氧化钙结晶大大减少),因此能获得良好的力学性能与耐久性。虽然在拌合时,一部分水分会被粉煤灰吸附,但当水泥水化消耗水分形成的湿度梯度作用下,粉煤灰内的水分会被不同程度地倒吸出来,对水泥继续水化起到一种“内养护”作用,这远比通常的外部养护作用更大、更均匀。
2 粉煤灰在滑模摊铺水泥混凝土路面工程中质量控制的主要技术要求
通过对有关理论的分析,结合厦门市已施工的滑模难铺粉煤灰混凝土路面的经验,我们认为粉煤灰在滑模摊铺混凝土路面中的应用,不但要采用控制未掺加粉煤灰水泥混凝土路面的技术指标和滑模摊铺施工工艺,还应从粉煤灰在滑模摊铺混凝土的作用机理方面进行考虑,不应再从粉煤灰取代水泥或其它材料的角度着眼,而应根据混凝土的性能设计配合比,这样配制出来的混凝土,才能使粉煤灰的作用充分发挥出来。
2.1 粉煤灰的品质
对水泥混凝土路面工程中使用的干灰要求达到Ⅰ、Ⅱ级指标,并应优先采用磨细灰,其细度(45μm方孔筛筛余)应≤20%,烧失量≤8%,需水量比≤105%, SO3含量≤3%。
2.2 粉煤灰水泥混凝土的配合比设计
合理选择粉煤灰的掺量、采用尽量小的水胶比和合理选用外加剂,是配制粉煤灰水泥混凝土时应予特别考虑的问题。如果技术达不到要求,采用大掺量粉煤灰将导致混凝土早期抗折强度偏低,断板及养护问题突出;若采用小掺量的粉煤灰则又起不到作用。粉煤灰掺量一般不应高于水泥用量的30%,以防止混凝土路面断板和耐磨性能降低,但也不应低于水泥用量的15%,否则没有明显的经济效益。
粉煤灰只有在低水灰比时才能发挥较大作用,且粉煤灰比水泥对水灰比更敏感,因此在路面混凝土中复合使用粉煤灰和引气剂,利用引气作用增大胶结料用量或优质粉煤灰的减水作用,把水灰比尽量降低,使粉煤灰对混凝土早期强度的贡献充分发挥出来。这样,两者均能使混凝土粘聚性改善,泌水离析显著减小,对路面板的整体匀质性、抗冲击和耐疲劳性、面层耐磨性能,会有重要的改善作用。为使混凝土的水灰比尽量降低,可在路面混凝土中掺入引气型减水剂,以降低水胶比。
对于滑模施工的粉煤灰混凝土路面,除应满足常规施工规范要求外,还应对混凝土拌和料的强度、坍落度和工作性提出更高的要求。现在高等级公路混凝土板的设计强度一般都在5.0MPa以上,实验室的试配强度要大于5.75MPa。高强度之外还应有好的工作性,因为施工时摊铺、振捣、成型、做面要一气呵成,没有好的工作性就不可能摊铺成好的混凝土板。此外,还要求有较低的坍落度,因为滑模施工为无模板施工,坍落度大就容易造成坍边。一般坍落度应控制在2cm左右。
下面介绍对主要材料的要求。
粗骨料 应严格控制其最大粒径和级配。滑模施工时是由螺旋布料器布料,石子粒径太大容易造成离析、粗骨料集中,引起蜂窝、麻面,最大粒径应≤30mm。
砂 宜采用中砂,细度模数控制在2.5~3.0,并严格控制含泥量。含泥量太高不仅会降低强度,而且会引起水泥板早期塑性裂缝(滑模施工在30℃以上尤其敏感),当水灰比增大到一定程度时容易塌边。水泥 为减少裂缝,粉煤灰混凝土配合比中每立方水泥的用量为270kg~350kg,高强水泥的抗折强度应大于7MPa,同时应控制水泥的安定性及MgO、SO3和f-CaO含量,特别是f-CaO含量过高时容易造成水泥板裂缝。
外掺剂 宜采用具有引气、缓凝、高效减水作用的外加剂以改善砼配合比。鉴于滑模施工要求粉煤灰混凝土拌合料具有高强度、低坍落度,因而必须采用高效减水剂,以减少单位用水量、改善和易性。夏季施工要特别考虑缓凝效果,适当延长初凝时间,给机械故障抢修和人工修补缺陷留有足够的时间。
2.3 混凝土路面养生
国内对混凝土路面施工常常忽视养生,有的地方甚至根本不进行养生。这对普通混凝土路面的表面强度与耐磨性会产生不利影响,对掺灰混凝土路面的影响则更为显著。因为粉煤灰的水化反应要迟于水泥水化,对粉煤灰混凝土铺筑的路面,施工后必须立即覆盖,并在混凝土开始硬化后洒水养护。最好采用机械喷洒养护剂和覆盖土工布双重养生的措施,以取得良好的施工质量。鉴于粉煤灰混凝土早期强度低,应适当延长养护时间,一般混凝土路面应养护7d~10d,粉煤灰水泥混凝土路面须养护10d~15d以上。实践证明,如果忽视路面养生,其表面强度与耐磨性能的下降要比普通混凝土显著。
此外,粉煤灰水泥混凝土路面强度早期偏低,施工期易发生断板,如果使用软切缝技术,提早切割已经断开缩缝的位置,能有效遏制断板发生。
3 工程应用
目前,粉煤灰在厦门滑模摊铺水泥混凝土路面施工中已得到广泛应用。例如,灌新路一期主线工程为一级公路,采用水泥混凝土路面,面板厚26cm,设计抗折强度≥5MPa,采用滑模摊铺,覆盖土工布洒水养护15天,根据施工时的气候和温度条件确定切缝时间。本项目在摊铺12h~24h后进行切缝,未出现断板、裂缝现象。工程中采用的材料包括:P.O42.5水泥、河砂(模数2. 9)、机轧碎石(粒径4. 75mm~19mm、粒径16mm~31.5mm)、LD缓凝减水剂、Ⅱ级粉煤灰。混凝土试验配合比见表1。
经对32组混凝土试块检测,其28天弯拉强度平均值为5. 62MPa,最高达6. 17MPa,最低为5.01MPa。这说明在滑模摊铺水泥混凝土路面中掺用粉煤灰能使混凝土的强度达到要求,而且随着龄期延长,粉煤灰水泥混凝土强度有较大的增长。
结 语
滑模摊铺水泥混凝土路面掺用粉煤灰的施工实践表明,尽管粉煤灰水泥混凝土会产生塑性收缩裂缝等问题,但与其路面易于施工、平整度及外观好、抗折强度高、抗磨耐久性好、价格合理等优点相比,优点大于缺点,具有很好的经济效益和社会效益。目前,厦门市采用的粉煤灰掺量与有关报道的掺灰量还存在一定差距,今后在确保质量的前提下,打算进一步研究,以加大滑模摊铺水泥混凝土路面的粉煤灰掺量。
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