高掺量粉煤灰混凝土在桥梁工程中的应用
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中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
粉煤灰作为有效成分掺入混凝土中，可显著改善混凝土的和易性，降低混凝土的温升，减少混凝土的早期收缩和开裂趋势，降低混凝土的徐变，保证混凝土后期强度和弹模增长，掺量在30%以上时可抑制碱-集料反映。粉煤灰的掺入可提高混凝土的抗弯强度，降低混凝土的挠度，一般不影响混凝土的其他力学性能，包括抗压、抗剪、抗拉强度、钢筋握裹力、弹性模量、泊松比等。
下面简单介绍混凝土高掺量粉煤灰混凝土实际应用的情况。
一、粉煤灰产生的效应
1、和易性效应。混凝土和易性主要受浆体的体积、水灰比、配合比设计、骨料的级配、形状、孔隙率等因素影响，其中粉煤灰是影响混凝土和易性的重要因素。由于粉煤灰在混凝土性之一是增大浆体的体积（相同质量粉煤灰的体积要比水泥约大30%）。如果我们在混凝土中较好的利用粉煤灰特性，用粉煤灰取代等重量的水泥（根据强度要求按重量比大于1：1用粉煤灰取代水泥时，又称超量取代），多加的粉煤灰增大了细屑含量，因此增大了浆体－-骨料比。大量的浆体填充了骨料间的孔隙，包裹并了骨料颗粒，从而使混凝土拌和物具有更好的粘聚性和可塑性。粉煤灰的骨料颗粒可以减少浆体－-骨料间的界面磨擦，在骨料的接触点起滚珠轴承效果，从而改善了混凝土的和易性。
2、泌水效应。粉煤灰的掺入可以补偿细骨料中的细屑不足，中断砂浆基体中泌水渠道的连续性。同时，粉煤灰作为水泥的取代材料在同样的稠度下，会使混凝土的用水量有不同程度的降低。因而，掺用粉煤灰对防止混凝土的泌水是有利的。3、拌和物引气作用效应。混凝土的空气含量一般在３％以内，与水泥的细度、骨料形状、级配以及震捣密实的程度等有关。当混凝土中掺入粉煤灰时，由于细屑组分的影响会使混凝土的空气含量减少１％左右。对烧失量超过６％的粉煤灰，由于碳颗粒在冷却过程中变成了封闭的玻璃态，因而防止了对引气剂的吸附，保持了混凝土拌和物的原有含气量。4、凝结时间效应。掺粉煤灰的混凝土虽然初凝、终凝一般都能满足规范要求，但由于受其掺量、细度、化学成分等因素影响，混凝土会出现凝结时间延长，导致出现缓凝现象。然而，与水泥性能、用水量、环境温度、湿度等因素相比，粉煤灰对混凝土凝结时间的影响是极小的。5、抗压强度效应。混凝土的抗压强度主要取决于水灰比，对掺与不掺粉煤灰的混凝土，如果二者的早期强度相同，则粉煤灰混凝土的后期强度将高于不掺的，粉煤灰对混凝土有三重影响：减少用水量、增大胶结料含量和通过长期火山灰反应提高强度。
当原材料和环境条件一定时，掺粉煤灰混凝土的强度增长主要决定于粉煤灰的火山灰效应，即粉煤灰中玻璃态的活性氧化硅、氧化铝与混凝土的水泥浆体中的Ca(OH)2作用生成碱度较小的二次水化硅酸钙、水化铝酸钙。一些研究认为：粉煤灰在混凝土中，当Ca(OH)2薄膜覆盖在粉煤灰颗粒表面上时，就开始发生火山灰效应。但由于在Ca(OH)2薄膜与粉煤灰颗粒之间存在着水解层，钙离子要通过水解层与粉煤灰的活性成分反应，反应产物在层内逐渐聚集，水解层未被火山灰反应产物充满到某种程度时，不会使强度有较大增长。随着水解层被反应产物充满，粉煤灰颗粒和水泥水化产物之间逐步形成牢固联系，从而导致混凝土强度、不透水性和耐磨性的增长，这就是掺粉煤灰的混凝土早龄期强度较低，后龄期强度增长较多的主要原因。
6、水化热效应。混凝土中水泥的水化反应是放热反应。在混凝土中掺入粉煤灰可以降低水化热，原因是减少了水泥的用量。水化放热的多少和速度取决于水泥的物理、化学性能和掺入粉煤灰的量。
二 混凝土耐久性设计
1.1由于无法改变桥梁所处环境，因此只能通过提混凝土材料性能来提高桥梁的耐久性。结合滦河特大桥配合比设计，简要介绍混凝土配合比设计。
（1）钢筋腐蚀及碳化：由于本桥为预应力箱梁桥，处于北方寒冷地区，夏秋季节桥梁混凝土所处环境中湿度较大，钢筋发生腐蚀的条件充分，因此，重点考虑钢筋锈蚀和混凝土的碳化。
（2）碱-集料反应：本桥所处地区存在碱活性较高的集料，在进行混凝土配合比设计时选用低碱水泥和低活性或惰性集料，同时考虑掺用矿物掺合料。
（3）冻融循环破坏：处于水位变化区域的墩身混凝土，将会遭受冻融循环破坏，因此，墩身下部采用抗冻混凝土。
（4）温度裂缝：由于灌注桩、承台、墩身均为均为大体积混凝土，施工时充分考虑混凝土的温度裂缝，配合比设计时采用适当矿物掺合料。
1.2 高掺量粉煤灰混凝土的生产和施工及质量控制
高掺量粉煤灰混凝土的生产和施工工艺及质量控制不仅要符合普通混凝土各项要求外，还必须遵循前文所述的有关高性能混凝土包括材料选用，混凝土的试配、原材料管理、搅拌、浇筑、振动成型、拆模养护和质量控制等环节。
1.3 采用粉煤灰混凝土工程所取得的效果
沿海高速公路工程桥梁施工中采用了大掺量粉煤灰高性能混凝土技术，取得了良好经济效益和社会效益，这样效果是：（1）工程所处当地生产的集料碱活性较高，初期选用的加料存在较高碱活性，因此，迅速采用低碱活性的集料、低碱水泥和掺粉煤灰的方法来避免碱-集料反应的发生。
（2）对于大体积承压构件，如灌注桩、承台、墩身，采用大掺量粉煤灰高性能混凝土，不仅能够降低策划那个本，改善和易性和工作性，降低劳动强度，而且可以大幅度减少混凝土温度开裂趋势，对于一次浇筑的大体积承台，未见任何裂缝出现，墩在不加散热管的条件下，偶或出现一至几条发状裂缝，在中间加一排小直径（¢50mm）散热管后，即可避免任何裂缝出现，可见大掺量粉煤灰混凝土与普通混凝土相比具有许多优越性。
（3）对于梁体，由于有张拉要求，如T梁要求3天张拉强度达到设计强度的100%，箱梁则90%，粉煤灰掺量达15%时也可满足施工要求。
（4）对于抗冻墩身混凝土，虽然粉煤灰掺量高达30%，混凝土的抗冻标号远大于设计标号F250，实测混凝土抗冻标号远高于F500，这与传统概念是截然不同的。
（5）为避免未来桥面板的钢筋腐蚀，建议采用聚合物改性混凝土或防腐混凝土。
三． 高掺量粉煤灰混凝土应用前景、经济及社会效益
高掺量粉煤灰混凝土不仅在公路、桥梁工程中推广应用，而且可在许多钢筋混凝土结果工作中如房建、工业、水工、铁路等方面推广使用。
混凝土中掺入大量粉煤灰，可节约一定的水泥，降低工程成本。从节约资源来看，工程直接节约的是水泥，从国家宏观来看这不仅仅是只节约水泥，而且大量节约了生产水泥的人力、煤、石灰石、电等相关资源。
发电厂生产的大量粉煤灰如不加以充分利用，需占用国家大批土地存放，还严重污染周围环境，增加发电厂粉煤灰的排污费和占地费。
北方地区如河北省及周边山西省、内蒙古自治区、山东省等是火力发电的大省，每年有大量的粉煤灰排放，且这些发电厂可生产的是Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰。因此，早在几年前河北公路工程系统就把粉煤灰科学用于路基填方和路面基层材料，生产了巨大的经济效益和社会效益，沿海高速公路又把粉煤灰延续应用到桥梁工程中，为粉煤灰开辟了更为广阔的领域，可以看出粉煤灰的推广应用其前景是十分看好的，经济效益和社会效益无疑也是巨大的。