市政道路是城市交通系统的骨架，对混凝土材料的强度、耐久性、和易性等要求严格。随着道路铺装层混凝土性能要求不断提高，高强混凝土由于优异的力学性能与耐久性被广泛应用于重载交通路段、桥梁工程、特殊路基处理中。但是普通高强混凝土水泥用量大，施工过程中容易因水化热大导致温度裂缝。粉煤灰是燃煤发电厂的副产物，可替代部分水泥用量，改善混凝土长期性能，其规模化利用兼具环保与经济效益。高强混凝土中掺入适量的粉煤灰，可利用粉煤灰的形态效应、微集料效应及火山灰效应，改善新拌混凝土的工作性能，优化其微观结构，进而提升其性能。但是，不同粉煤灰掺量对混凝土性能影响差异较大。粉煤灰掺量过低，其改善效果十分有限；掺量过高，则影响早期强度，甚至影响最终强度及其性能。

在承受频繁动载、环境侵蚀严重的市政道路中，粉煤灰掺量需要控制在最优区间，以平衡其工作性能、强度、耐久性及经济性等，确保粉煤灰应用价值与工程效益。本文以高强混凝土为研究对象，系统测试不同粉煤灰掺量对混凝土性能指标的影响，为市政道路工程中高强混凝土与粉煤灰的科学利用实践提供理论参考。

1粉煤灰作用机理

粉煤灰作为优质的矿物掺合料，主要通过以下三种协同效应改善混凝土性能：

①微集料效应。粒径0.5～300μm的玻璃微珠可有效填充水泥颗粒间的空隙，使孔隙率降低40%～60%，显著提升基体密实度。这种物理填充作用还能阻断毛细孔通道，使28d抗渗性提高3～5倍。

②火山灰效应。活性SiO2、Al2O3与水泥水化产物Ca(OH)2发生二次反应，生成低钙硅比的C-S-H凝胶，该反应在28d后加速，可使90d强度增长15%～25%。新生凝胶能重构界面过渡区（interfacialtransitionzone，ITZ），将原始ITZ厚度从50μm缩减至10μm以下。

③形态效应。表面光滑的球形颗粒占比在70%以上，产生“滚珠轴承”作用，使浆体屈服应力降低20%～30%。在保持相同坍落度下，每增加10%粉煤灰掺量可减少3～5kg/m3用水量，同时微球体还能抑制颗粒间摩擦，降低泵送阻力35%以上。三重效应随时间发展呈动态叠加，最终形成高致密化、低缺陷的复合材料体系。

2试验材料与方法

2.1原材料及其配合比

原材料：水泥选用普通硅酸盐水泥；粉煤灰采用F类Ⅰ级粉煤灰，细度12.5%，烧失量3.2%；粗骨料采用5～25mm连续级配碎石，压碎值8.2%；细骨料采用中砂，细度模数2.8，含泥量1.0%；减水剂采用聚羧酸高效减水剂，减水率28%；水采用自来水即可。配合比设计：混凝土强度等级C50，水胶比固定为0.32。粉煤灰分别以0%、10%、20%、30%、40%的质量替代率替代水泥，编号分别为FA0、FA10、FA20、FA30、FA40（表1）。注意减水剂的掺量可根据坍落度进行调整，通常为（180±20）mm。

2.2试验方法

试件制备尺寸；抗压强度试件为150mm立方体；抗折强度试件为150mm×150mm×550mm棱柱体；电通量试件为φ100mm×50mm圆柱体；冻融循环试件为100mm立方体。

试件需室内标准养护，养护条件要求：（20±2）℃，RH≥95%。试验测试项目包括新拌混凝土坍落度、抗压强度、28d抗折强度、28d电通量以及300次冻融循环后的质量损失率与相对动弹性模量。

试验方法：①工作性试验。依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》（GB/T50080-2016），测试坍落度及坍落扩展度。②力学性能。抗压强度试验需要依据《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019），分别测试7d、28d、60d、90d龄期100mm立方体试件的抗压强度；抗折强度试验需要依据GB/T50081-2019，测试28d龄期棱柱体抗折强度，其试件为标准小梁，规格为100mm×100mm×400mm。③耐久性能。抗氯离子渗透性，依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》（GB/T50082-2009），采用快速氯离子迁移系数法测试28d、90d龄期混凝土的氯离子迁移系数；抗冻性，依据GB/T50082-2009，采用快冻法测试混凝土经过300次冻融循环后的质量损失率和相对动弹性模量；耐磨性，依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（T0567-2005），测试28d龄期混凝土的耐磨度（单位面积磨损量）。④微观结构分析。选取FA0、FA20、FA40组的28d龄期试样，采用电子显微镜进行扫描、观察，分析水化产物形貌及界面过渡区结构。

3试验结果与分析

3.1工作性能

粉煤灰掺量对新拌混凝土坍落度影响显著。随掺量增加，新拌混凝土的坍落度从FA0的175mm提升至FA40的210mm，试验表明粉煤灰可改善混凝土和易性，降低需水量，有利于市政道路大面积施工。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土的坍落度和扩展度均呈现先增大后略微减小的趋势。FA20和FA30组的工作性最佳，坍落度达到190～195mm，扩展度在500mm以上。这主要是因为粉煤灰的“滚珠效应”，改善了浆体流动性，同时其需水量小于水泥，在水胶比不变时相当于增加了浆体量。但当粉煤灰掺量过高，粉煤灰巨大的比表面积则需要更多水分润湿，同时提高浆体黏度，导致工作性略有下降。由于良好的工作性对市政道路混凝土的泵送、摊铺和振捣密实至关重要，因此，将粉煤灰掺量控制在FA20～FA30区间时此方面性能优越。

3.2力学性能

①抗压强度。试验确定不同粉煤灰掺量下不同龄期的抗压强度。早期7d的抗压强度随粉煤灰掺量增加，7d后抗压强度逐渐降低。FA0组最高48.5MPa，FA40组最低38.2MPa。其原因在于粉煤灰早期火山灰反应微弱，替代水泥后降低了早期活性组分总量。中期FA10、FA20组的28d抗压强度已接近或超过FA0组，其中FA20最高至61.8MPa。粉煤灰的火山灰反应开始显现，通过二次水化产物填充孔隙，实现结构优化。后期粉煤灰混凝土60d、90d的抗压强度增长显著。FA20、FA30组在60d和90d龄期强度均明显高于FA0组。FA40组后期强度虽有增长，但最终90d强度为63.5MPa，明显低于FA20组68.2MPa和FA30组66MPa。这表明粉煤灰的火山灰效应可在后期持续发挥作用，但掺量过高超过40%后由于水泥量过少，限制了强度发展的上限。②抗折强度。试验发现28d抗折强度测试结果符合抗压强度规律，FA20组抗折强度最高，强度7.2MPa，显著优于FA0组强度6.8MPa；FA30组与FA20组接近，强度7.1MPa；FA40组最低，强度6.4MPa（表2）。粉煤灰的微集料效应和优化ITZ结构有利于提高混凝土的抗折能力，这对承受弯曲应力的道路面板尤为重要，但过高掺量导致胶凝材料体系强度不足，抗折能力下降。

3.3耐久性能

（1）抗氯离子渗透性。粉煤灰显著降低了混凝土的氯离子迁移系数（D_RCM），提高了抗氯离子渗透能力。这种改善作用随龄期增长和掺量增加而加强，掺量需控制在20%～30%范围内。28d耐久性FA20和FA30组的氯离子迁移系数比FA0组降低了35%～40%；FA40组明显降低30%。90d耐久性所有掺粉煤灰组的氯离子迁移系数进一步大幅下降。FA20和FA30组降至极低水平且＜2.0×10-12m2/s，比FA0组降低了60%以上。粉煤灰的火山灰反应持续消耗Ca(OH)2，生成更多低渗透性的C-S-H凝胶，细化孔结构，堵塞渗透通道，显著延缓氯离子侵蚀速率，可有效防止道路混凝土中钢筋锈蚀，延长市政道路使用寿命。

（2）抗冻性。经过300次快速冻融循环测试发现：①质量损失率，FA0组质量损失最大达1.2%，掺粉煤灰组质量损失显著减小；FA20和FA30组最小，仅0.3%～0.4%；FA40组为0.6%。②相对动弹性模量，FA0组下降最严重，可降至75%；FA20和FA30组保持率最高，可达95%，抗冻融能力优异；FA40组也优于基准组，测试结果为88%（表3）。因此，粉煤灰可改善混凝土孔结构，有效减少有害大孔、降低饱水度，同时火山灰产物增强浆体与骨料界面的黏结效果，共同提高混凝土抵抗冻融破坏的能力。

（3）耐磨性。分析28d龄期耐磨性测试结果发现：FA20和FA30组的单位面积磨损量最小，耐磨性最佳，显著优于FA0组；FA40组耐磨性略低于FA20和FA30组，但仍优于FA0组。混凝土良好的耐磨性可显著提升市政道路路面的使用寿命和行车安全。合适掺量的粉煤灰可提高混凝土耐磨性能，优化了混凝土的微观结构和表面硬度。

3.4微观结构分析

试验结果表明：①FA0组。水化产物中可见较多片状Ca(OH)2晶体，骨料－浆体界面过渡区存在微裂缝和孔隙，相对疏松。②FA20组水化产物以致密的C-S-H凝胶为主，Ca(OH)2晶体显著减少且尺寸变小；ITZ结构致密，孔隙明显减少，与骨料结合紧密。这是其优异力学性能和耐久性的微观基础。③FA40组。C-S-H凝胶较多，但未水化粉煤灰颗粒有所增加。ITZ结构优于FA0但略逊于FA20。因此，早期和部分后期强度较低与此有关。

4粉煤灰掺量优化意义

在市政道路工程建设中，粉煤灰作为典型的工业固废再生材料，其掺量配比直接关系到混凝土结构的施工性能与服役寿命。通过大量工程实践数据验证，掺量梯度实验揭示出20%～30%的最优掺量区间具有显著的综合效益。①20%以内低掺量区间的技术缺陷。当掺量低于20%时，粉煤灰的火山灰效应未能充分发挥，导致以下问题：水化反应速率延缓，3d抗压强度仅达基准组的65%～75%，迫使道路养护周期延长3～5d；水泥石结构密实度不足，28d碳化深度增加0.5～1.2mm；未能有效利用工业固废，每立方米混凝土减少粉煤灰消耗80～120kg，不符合绿色施工理念。②30%以上高掺量区间的性能隐患。过量掺入会导致材料体系失衡：60d龄期强度仍低于基准组8%～15%，影响重载路面的疲劳寿命；浆体黏度下降引发泌水率超标（＞2.5%），30%掺量段易出现0.3～0.5mm的表面微裂缝；二次水化反应过度消耗Ca(OH)2，使pH值降至11.2以下，削弱钢筋钝化膜稳定性。实验室数据显示，35%掺量组的300次冻融循环后质量损失率达1.8%，远超规范要求的1.0%限值。③20%～30%最优掺量的全周期效益。该掺量区间可实现三重平衡：施工性能方面，坍落度（180±20）mm、初凝时间4～6h，可满足高强混凝土摊铺作业要求；力学发展方面，7d强度在设计值的75%以上，60d强度反超基准组3%～5%；经济性方面，可降低每方混凝土材料成本35～50元，按20年寿命周期计算可节约维护费用15%～20%。采用25%掺量粉煤灰可比传统配比缩短7d工期，降低18%全寿命周期成本。这种科学配比不仅符合规范要求，还响应了国家节能减排号召，为市政道路建设科学利用高强混凝土提供可靠的技术支撑。

5结语

通过系统研究0%、10%、20%、30%、40%不同粉煤灰掺量对市政道路高强混凝土性能的影响，得出以下主要结论。

（1）改善工作性能。适量粉煤灰（20%～30%）可显著改善新拌混凝土的坍落度、扩展度，有利于施工操作，但是掺量超过40%时工作性略有下降。

（2）优化力学性能。粉煤灰混凝土早期7d强度随掺量增加而降低，但中后期28d后强度增长率显著提高。粉煤灰掺量20%时，混凝土各龄期抗压强度和28d抗折强度均为最高值，且后期60d、90d强度增长潜力最大；掺量30%时力学性能依然良好，与基准混凝土FA0相当或略优；掺量40%时，早期强度低，后期强度虽有增长但最终强度偏低。

（3）显著提升耐久性。粉煤灰提升混凝土耐久性效果显著。不同粉煤灰掺量均可大幅降低氯离子迁移系数，其中20%～30%掺量90d龄期的抗渗性最佳；掺粉煤灰特别是20%～30%时，显著降低冻融循环后的质量损失，并维持95%以上的相对动弹性模量，抗冻融能力优异；20%～30%掺量的粉煤灰可显著改善混凝土的耐磨性能。

（4）市政道路工程采用高强混凝土时，需要综合考虑其工作性、力学性能、耐久性，将粉煤灰掺量控制在20%～30%。粉煤灰在20%～30%掺量区间混凝土综合性能最优，尤其适用于早期强度要求高、需承受重载或者严酷环境路段；30%掺量的耐久性优异，可满足大多数市政道路混凝土的强度要求，且经济和环保效益显著；10%掺量对混凝土性能影响效果有限；40%掺量则对早期强度、最终强度存在不利影响，需谨慎选择。因此，推荐市政道路高强混凝土粉煤灰掺量以20%～30%为宜，不仅可以保障力学性能，还能减少水泥用量、降低施工成本。