浅谈提高道面混凝土的耐久性学习资料.doc

浅谈提高道面水泥混凝土的使用寿命中国航空港建设第九工程总队本人多年来一直从事机场场道工程的施工工作，参与修建了多个军民用机场，其中包括西藏。由于高原地区环境恶劣、天气变化多端，施工难度较大，同时对采用传统混凝土混合料和施工工艺进行施工的道面质量造成很大影响，道面使用寿命不甚理想。2007年西藏某机场道面盖被前，我们按照军用机场场道工程施工及验收规范对旧道面破损实际情况进行排查统计，结果如下：（1）跑道旧道面板板角、板边破坏严重且面积较大需要修复的一共有1485处，旧道面板板角、板边破坏较轻微且面积较小的板块共有427处；（2）跑道旧道面接缝材料老化、隆起、塌陷、开裂、需要清理清除补灌部分约6.5万延米；（3）跑道旧道面掉边、掉角部分约4200余处；（4）跑道旧道面沥青砂修补缺损部分1300余处；（5）跑道旧道面需修补错台部分36处。现场调查显示，旧道面自建成至今30多年，仅使用过几次，即外部荷载（飞机及车辆荷载）对道面混凝土的作用并不严重。因此，混凝土面板的变形破坏主要为环境荷载引起。混凝土面板在外界环境作用下会产生伸缩变形和翘曲变形。面板变形会引起道面开裂、错台、拱起、位移及翘曲等破坏。可见混凝土面板的变形是影响该机场道面耐久性能的一个重要因素。1、 道面混凝土国内外研究现状道面混凝土研究领域主要包括四个方面，一是结构设计，二是材料优化，三是施工和养护技术，四是道面耐久性能研究。结构设计和材料优化保证了道面混凝土在合适的结构下充分发挥材料自身的特性；施工和养护技术则保障了混凝土各批次间性能的稳定和混凝土后期性能的发展；道面耐久性能是保证道面混凝土使用寿命的关键，也是前三个方面要达到的最终目标。为提高道面混凝土使用寿命，避免重复建设对环境和社会经济带来的负担，国内外研究道面混凝土学者均提出了“长寿命道面混凝土”的概念。2006年11月，来自美国、加拿大及欧洲五国的混凝土道面研究者提出从结构设计、材料性能优化、施工技术及维护管理四个方面出发研究长寿命道面混凝土。对于长寿命路面的设计寿命，国内外还没有形成统一的标准。各国对长寿命路面的寿命期望值一般为3560年。综合相关国家的研究，长寿命路面设计时应具备以下几个特点：（1）设计寿命达到40年以上；（2）在设计寿命期间不发生结构性破坏，路面的损坏只发生在表面功能层；（3）只进行日常养护，不需要进行结构性大修；（4）在设计使用寿命周期内尽量降低维修费用。水泥混凝土道面长期暴露于大自然，在使用过程中要承受飞行器动荷载、环境因素、气候等不利因素的复杂作用，极易产生破坏。目前，影响混凝土使用寿命的主要原因为道面混凝土的接缝问题、道面混凝土耐久性破坏及道面混凝土的变形。（1）道面接缝问题接缝混凝土道面是目前国内外机场道面主要的形式。由于水泥混凝土面板在车辆荷载及环境等作用下极易产生裂缝，普通混凝土道面需设置大量的接缝以控制开裂。然而接缝也成了道面混凝土的薄弱部位。随着外界温度和湿度的变化，接缝处频繁地张开和闭合，当接缝材料破损后，水和杂物进入接缝处而引起道面耐久性破坏。因此，接缝成了混凝土路面结构缺陷的根源，严重影响混凝土道面使用的安全和舒适性，降低了道面的使用寿命。为了解决水泥混凝土路面接缝存在的问题，主要技术途径有两种，一是从接缝构造和嵌缝材料入手，提高接缝的传荷能力和耐久性。二是从水泥混凝土路面板结构和材料入手，延长接缝间距，甚至完全不设伸缩缝。第一种方法虽然能提高接缝的性能，延缓了接缝损坏问题的产生，但不能从根本上减低接缝引起的道面不平整问题。第二种方法不但能从根本上减少接缝数量，降低接缝引起的问题，而且提高了道面的平整性和耐久性，对延长混凝土道面使用寿命具有重要意义。国外主要是采用连续配筋混凝土路面来降低面板接缝，提高道面的整体耐久性能。在国内，研究者们试图通过材料改性来增大道面板尺寸，以减少接缝数量。（2）道面混凝土的耐久性道面水泥混凝土在车辆荷载、气候环境等因素影响下会产生一系列耐久性破坏，主要包括以下几方面：抗冻性、抗冲击性、耐磨性、耐腐蚀性、碱集料反应等。引起道面混凝土的耐久性问题复杂，有时几个因素同时出现，且彼此间相互关联，相互影响。研究表明，冲击磨损破坏和冻融破坏是道面混凝土耐久性破坏的主要的两种表现形式。文献表明，抗磨性与抗折强度和抗压强度均有线性正比关系，且与抗压强度相关性高于抗折强度。提高道面混凝土抗磨损能力的措施，可通过提高混凝土的韧性、降低脆性，减少原生缺陷。有研究者采用表面强化剂吸收下部混凝土泌水，在表面形成低水灰比和强耐磨的面层，可使耐磨性提高23倍。使用引气剂是提高道面混凝土抗冻性最有效的措施，适当引气有增加工作性、提高抗折强度、减小温度翘曲应力、降低弹性模量、增强耐候性的效果，因此对温差大的地区应在道面混凝土施工中使用引气剂。（3）道面混凝土的变形道面混凝土的变形除外界荷载作用下的引起外，还有自身水化及外界温度和湿度引起的变形。化学减缩取决于混凝土的水泥用量，使混凝土孔隙率增加。干燥收缩是引起混凝土早期开裂的主要原因。道面混凝土的变形是道面混凝土使用中开裂及破坏的最主要因素。由于弹性模量是决定与环境效应有关的应变诱发应力大小的基本参数，弹性模量越低，一定收缩量所引起的弹性拉应力越小；抗拉强度越高，拉应力超过临界强度使材料开裂的可能性越小。机场水泥混凝土道面的温度随四季温度周期性的变化以及日温度变化而产生周期性的膨胀、收缩等变形。同时，由于混凝土是热的不良导体，当外界气温变化时，板块顶面和底面产生温度差，面板内部伸缩变形不一致引起道面板的翘曲变形。当道面因温度变化产生的变形受到约束时，将产生温度应力。研究者们在不同的假设条件下，推导出关于道面混凝土温度梯度引发的温度翘曲应力的不同的计算公式。从材料角度，通过降低道面混凝土材料的热膨胀系数，降低伸缩变形，改变混凝土板的传热特性，减小板的温度极差，减小温度变形，降低温度应力，以便延长缩缝间距，减少缩缝数量。由于高海拔地区气候环境特殊，道面混凝土极易在环境温度和湿度作用下产生变形。为了分析道面板在高海拔地区变形规律，下文着重从面板的翘曲变形和伸缩变形作用机理和影响因素出发综述国内外研究现状。2 混凝土的翘曲变形 混凝土面板的翘曲变形是由于面板在环境温度、湿度的变化作用下发生中间拱起或四角上翘的变形。混凝土面板的翘曲变形不但破坏了道面的外观、引发道面行车的安全隐患，而且还会在荷载及自重的共同作用下引起面板断裂、边角碎裂、错台及接缝材料破损等一系列问题，严重影响了道面的耐久性能。由于面板的翘曲变形与环境温度、湿度、原材料性能及结构设计排水等众多因素有关，众多学者均从不同角度提出了翘曲变形的作用机理，有学者归纳出引起翘曲变形的五个作用因素：（1）温度梯度，由于受环境温度的影响，混凝土面板内部温度一直变化。白天在大气温度及太阳辐射的作用下，面板表面升温较快，底部温度相对较低。此时形成的正温度梯度使得面板上表面为张应力，下表面为压应力，面板产生中间拱起的温度应力；夜晚大气降温较快，表层温度随之降低，而底部温度相对较高，此时形成的负温度梯度使得面板产生四角翘曲的变形趋势。文献显示，大气温度、太阳辐射、云量变化及降水都会影响面板内部的温度梯度。（2）湿度梯度，研究表明，混凝土表层（05cm）湿度变化随大气相对湿度的变化而波动，而面板底层的湿度则保持饱水状态。在雨季，面板内部湿度梯度较小，产生的翘曲变形小；在干季，面板表层的湿度低，内部湿度梯度相对较大，产生的翘曲应力也变大。面板的湿度梯度主要受环境的相对湿度、降水量及结构设计中基础的渗透性能和排水性能等。（3）干燥收缩，干燥收缩主要是由于硬化混凝土失去水分引起的收缩变形。干燥收缩通常发生在表层失水较快的混凝土，底部混凝土则常常处于饱水状态，干燥收缩相对较小。由于面板内部干燥收缩的不均匀，也会产生翘曲变形。（4）初始温度梯度，混凝土面板浇筑通常选择在相对较暖的季节里，且大多数在白天进行。由于白天浇筑，顶部温度比底部温度高，此时成型的混凝土面板内部便有初始温度梯度，且初始温度梯度值不为零，当面板内部温度场趋向零时，面板会发生翘曲变形。（5）徐变，徐变可以抵消初始温度梯度及干燥变形引起的翘曲变形，资料表明，徐变能降低50%的收缩值。综上可知，混凝土面板翘曲的作用机理是：混凝土面板在外界温度、湿度变化下，内部各面层间因温度和湿度分布不均匀而引起温度梯度和湿度梯度的产生，面板在温度梯度和湿度梯度作用下产生翘曲变形。当混凝土的翘曲变形受到约束时，混凝土内部会产生翘曲应力。因此，翘曲应力的大小与面板内部的温度梯度和湿度梯度的大小有关。温度梯度受大气温度和太阳辐射的影响，变化迅速且波动幅度大。而由于混凝土的水分扩散系数比热扩散系数（导温系数）要小12001600倍，因此，混凝土的内部湿度变化速度远小于温度变化的速度。混凝土内部的湿度梯度常年保持顶部干燥、底部湿润的状态，且随干雨季节波动不大。而混凝土内部的温度梯度则每日均出现正负温度梯度交替的状态，因此，混凝土内部温度梯度的强度和变化频率均大于湿度梯度，温度梯度是影响混凝土翘曲变形的一个重要因素。由翘曲变形机理可知，面板翘曲变形的两大主要影响因素为温度梯度和湿度梯度，以下几点均是影响面板内部温度梯度及湿度梯度的因素：（1）环境因素，大气温度、太阳辐射、空气相对湿度、云量、降水量及风速等；（2）结构设计，面层厚度、基层材料透水性、排水结构等；（3）材料性能，混凝土导热性能、混凝土孔结构、混凝土渗透性能、混凝土水分扩散性能等。综合上述影响因素可见，除环境因素外，可以通过优化结构设计和材料改性来降低道面板的翘曲变形。优化结构设计可通过控制面板厚度、提高基础透水性，改善排水结构等措施，降低面板上下层间的湿度梯度。控制合理的面板厚度对控制面板内部温度梯度也有积极意义。材料改性可通过选择低水化热的水泥、导热系数高的集料，控制合适的水灰比的措施，改善混凝土的热学性能、提高密实度、改善孔结构，能有效控制面板内部的温度梯度。3混凝土的伸缩变形3.1 混凝土的收缩（1）塑性收缩塑性收缩是指在混凝土初始结构形成以前的塑性阶段的收缩，即凝结以前的收缩，是引起塑性开裂的原因。塑性收缩一般都是各向异性，可以是因为化学反应、重力作用以及塑性阶段的干燥失水所引起。（2）干燥收缩干燥收缩是指硬化后的混凝土在不饱和湿度的空气中失去水分而引起的收缩。普通混凝土由于水灰比较高，成型后内部还有大量的水分，当外界相对湿度低于混凝土内部时，内部的水分在湿度梯度作用下向外蒸发引起收缩。混凝土内部的水包括吸附水、自由水、化合水和层间水，它们在湿度梯度作用下的传湿过程和对混凝土收缩的影响各不相同。大孔（孔径大于10m）和大毛细孔失水并不引起收缩。混凝土的干燥收缩主要是由小毛细孔和水化产物的吸附水及层间水的失去而引起。影响干燥收缩的主要因素有：龄期、水灰比、胶凝材料种类、养护条件及环境湿度等。干燥收缩是道面混凝土表面裂缝的主要诱因。（3）自收缩自收缩与自干燥收缩的区别为：自收缩是指水泥基材料在密封养护、等温的条件下表观体积的减小。化学减缩是引起自收缩的原因，在塑性阶段二者近似相等，当浆体初始结构形成以后，自收缩要小于化学减缩。自干燥收缩则是指在密封的条件下水泥浆初始结构形成以后，由于水泥进一步水化在体系内部形成空孔，引起的内部相对湿度的下降所引起的收缩，是自收缩的一部分，也是最重要的一部分。与自干燥收缩相对应的是初始结构形成以前由于化学减缩而导致的表观体积的减小，称之为凝缩，也是自收缩的一部分。在国内，多是将自收缩等同于自干燥收缩，认为由于密封的混凝土内部相对湿度随水泥水化而减小，所引起的自干燥造成毛细孔中的水分不饱和，而产生压力差为负值，因而引起混凝土的自收缩。自干燥收缩在高性能混凝土中表现尤为突出。关于混凝土自干燥收缩机理，目前比较认同的是毛细管张力学说。由于未水化的胶凝材料继续水化需要水分，当无外界水或水化引起的耗水速率大于外界水的迁移速率时，在混凝土内部就会发生水分迁移，导致其内部孔隙形成凹液面，产生的拉应力引起自干燥收缩。自收缩的影响因素主要有：水泥种类、水胶比、掺合料和集料：其他因素还有外加剂、养护条件、水泥浆含量等等：影响水化过程的因素均不同程度地影响自收缩。（4）化学减缩混凝土的化学减缩是指在混凝土内水泥水化的过程中，水化产物的绝对体积同水化前水泥和水的绝对体积之和相比有所减小的现象。影响混凝土化学收缩的因素主要有：水泥的矿物组成、水化时间、集料的性能以及掺合料等。（5）碳化收缩碳化收缩是由于大气中的二氧化碳溶于混凝土孔溶液中，与水泥的水化产物发生化学反应而引起的收缩。碳化收缩的大小与水化产物的碱度、结晶水等因素有关。碳化增加混凝土的不可逆收缩量，碳化收缩和干燥收缩的叠加受到内部混凝土的约束，可能引起混凝土严重开裂，对混凝土产生不利影响。碳化生成的碳酸钙填充混凝土孔隙，增加了混凝土的强度，降低了渗透性。道面混凝土暴露的薄板结构特点，使其较易发生碳化反应，导致碳化收缩。碳化收缩与干燥收缩的叠加极易造成道面混凝土表面龟裂。（6）温降收缩温降收缩是指混凝土由于自身随外界温度的降低而产生的收缩。温度收缩的大小与混凝土的热膨胀系数、混凝土内部最高温度和降温速率等因素有关。目前，由于水泥细度增大，早期的水化速度快，水化放热量大，混凝土施工早期温降收缩应力增大，更容易发生施工期间的温度收缩开裂。温度收缩是导致施工中断板的最主要原因。因此，在道面混凝土设计与施工中必须考虑水化热和温度控制，如优化混凝土配合比设计和控制施工温度。3.2 混凝土的膨胀混凝土面板平均温度的日变化幅度一般在15以内，而年变化幅度则视地区不同可达50，甚至6070。混凝土面板在成型硬化后的长度随着板温的增加而伸长，对混凝土面层影响较大的主要是一年内温度的变化。当混凝土在低温施工时，由于年内温升幅度较大，面板产生较大的膨胀变形。面板的膨胀变形受到板底面与基层顶面的摩阻应力及邻板的约束时会产生压应力。此压应力可使接缝内嵌入坚硬杂物的横向接缝出现混凝土碎裂损坏。由于板厚远小于板长（即杆件的细长比小），在较大的压应力作用下，面层板有时可能出现因屈曲失稳而产生的拱起破坏。 为避免膨胀压应力带来的损坏，可通过选择在较高的温度下施工，但提高施工温度又会增加低温时收缩应力和出现温缩缝的几率。因此合适的施工温度应兼顾减少高温拱起和低温缩裂两个方面。资料表明，基础的摩阻系数也会影响压应力的大小，而选择合适的基础材料同样要兼顾膨胀和收缩两方面因素。4提高体积稳定性的措施近年来，国内某工业大学试图从材料优化角度改善混凝土性能，我单位有幸与该大学开展了一些合作，在西藏G机场为其提供试验场地。开展的试验科目有以下两种：4.1 纤维增强膨胀混凝土膨胀混凝土是通过混凝土硬化过程中产生体积膨胀而获得一定预应力的混凝土。可分为两种：一种是在普通混凝土中掺入一定剂量的膨胀剂，其自应力较低，一般在1MPa以下称为微膨胀混凝土或补偿收缩混凝土；另一种采用膨胀能力较大的自应力水泥或掺入大剂量的膨胀剂，从而产生较大的自应力，自应力值可达3.06.0MPa，称为自应力混凝土。将纤维加入膨胀混凝土中，可使纤维的增强增韧效应与自应力产生超叠加作用，以获得抗裂和韧性优良的复合材料。 4.2配筋微膨胀混凝土不配筋的素混凝土路面在温度和湿度发生变化时，体积将发生膨胀或收缩，产生变形。若混凝土路面受到某种约束而不能自由变形，必将产生断裂或其他破坏。预留胀缝和缩缝便是为避免产生不规则裂缝，在施工时专门设置的。但各种裂缝却成了面板的薄软环节，容易产生破损而影响路面使用品质。设置温度钢筋可以将混凝土收缩应力传给钢筋，使混凝土保持紧密接触，以此可以适当延长缩缝间距。连续配筋路面在纵向配有足够的数量的钢筋，以抵制混凝土路面纵向收缩产生的裂缝，因此连续配筋道面可以不设胀缝和缩缝，形成完整而平坦的行车表面，改善了汽车行车的平稳性，同时也增加了路面板的整体强度。将膨胀剂加入配筋混凝土道面中，利用膨胀剂产生的膨胀能降低混凝土自身收缩，从而避免了配筋混凝土道面微裂缝的产生，提高了道面的整体体积稳定性。近年来，国内外学者对道面混凝土做了大量研究，取得了丰富的成果，但在高海拔地区特殊气候和地理环境下机场道面混凝土的变形破坏规律尚未有系统的研究。上述提到的两种膨胀混凝土在试验中也获得了良好的效果，希望能够在实际工程中使用，在使用中进一步研究和论证。