西安咸阳国际机场二期防冰坪混凝土抗冻融试验分析.pdf

第 3 8卷第 6期 2 0 1 2年 1 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2 23 西安成阳国际机场二期防冰坪混凝土抗冻融 试验分析 曾运财， 郝 伟 ， 徐英国， 曹海军 ( 中国航空港建设第九工程总队， 四川 成都6 1 1 4 3 0 ) 摘要： 为准确制定西安咸阳国际机场防冰坪混凝土配合比， 测定了单轴抗拉强度、 动弹模量、 质量损伤等方面的 试验数据。在分析试验资料的基础上， 建立了} 昆 凝土冻融循环次数与质量损失和动弹模量折减之间的相关关系， 可为机场水泥混凝土道面设计、 维护及剩余寿命预测等问题提供参考。 关键词 ： 水泥混凝土； 冻融 ； 动弹模量； 质量损失 中图分 类号 ： T U 5 2 8 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) O 6 —2 2 3—0 3 O 引 言 西安咸 阳国际机场二期扩建项 目在南飞行 区跑 道西北侧设置 1个 E类隔离机坪和 1 个除冰坪， 东 北侧设置 1 个除冰坪， 道面面积合计约 1 8 ． 2万平方 米 ， 道肩面积合计约 0 ． 9 3万平方米。由于初冰坪 的 特殊用途， 因此在进行混凝土配合 比设计时要着重对 其耐久 陛进行分析。机场水泥混凝土道面的耐久性 破坏过程是一个复杂的物理、 化学过程 J ， 其强度、 抗 冻性 、 抗渗性、 耐磨性和抗冲击性等耐久性指标下降 往往是引起道面结构不能使用的重要原因。同时， 北 方寒冷地区机场道面混凝土耐久性损伤主要是 由于 冻融循环作用 ， 常出现道面表面层起皮、 脱落、 剥蚀 ， 轻则使表面功能性构造丧失， 影响正常使用 ， 重则造 成错台、 翘 曲、 裂缝、 侧移 ， 甚至断板 ， 严重减短道面 寿命 ， 给使用单位和国家造成重大的经济损失。 目前 ， 我 国现行 的} 昆凝土抗冻性试验方法 的主 要缺陷是没有考虑到混凝土 的实 际使用环境 和条 件 ， 大家普遍认为抗冻性是混凝土的一种本质属性 ， 与其所处的实际环境无关。但从长期的研究情况看 来 ， 并非如此。P o w e r s曾经说过 ， 混凝土本身并没有 抗冻性或耐久性这样一种内在 的性质 ， 试图从这样 的观点衡量抗冻性是徒劳 的 ， 同时 ， 现有的关于 凝土长期性能和耐久性能试验方法》 抗冻性能试 验中的“ 快冻法” ， 结合西安咸阳国际机场二期防冻 坪道面混凝土抗冻融试验 ， 对解决影响混凝土抗冻 融性能的部分因素进行 了对 比分析 ， 对提高高寒地 区机场道面耐久性具有一定的现实意义。 1 试验 1 ． 1 试验材料 I ) 水泥 ： 山西省新绛威顿水泥有 限责任公司生 产的 4 2 ． 5道路硅酸盐水泥 ， 经试验其 物理 、 力学性 能满足《 MH 5 0 0 6 --2 0 0 2 )) 技术要求。 2 ) 细集料 ： 陕西杨凌生产 的砂 ， 经试验其技术 指标满足《 M H 5 0 0 6 --2 0 0 2 )) 技术要求。 3 ) 粗集料 ： 陕西泾阳生产 的 5～ 2 0 mm、 2 0～4 0 mm碎石 ， 二 级碎石 通过优选 法试 验 ， 选择 5—2 0 F n i n ： 2 0～ 4 0 m m= 5 5 ％： 4 5 ％为最优掺配比例 。 4 ) 水 ： 混凝土拌和用水 为西安咸 阳国际机场二 期扩建工程饮用水 ， 经试验水质满足混凝土拌和用 水要求 。 5 ) 外加剂 ： 为满足混凝土抗冻 要求 ， 在 混凝 土 中掺入一定量的引气减水剂 。本次试验选用 的引气 减水剂为 中航 明星外加剂厂生产 的 Z H一 3型引气 减水剂 ， 其掺量为水泥质量的 2 ％。 冻融循环后混凝土 的试验研究 ， 主要集 中于普通混 1 ． 2 配合 比设计 凝土 ] ， 本文针对我国北方地 区机场水泥混凝土道 通过经验总结及大量试探性试验分 析， 初步确 面遇到的耐久性问题 ， 根据现行 G B J 8 2 --8 5 ( 普通混 定 3种类型配合 比见表 1 。 表 1 混凝土 的配合 比 收稿 日期 ： 2 0 1 1 6 - o 8 作者简 介： 曾运财 ( 1 9 7 5一) ， 男 ， 工程师 ， 主要从事工程管理工作。 E —ma i l ： l u o c h a _2 0 0 6 @ 1 6 3 ． c o m 1 ． 3试 验方 法 依据 MH 5 0 0 6 --2 0 0 2 《 民航 机场飞行 区水 泥混 2 2 4 四川建筑科学研究 第3 8卷 凝土道面面层施工技术规范》 、 J T G E 3 0 --2 0 0 5 《 公路 工程水泥及水 泥混凝土试 验规程》 、 J T G E 4 2 --2 0 0 5 《 公路工程集料试验规程》 等进行混凝土 7 d和 2 8 d 抗折强度和快速冻融循环试验。 试验分为以下两个主要 内容： 1 ) 按表 1所示的配合 比进行搅拌 ， 同类型的混 凝土制作成 2组 1 5 0 mm x 1 5 0 mm x 5 5 0 mm的试 件 ， 每组各 3个试件 ， 成型后 2 4 h拆模 ， 放入标准养 护室养护 7 d和 2 8 d后取出 ， 分别测试其抗折强度。 2 ) 按表 1 所示的配合 比进行搅拌 ， 同类 型的混 凝土制作成 2组 1 5 0 m m x 1 5 0 m m x 5 5 0 m m 的试 件 ， 每组各 3个试件 ， 对混凝土试件分别进行 0 、 5 0 、 1 0 0 、 1 5 0 、 2 0 0次冻融循环后进行力学性能试验。抗 冻性试验方法按 J T G E 3 0 --2 0 0 5 ( 公路工程水泥及水 泥混凝土试验规程》 进行。采用快速冻融法 ， 在 试 验过程 中试件均处于饱水状态。设定每循环 2 5次 ， 停机测试 1次试 件的横 向 自振频率 和饱 和面干质 量 ， 结果采用相对 动弹性模量 ( P ) 和质 量损失率 ( I V) 来评定 ， 当 P 5 ％时 ， 即认 为试 件已发生冻融破坏。试验仪器为 C D R ． I I 型混凝土 快速冻融试验机和 D T 一 8 W 型动弹仪。 2 试验结果与分析 2 ． 1 混凝土工作性与抗折强度 良好的工作性是确保混凝土施工质量的基础和 前提 ， 抗折强度是道面混凝土承载力和耐久性最基 本的衡量标准。本文根据 1 ． 3中的试验方法制备 3 种类型混凝土试件 A、 B、 c， 每种类型2组， 每组 3个 试件 ， 分别测试其坍 落度和 7 d 、 2 8 d抗折强度， 测 试结果见表 2 。 表 2 混凝土抗折试验结果 试件编号 龄期／ d 坍落度／ mm 抗折强度平均／ MP a 7 2 8 7 2 8 7 2 8 5 ． 5 6 ． 9 6 ． 0 6 ． 9 5 ． 7 6 ． 4 从表 2可以看出， 3 种类型的混凝土试件 2 8 d 抗折强度均都达到机场道面混凝土 5 ． 0 MP a的设计 强度要求。同时， 随着水灰 比的增加 ， C类型坍落度 明显增加。其 中 B类型 的 7 d抗 折强度平均值最 大 ， 为 6 ． 0 M P a ， 即随着水灰 比和水泥用量 的增加 ， 混凝土早期强度上 升较快。A与 B的 2 8 d抗折强 度同为 6 ． 9 M P a最大 ； 水灰 比和水泥用量较小 的 A 在早期混凝土强度较低 ， 随着养护时间的增加 ， 混凝 土强度不断增 大， 最终 与 B相 同， 这与混凝土性质 相一致 。综上 ， 为了选择最优 的混凝土配合 比来铺 设防冻坪 ， 本文主要就水灰 比和水泥用量对混凝土 的抗冻融 陛能的影 响进行分析。 2 ． 2水灰 比对冻融试验结果的影响 从表 1 可以看出， B和 C两种类型试件 ， 水泥用 量相 同， 水灰 比不 同。采用 1 ． 3中的试验方案进行 冻融试验 ， 不同冻融次数后 B和 C的试验结果见表 3。 表 3 不 同冻融程度下混凝土的抗冻性 R r 冻融循环次数 — — — — — ； — 质量损失／ ％0 0 0 0 ． 1 2 0 ． 3 0 0 0 0 0 ． 1 4 0． 3 6 由图 1可以看出 ， 随着冻融循环次数的增加， 混 凝土试件 的相对 动弹模 逐渐减 小 ， 当冻融 次数在 1 0 0以后 ， 相对动弹模量减小速度 明显加快。由图 2 可以看出， 混凝土试件在 2 0 0次冻融循环后 ， 质量损 失均未超过规定值 5 ％ ， 同时相对动弹模量还没有 达到规定值 ， 抗冻等级为 F 2 0 o， 可以看 出， 普通混凝 土的冻融破坏是由于冻融损伤引起的。 图 1 相对动弹模量与冻融循环次数的关系 图 2 质量损失与冻融循环次数的关 系 混凝土的冻融破坏是 由表及里逐渐破坏的， 冻 融循环系数较少时外观变化不明显， 随着冻融次数 的增加 ， 混凝土表面开始剥落 ， 有微小孔洞出现 ， 并 逐渐连通至整个水泥浆表层脱落 ， 混凝土表面呈麻 状 ， 掉渣较多。从 图 2可 以看 出， 在冻融循环达 到 2 0 1 2 N o ． 6 曾运财， 等： 西安咸阳国际机场二期防冰坪混凝土抗冻融试验分析 2 2 5 1 0 0次时 ， B 、 C两种类型试件 的失重率始终为 0， 即 可认为两种试件一直未 出现剥落 ， 当冻 融循环次数 超过 1 0 0时， 试件失重率逐渐增加转为正值 ， 故可认 为试件逐渐开始剥落。从 图 1中可以看 出， 抗冻融 能力最好的是类型 B ， 其抗冻等级达到 F 2 0 0以上， 当冻 融 循 环 到 2 0 0次 时， 其 相 对 弹 性 模 量 达 到 9 6 ． 6 ％。从分析结果同样可以得 出： 混凝土 的抗冻 融 眭能随着水灰 比的减少而增强 。同时可 以看出 ， 在相同冻融循环次数下 ， C的失重率大于 B， 即随着 水灰比的增加 ， 混凝土试件 的抗冻融性能逐渐变差。 2 ． 3水泥用量对冻融试验结果的影响 从表 1中的冻融试验结果可 以看出， A、 B两种 类型试件水灰 比相 同， 水泥用量不同。采用 1 ． 3中 的试验方案进行冻融试验 ， 不同冻融次数后 A、 B的 试验结果见表 4 。 表 4不同冻融次数后 A、 B的试验结果 A R 冻融循环次数 — — — — — — — j 相对动弹模量／ ％ 1 0 0 9 8 ． 3 9 8 ． 3 9 7 ． 3 9 6 ． 1 1 0 0 9 8 ． 4 9 8 ． 2 9 7 ． 1 9 6 ． 0 质量损失／ ％0 0 0 0 ． 1 2 0 ． 3 8 0 0 0 0 ． 1 4 0 ． 3 6 对冻融试验结果 的分 析如图 3 、 4所 示 ， 从 图 3 中可 以看出， 当冻融循环达到 1 0 0次 以前 ， B的相对 动弹模大于 A， 而 当冻融循环次数达到 1 0 0次后 ， A 的相对动弹模下降速度明显加快。抗冻融能力最好 的是类型 B， 其抗冻等级达 到 F 2 0 0以上 ， 当冻融循 环到 2 0 0次时 ， 其相对弹性模量达到 9 6 ． 6 ％。从 分 析结果同样可 以得出 ： 在水灰 比相同的情况下 ， 随着 水泥用量的增加 ， 混凝土的抗冻融性能随之增强。 1 0 0 99 98 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 冻融循环次数 图 3 相对动弹模量与冻融循环次数的关系 同样 ， 从图 4可以看出， 普通混凝土在 1 0 0次冻 融循环前 ， A、 B的失重率为 0 ， 即混凝土几乎质量无 损失， 当冻融循环超过 1 0 0次后 ， A、 B失重率明显上 升 ， 这主要是 由于随着冻融循环次数的增加 ， 试件表 面逐渐开始出现剥落现象， 表面开始掉渣 ， 骨料部分 裸露。从图 4中可 以看 出， 当冻融循环次数增加到 2 0 0 次时 ， A、 B的失重率均为超过规定值5 ％ ， 而相 图4 质量损失与冻融循环次数的关系 对动弹模量还没有达到规定值 ， 抗冻等级为 F 2 0 0 。 3 结 语 通过对 以上试验结果分析 比较发现 ， 随着水灰 比的增加 ， 混凝土的抗冻性能逐渐降低 ， 在水灰比不 变的情况下 ， 随着水泥用量的增加， 混凝土抗冻性能 也有微弱的增加 ， 但这种增加的幅度 ， 与水泥用量 的 增加量具有一定的关系。 从本次冻融 试验结 果分 析可 知 ， 配合 比编号 2 0 1 0 S P C一 2 B的抗冻融性 能最好 ， 其次为 2 0 1 0 S P C 一 2 A， 2 0 1 0 S P C 一 2 C。 由 于 2 0 1 0 S P C 一 2 B 与 2 0 1 0 S P C一 2 A相 比， 水 泥用量 明显增加 ， 故从经济 性考虑倾 向于采用 2 0 1 0 S P C一2 A 的配合 比。从技 术性考虑， 2 0 1 0 S P C一 2 A的2 8 d 抗折强度平均值为 6 ． 9 MP a ， 达到设计抗折强度 1 3 8 ％ ， 达到 配制抗折 强度 1 2 0 ％ ， 实测 含气 量 3 ． 3 ％ ， 相对 动 弹性模 量 9 6 ． 1 ％， 质 量 损 失 率 0 ． 3 8 ％ ， 均 满 足 《 MH 5 o 0 6 — 2 0 0 2 } 技术规范及设计值要求 。因此 ， 本文推荐选 取 2 0 1 0 S P C一 2 A作为西安咸阳国际机场二期防冻 坪道面混凝土的配合 比。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 金伟 良， 赵羽习． 混凝土结构耐久[ M] ． 北京： 科学出版社， 2 0 o 2 ． [ 2 ] 徐定华 ， 徐敏． 混凝土材料学概论 [ M] ． 北京 ： 中国标准 出版 社， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 施士升． 冻融循环对混凝土力学性能的影响[ J ] ． 土木工程学 报， 1 9 9 7 ， 3 0 ( 4 )： 3 5 ． 4 2 ． [ 4 ] 程红强． 冻融对混凝土强度的影响[ J ] ． 河南科学， 2 0 0 3 ， 2 1 ( 2 ) ： 2 1 4 - 2 1 6 ． [ 5 ] S o r o u s h i a n P， Mo h a ma d N， Ok w u e g b u A ． F r e e z e — t h a w d u r a b i l i t y o f l i g h t w e i g h t c a r b o n fi b e r r e i ~ o m e d c e m e n t c o m p o s it e s[ J ] ． A C I Ma t e r J ， 1 9 9 2 ， 8 5 ( 5 ) ： 4 9 1 - 4 9 4 ． [ 6 ] A l e x a n d e r M G ， M a g e f B J ． D u r a b i l i t y p e r f o r m a n c e o f c o n c r e t e c o n — t a i n i n g c o n d e n s e d s i l i c a f u m e[ J ] ． C e m a n d C o n c r IR e s ， 1 9 9 9 ， 2 9 ( 2 9 ) ： 9 1 7 - 9 2 2 ． [ 7 ] G B J 8 2 --8 5普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法[ s ] ．