严寒地区高性能道面混凝土应用研究.pdf

中国科技核 心期刊 斩 建巍 严妻地区高叶 生 链追面混凝土应用砜究 赵红 昌， 孙 中军， 于冰， 汪锐， 赵晓川 ( 中国航空港建设第八工程总队， 辽宁 沈 阳1 1 0 0 2 1 ) 摘要 ： 针对严寒地区自然环境条件恶劣， 铺筑传统的普通道面混凝土施工难度大， 易出现塑性收缩裂纹， 后期使用中易出现冻 胀脱皮、 开裂断板、 表面磨损等耐久性破坏现象， 通过掺加粉煤灰和引气减水剂等配制适用于严寒地区的高性能道面混凝土。结果 表明， 与传统的普通 道面混凝土相比， 粉煤灰和引气减 水剂 复合的高性能道面混凝 土匀质性好 ， 施工方便 ， 抗折 强度 、 抗冻性 、 抗渗 性和耐磨性等均有显著提高， 适合在严寒地区机场道面工程 中推广应用 。 关键 词： 高性能道面混凝土； 粉煤灰_ 夕 加剂； 应用研究 中图分类号： T U 5 2 8 3 7 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 2 0 0 3 Re s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f h i g h p e r f o r ma n c e p a v e m e n t c o n c r e t e i n c o l d a r e a Z H A0 Ho n g c h a n g ， S U N Z h o n g u n ， Y U B i n g ， W AN G R u i ， Z H A0 X i a o c h u a n ( T h e E i g h t h En g i n e e r i n g Gr o u p o f Ai r p o C o n s t r u c t i o n o f Ch i n a ， S h e n y a n g 1 1 0 0 21 ， L i a o n i ng ， Ch i n a ) 我国东北、 西北和青藏高原地区， 冬季寒冷而漫长， 夏季 凉爽而短促， 春夏多风沙， 昼夜温差大， 自然环境条件非常严 酷恶劣。 以往在这些地区采用传统的普通道面混凝土( 不掺外 加剂混凝土) 修建铺筑机场道面， 普遍存在施工和易性不易控 制、 易离析泌水、 易出现塑性收缩裂纹现象， 做面拉毛很困难。 混凝土硬化后虽然抗折强度满足设计要求， 但不同程度存在 着道面表面品质和耐久性不良 现象， 特别是冬季， 为防止道面 积雪影响飞机起飞降落， 常在道面上撒布除冰盐、 除冰液来降 低冰点， 消融冰雪， 以确保飞行安全， 避免事故发生。 但由于除 冰盐及除冰液的作用，也会不可避免地引起混凝土的冻融破 坏， 有些机场道面达不到设计使用年限即产生龟裂裂纹、 冻胀 脱皮、 开裂断板、 表面磨损等， 特别是遭受盐冻作用引起的表 面剥蚀现象尤为严重， 严重影响道面的使用功能， 危及飞行安 全， 不得不进行频繁的修补和翻修， 势必花费巨额维修和重建 费用， 造成了能源和资源的极大浪费， 不符合可持续发展的要 求 。改变造成混凝土劣化Il t J l 部条件是不可I i t t ， 只有从 材料内部因素入手提高混凝土的耐久 lt I t l ，配制出高耐久性 的混凝土， 才是最终的解决办法 。因此， 有必要针对严寒地 区道面混凝土的工作特点， 选择合适的材料与配合比， 在普通 混凝土中掺加粉煤灰、 引气剂、 减水剂等来配制及铺筑施工和 收稿 日期： 2 0 1 2 1 0 0 9 ； 修订 日期 ： 2 0 1 2 1 1 - 1 9 作者简介 ： 赵 红 昌， 男， 1 9 7 4年生 ， 河北 无极人 ， 工程 师， 主要研 究方 向 为机场 施 工与材 料 。地 址 ： 沈 阳市 铁 西区 腾飞 一街 2甲 3号， E - m a i l ： k j 8 z d 0 0 1 1 6 3 t o m。 2 0 新型建筑材料 2 0 1 3 1 2 易性好、 内部质量均匀、 表面品质优良的混凝土道面， 保证其 在设计使用年限内具有良好的使用功能， 发展我国 “ 长寿命、 低维护” 的机场水泥混凝土道面， 具有重要的军事、 经济和社 会意义。 1 试验概况 1 1 道面混凝土配制要求 ( 1 ) 抗折强度等级： 5 0 M P a ， 强度保证率要求9 5 ， 混凝 土均方差按0 5 M P a 计算， 配制强度应大于5 8 M P a ； ( 2 ) 和易性指标： 按目前机场道面工程惯用的干硬性混凝 土铺筑施工， 维勃稠度要求 1 5 3 0 S ， 以l 5 2 0 S 为宜； ( 3 ) 耐久性要求： 根据G J B 1 2 7 8 A -2 0 0 9 军用机场水泥 混凝土道面设计规范 要求， 混凝土道面设计基准期3 0 年， 抗 冻等级F 3 0 0 ， 含气量 3 5 ts J 。 1 2 混凝土原材料选择 依据G J B 1 1 1 2 A -2 0 0 4 军用机场场道工程施工及验收规 范 对混凝土组成材料和配合比设计的要求， 通过选择合适的 水泥、 骨料、 外加剂和优质混合料的技术路线3 1 ， 降低水胶比、 减少孔隙率、 增加水化产物和改善混凝土过渡区结构， 配制出 抗折强度高、 工作性好和耐久性优良的高性能道面混凝土。 通过调查和试验对比， 本试验原材料及其性能如下： 水泥： 4 2 5 道路硅酸盐水泥， 2 8 d 抗折强度9 2 M P a 、 2 8 d 抗压强度 5 2 0 M P a ， 密度3 1 5 m ； 粉煤灰： I 级粉煤灰， 密度2 4 g c m 3 , 4 5 L L m筛筛余2 5 ， 需水量比8 8 ， 烧失量3 0 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵红昌， 等： 严寒地区高性能道面混凝土应用研究 砂子： 河砂， 细度模数3 1 ， 含泥量 1 5 ， 密度2 6 5 g c m ， 堆积密度 1 5 2 0 k g m 0 ； 石子： 石灰岩碎石 5 2 0 m m、 2 0 4 0 m m两级配， 密度2 7 5 g c m ， 堆积密度1 7 0 0 k g m ； 外加剂： 聚羧酸系高效引气减水剂， 掺量0 5 1 5 。 1 3 混凝土配合 比设计 道面混凝土配合比设计依据 G J B 1 1 1 2 A -2 0 0 4要求进 行， 配合比参数水灰比、 水泥用量、 粉煤灰掺量、 外加剂掺量和 砂率的优选确定， 均以混凝土拌合物满足和易性要求为前提， 试拌结果满足设计要求后， 直接成型尺寸为 1 5 0 m m x l 5 0 m m 5 5 0 m m的抗折试件， 标准条件下养护2 8 d ， 根据G B Y 5 o 0 8 1 2 0 0 2 通混凝土力学性能试验方法标准 规定， 进行抗折强 度和抗压强度( 利用抗折试件断头) 试验， 在此基础上选择耐 久性能试验用代表性配合比( 见表 1 ) 。 抗冻性试验采用G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 通混凝土长期性能和耐久性性能试验方法标 准 中的快冻法进行； 抗渗性试验采用G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9中 的静水压力法和氯离子渗透法，静水压力试验中最终压力为 4 0 M P a ； 耐磨性试验根据 G B T 1 6 9 2 5 -1 9 9 7 混凝土及其制 品耐磨性试验方法 进行。另外， 考虑到混凝土拌合物的品质 对搅拌、 运输、 摊铺、 振捣、 做面、 拉毛等施工工艺影响很大， 实 验室试拌时还对混凝土拌合物的搅拌情况、 震动出浆、 气泡逸 出情况进行观测， 并进行做面、 拉毛模拟试验， 作为评判混凝 土工作性能、 配合比优劣的宏观依据。 ( 1 ) 普通道面混凝土配合比 根据传统经验， 选取水灰比0 4 2 0 4 6 ， 水泥用量 3 2 0 3 4 0 ，砂率2 6 3 2 ， 经过大量试拌调整， 最终确定了3 个配合 比( 编号 P 1 , P ： 、 。P ， 抗折强度不满足设计要求， P 2 , , P ， 抗折 强度均满足设计要求， 但 P 的水泥用量相对较少， 可作为代 表性配合比进行耐久性能对比试验。 ( 2 ) 掺粉煤灰道面混凝土配合比 参考文献 2 ， 选取粉煤灰掺量( 按占水泥和粉煤灰总质 量计) 2 0 3 0 ， 水泥用量2 7 0 3 0 0 k g ， 水胶比0 3 8 0 4 2 ， 砂 率 2 5 3 0 ， 进行试拌优选， 最终确定了3 个配合比( 编号 F 、 F 2 、 F ) 。 3 个配合比的和易性、 强度均满足设计要求， 但F ： 的 性价比较高， 优先考虑作为代表性配合比。 ( 3 ) 掺引气减水剂的道面混凝土配合比 选取水灰比0 3 8 0 4 2 ， 水泥用量 3 1 0 3 3 0 k g ， 引气减水 剂掺量 1 0 一 1 5 ， 砂率2 5 一 3 0 ， 配制含气量3 O 5 0 的新拌混凝土。经过试拌调整， 最终确定了3 个配合比( 编号 Y 。 、 Y 、 Y 3 ) 。 Y 的抗折强度不满足要求， Y 的抗折强度较高且 水泥用量较少， 可作为代表性配合比。 ( 4 ) 粉煤灰与引气减水剂复合的道面混凝土配合比 以上述粉煤灰道面混凝土为基础，掺加聚羧酸引气减水 剂 1 0 1 2 ， 含气量控制在 3 0 0 ， 试拌调整出3 个配 合比( F Y 。 、 F Y ： 、 F Y ， ) 。3 个配合比的和易性、 强度均满足设计 要求， 但F Y ： 的性价比 最优， 可作为代表性配合比。 2 试验结果与分析 2 1 试验具体配比与测试结果 混凝土配合比设计中选取的4 种代表性道面混凝土配比 和物理力学性能试验结果见表 1 ， 耐久性测试结果见表2 。 表 1 道面混凝土的配合比和物理力学性能试验结果 编水泥 粉煤灰 水胶砂率引气减维勃 含气量 强度 MP a 号 k g k g 比 水剂 稠度 s ， 编 号 抗渗性 耐磨性 渗水 C l 、 渗透 渗透性 磨槽 耐磨度 高度 mm 电量， c 评价 深度 ram ， 抗冻性 抗 冻 等级 2 8 2 F 2 1 5 4 Y2 1 2 6 F _Y2 1 0 8 2 2 结果分析 ( 1 ) 普通道面混凝土( 编号P 2 ) ： 混凝土拌合物的流动性 虽然满足设计要求， 但浆体干涩， 粘聚性、 保水性稍差， 有离 析、 泌水现象， 做面提浆、 拉毛较困难； 抗折强度虽然满足设计 要求， 但强度储备偏少； 抗渗性、 耐磨性较差； 抗冻等级仅达到 F 1 5 0 ， 不能满足严寒地区道面混凝土的抗冻等级要求， 只能 满足微冻和非冰冻地区道面混凝土的抗冻等级要求 。 ( 2 ) 单掺粉煤灰道面混凝土( 编号 F 2 ) ： 混凝土拌合物的 流动性、 粘聚性、 保水性都很好， 浆体很柔和， 不离析、 不泌水， 施工做面很方便； 抗渗性、 耐磨性明显优于普通道面混凝土； 抗折强度比普通道面混凝土提高9 ， 强度储备提高； 抗冻性 N E W BUI L DI NG MAT E RI AL S 21 n 乃 4 8 7 3 n L L L L 中低胝胝 舳如 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 赵红昌， 等： 严寒地区高性能道面混凝土应用研究 能比普通道面混凝土有较大提高， 抗冻等级达到F 2 0 0 ， 可以 满足寒冷地区道面混凝土的抗冻等级要求，但不满足严寒地 区道面混凝土的抗冻等级要求1 5 - 6 3 。 ( 3 ) 掺引气减水剂道面混凝土( 编号Y ) ： 施工和易性明 显优于普通道面混凝土， 拌合物铺筑振捣成型时不离析、 不泌 水， 浆体黏稠， 做面时提浆、 拉毛较方便； 抗折强度比普通道面 混凝土提高7 ， 增加了强度储备； 抗渗性、 耐磨性显著提高； 抗冻性能得到更大改善， 抗冻等级达到 F 3 0 0 ， 可以满足严寒 地区道面混凝土的抗冻等级要求5 -4 1 。 ( 4 ) 粉煤灰与引气减水剂复合的道面混凝土( 编号F Y 9 ： 混凝土拌合物和易性更好， 浆体黏稠， 提浆容易， 做面、 拉毛更 方便， 抗折强度比普通道面混凝土提高1 6 ， 强度储备大大 提高； 抗渗性、 耐磨性最优； 抗冻性能比普通道面混凝土明显 提升， 抗冻等级高达 F 4 0 0 ， 完全可以满足严寒地区道面混凝 土的抗冻要求嘲 。 2 - 3 机理分析 优质粉煤灰在混凝土中发挥的微集料效应、 填充效应、 火 山灰效应以及滚珠效应提高了混凝土的强度、 抗渗性、 抗冻性 和耐磨性。 首先， 粉煤灰的平均粒径要小于水泥粒子的平均粒 径， 它能填充于水泥粒子之间的空隙中， 使水泥石结构更为致 密。 其次， 粉煤灰中的活性S i 0 、 A 1 2 0 受水泥中C a ( O H ) 的激 发作用， 生成类似水泥水化产物 C S H凝胶， 填充了混凝土 自 身的毛细孔，改善了混凝土内部结构以及过渡区的界面结 构， 使混凝土的 密实度和孔结 构得到较大改 善_引 。 最后， 粉煤 灰的滚珠效应使混凝土拌合物的流动性、 粘聚性、 保水性提高， 浆体柔和， 不离析、 不泌水， 容易振捣密实， 方便做面拉毛， 表 面品质提高； 或可以减少用水量， 既减小水灰比， 也可大大提 高混凝土的密实度和强度， 进而提高抗渗性、 抗冻性和耐磨性。 在混凝土拌和物中加入高效引气减水剂， 在保持混凝土拌 和物原有流动性的情况下， 可以大幅度降低水灰比( 水胶比) ， 改善过渡区， 减少内部孔隙， 提高混凝土的密实度和强度， 抗 渗性和耐磨性明显提升，混凝土抵抗冻融和盐冻破坏的能力 提高 从而提高混凝土的耐久性。 引气组分在混凝土拌合过程 中引进无数微小独立、 均匀稳定的气泡， 互不连通的气泡阻断 了水分的迁移通道， 堵塞毛细孔， 提高混凝土的抗渗性， 同时， 气泡的存在可以缓解冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水 的 渗透 压力， 综合 提高了 道面混凝 土的 抗冻耐久性 7】。 3 工程应用 近年来我们在东北、 内蒙古等严寒地区的多个军用、 民用 机场道面工程中， 推广应用了掺引气减水剂的道面混凝土， 特 别是应 用粉煤灰与引 气减水剂复 合的 道面混凝土， 所拌制的 2 2 新型建筑材料 2 0 1 3 1 2 混凝土拌合物表观柔和， 流动性、 匀质性好； 从搅拌站后台运 送至前台道仓时不离析、 不泌水， 容易摊铺； 用多棒式振捣器很 容易振捣密实， 用条夯振捣整平后再用滚杠提浆很方便， 做面、 拉毛很容易， 做面后表观质量均匀， 平整度好， 平均纹理深度很 容易满足设计要求。 竣工后实测道面表面粗糙度、 平整度、 邻板 差等项目， 检验合格率达1 0 0 ， 完全满足道面表面使用功能要 求。实测现场道面混凝土预留试件的抗折强度达到 6 0 7 0 M P a ， 预留试件的抗冻性、 抗渗性、 耐磨性都大大优于普通道面 混凝土。 部分机场已 使用5 年以上， 没有发生冻胀脱皮、 开裂断 板、 表面磨损等破坏现象， 保证了道面的设计使用功能。 4 结语 ( 1 ) 普通道面混凝土虽然抗折强度满足设计要求， 但抗冻 性、 抗渗性、 耐磨性较差， 不能用于严寒地区机场道面工程。 ( 2 ) 掺粉煤灰道面混凝土， 施工和易性好， 抗折强度也较 高， 抗渗性、 耐磨性明显优于普通道面混凝土， 但抗冻等级不 满足严寒地区道面混凝土的要求。 ( 3 ) 掺引气减水剂的道面混凝土， 施工和易性、 抗折强度、 抗渗性、 耐磨性都明显优于普通道面混凝土， 抗冻等级达到 F 3 0 0 ， 可以用于严寒地区机场道面工程。 ( 4 ) 掺粉煤灰和引气减水剂的道面混凝土， 施工和易性好， 抗冻性、 抗渗性、 耐磨性明显提升， 完全能满足严寒地区道面 使用功能和设计寿命要求。 因此， 从确保工程质量、 发展“ 长寿命低维护 道面混凝土 等方面综合考虑， 严寒地区修建机场道面工程， 应优先采用粉 煤灰和引气减水剂复合的高性能道面混凝土，在粉煤灰难以 取得的情况下， 也可采用掺引气减水剂的高性能道面混凝土。 参考文献： 1 吴中伟 ， 廉 慧珍 高性能混凝土 M】 B 京： 中国铁道出版社 ， 1 9 9 9 2 王硕太， 马国靖 ， 朱志远 ， 等 高性能道面混凝土配合 比设计 川_ 公 路交通科技， 2 0 0 7 ， 2 4( 4 ) ： 2 5 2 8 【 3 】 P Ku m a Me h t a ， P a u I o J M Mo n t e i r o 混凝 土微观 结构 、 性 能与材 料 M】 覃维祖， 王栋 民， 丁建彤 ， 译 北京： 中国电力出版 社， 2 0 0 8 4 王硕太， 刘庆涛， 康笑楠， 等 引气剂和减水剂复配在机场道面混 凝土工程 中的应用研究 J 1 _新型建筑材料， 2 0 0 8 ( 7 ) ： 4 7 4 8 【 5 付亚伟 ， 蔡 良才， 王硕太 ， 等 道面混凝土抗冻耐久性 设计研 究 J 】 _ 新型建筑材料 ， 2 0 1 0 ( 9 ) ： 9 - 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