新桥机场道面混凝土耐久性试验研究.pdf

2 0 1 2年第 4期 ( 总 侣 5期 ) 安徽建筑 虽 检 澳 4 、 试 验 与 测 量 技 术 目 新桥机场道面混凝土耐久性试验研究 E x p e r i me n t a l S t u d y o n Du r a b i l i t y o f Co n c r e t e o f Xi n q i a o Ai r f i e l d P a v e me n t 项炳泉 t ， 廖绍锋 z ， 王爱国 。 ， 孙道胜 ， 徐 乐 ， 翟红侠 ( 1 安徽省建筑科学研究设计院 ， 安徽合肥2 3 0 0 0 1 ； 2 安徽建工建设科技有限公司 ， 安徽合肥2 3 0 0 0 1 ； 3 安徽建筑工业学院 ， 安徽合肥2 3 0 0 2 2 ) 摘 要 ： 以提高合肥新桥国际机场道面混凝土耐久性为目标， 详细阐 述 了研究思路 通过 实验 室的原材料选择 、 配合比正交 实验、 力 学及 耐 久性研 究 ， 配制出了道 面混凝 土耐久性最佳配合比 关键词 ： 机场； 道面混凝土； 耐久性； 配合比 中图分类号 ： TU 2 7 9 7 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 7 7 3 5 9 ( 2 O 1 2 ) 0 4 一 O 1 7 2 O 5 1 项 目概述 合肥新桥国际机场是国家和我省 十一五 重点规划建设 项 目， 也 是国 内重要干线机 场 ， 建成后 将大大提 升我省空港 等 级和营运能力。 合肥新桥机场为国内干线机场， 位于肥西县高刘镇和寿县 刘岗镇交界处 ， 距合肥市中心直线距离 3 1 8 k in， 附近有合叶、 合淮阜高速公路、 3 1 2国道和宁西 、 淮南、 合九铁路通过。 新桥机场将满足近期( 2 0 2 0年) 旅客流量 1 1 0 0万人次 ， 货 邮吞吐量 1 5 X 1 0 4 t ，飞机年起降架次 1 1 万架次的需求；远期 2 0 4 0年旅客4 2 0 0万人次， 货邮吞吐量 5 8 1 0 4 t ， 飞机年起降架 次 2 8万架次的需求。而合肥骆岗机场年设计旅客吞吐量才为 1 5 0万人次， 到 2 0 2 0年， 新桥机场的旅客流量将是骆岗机场的 7 倍 多。 新桥机场设计抗震设防烈度 7 o ， 它的建设将按照统一规 划、 分步实施进行。 新桥机场在一期建设中将建设第一条跑道 ， 在吞吐量高达 1 5 0 0万人次的时候， 机场将建设第二条跑道， 最 终将建设 4条跑道， 完成新机场全部建设。 本期建设中， 飞行区 技术等级指标为4 E级， 飞行区跑道长度 3 4 0 0 m， 道面宽 4 5 m， 两侧道肩各宽 7 5 m， 能满足 B 7 4 74 0 0飞机全重起飞， 跑道西 侧设置一条与跑道等长的 E类平行滑行道， 道面工程设计使用 年限 3 0年。同时， 新建一座建筑面积 l 0 8 5 X 1 n z 的航站楼， 航站楼位于基地北侧， 地上 3 层， 局部 4层， 地下局部 1层。主 楼的首层部分用作迎客厅 、 行李提取厅、 行李分检厅及相应的 配套设施和设备用房等， 东翼设置了国内远机位候机室及 V I P 候机室 ， 西翼设 国际联检大厅和国际远机位入 口。站坪客机位 2 7个 ， 站坪沿航站楼指廊布置， 呈弧线形。与之配套还将建设 通信、 导航 、 气象、 供油、 供电、 供气、 供热 、 航空公司基地等生产 保障设施， 以及相应的行政办公生活设施。 2 立项背景和意义 收稿 日期 ： 2 o 1 2 0 7 0 3 作 者简介 ： 项炳泉( 1 9 6 6 -) ， 男， 安徽歙 县人 ， 教授级 高级工程 师， 主要 从事建筑工程技术和企业管理工作。 合肥新桥国际机场的建设设计等级为 4 E级 ，具备国内目 前最高飞行区等级， 是关系到国计民生的工程 ， 需要非常优 良 的工程质量。 机场场道工程( 特别是跑道工程) 是机场的主体工程之一 ， 确保机场场道工程的混凝土质量是关系到百年大计的大事。 根 据 民用机场飞行区工程竣工验收质量检验评定标准 ， 评定 混凝土道面有多项指标， 其中， 机场道面混凝土抗折强度、 道面 板厚度、 纹理深度及平整度等四项质量指标规定为验收保证质 量指标。其中第一项指标是反映道面混凝土质量的最重要指 标， 也是机场跑道混凝土的最基本要求之一， 作为 4 E级设计要 求的新桥国际机场跑道， 其跑道混凝土抗折性也应达到国内先 进水平。 对于国内多数机场的混凝土道面陆续出现的破坏现象 ， 据 相关研究文献报道， 这些破坏均不是由荷载引起 ， 而是由于混 凝土耐久性不良引起 ， 这严重影响飞机安全起降， 也必须在新 桥国际机场的建设中得以解决。 此外 ， 考虑到安徽省是 亚热 带季风气候 ， 属 于夏热冬冷 地 区， 不仅雨量充足， 冬季还会有霜冻结冰的现象， 因此所使用的 混凝土还必须满足抗冷性、 抗渗性等要求。 从施工性方面考虑 ， 混凝土的实际施工过程是个复杂的系 统工程， 其性能不仅与自身各种材料的性质、 材料的选择、 配合 比的优化设计相关， 而且与现场环境温度、 湿度条件密切联系。 目前普通混凝土均靠振捣来达到密实， 以满足所需要的强度和 耐久性， 然而振捣时间和操作的误差会带来许多问题， 大大降 低混凝土的最终性能， 对于高标准、 高效率要求的新桥机场跑 道建设必须加 以改进。 因此， 如何结合该工程实际情况， 选择符合要求的混凝土 种类， 优选原材料， 设计其配比， 优化其施工、 养护和后续处理 方案， 在不影响工程进度的前提下， 实现工程造价低 、 施工速度 快， 同时大幅度提高工程质量， 提高耐久性 ， 是当前合肥新桥国 际机场建设中急待解决的技术难题。 3 项目研究方案 3 1总体思路、 研究目标、 研究内容和关键技术 3 1 1 总体思路 在广泛收集分析国内、 外相关资料的基础上， 了解和掌握 当前机场跑道混凝土设计与施工的新理论、 新技术 、 新材料发 展前沿； 以机场跑道混凝土耐久性为对象 ， 新桥机场跑道混凝 土为工程背景 ， 解决该工程施工中遇到的关键技术问题； 研究 耐久性混凝土配合比设计与施工共性理论与技术， 为新桥机场 跑道混凝土工程的设计与施工提供技术支持。 安徽建筑 2 0 1 2年第 4期( 总 1 8 5期 ) 本项 目研究对象为机场跑道混凝土耐久性 ，具有工程重 要、 工程环境恶劣 、 施工工期要求紧等特点。因此， 研究重点将 围绕耐久性机理及控制技术， 原材料优化与控制， 配合比方案 设计 、 实验与优化， 混凝土施工技术 、 混凝土养护技术等方面展 开 ， 旨在提高新桥机场跑道混凝土耐久性， 并研究机场跑道混 凝土工程 的设计与施工共性理论与技术。 3 1 2 研究 目标 混凝土抗折强度不低于 5 0 MP a 。跑道采用普通施工方 法的耐久混凝土， 和易性大于2 0 s ， 小于 0 5 c m。 耐久年限由3 0年提高到5 O年。 性能提高 ： 混凝土中的氯离子扩散系数 D R C M( 2 8 d ) 小 于 1 01 0 2 m V s ， 或混凝 土的电通 量( 5 6 d ) 小 于 2 O 0 o ， 渗透性极 低 ； 混凝土抗冻性 的耐久性指数 D F不低于 6 0 。 节约水泥： 掺入工业废渣粉煤灰( 约 1 5 ) ， 减少水泥用 量 ， 节能环保。 改善微观结构： 通过微观分析， 研究矿物掺合料和高效 减水剂双掺的混凝土与干硬性混凝土内部结构特别是过渡层 结构的情况， 提出诸如影响混凝土强度和耐久性的 c a ( 0 H ) 晶 体尺寸及有害孔隙率的技术改进措施。 消除空洞、 蜂窝， 做到了 密实匀质 。 抑制混凝土碱 一骨料反应， 符合国际标准膨胀率要求。 针对工程实际，提出施工优化方案以及可有效控制混 凝土质量波动施工方法等的建议， 保障跑道混凝土质量及快速 施工， 为今后安徽地区类似工程提供成功工程经验。 获得安徽省科技进步奖， 争取获得二等奖。 3 1 3研究 内容 骆岗机场现有水泥混凝土旧道面和新桥新道面的分析 调研。 。 采用矿物掺合料和高效减水剂双掺的混凝土 、普通施 工耐久混凝土实验研究， 优选最佳方案。 采用混凝土正交设计理论 ， 研究原材料、 配合比因素对 性 能的影 响，模 拟各种工况条 件下 的混凝土性能变化规律 ， 为 优化 【 程施工方案提供理论依据。 基于混凝土配合比设计的强度、 耐久性、 施工性及经济 性四原则， 采用试验方法， 理论并试验设计出具有科学性 、 安全 性 、 经济性的混凝土配合比。 根据工程施工条件和周围工程环境 ，以提高混凝土耐 久性为核心 ， 结合 合肥 市材 料特点 ， 研究 、 评价耐久性混凝土施 工可靠性 。 研究建立现场施工过程监测系统。通过对混凝土原材 料、 计量、 运输 、 浇筑 、 振捣 、 养护等重要信息的监控与量测 ， 将 量测数据及时反馈施工， 为机场跑道施工提供重要依据。 3 1 4关键技术 耐久年限 5 0年的技术指标确定( 抗折强度 、 电通量 、 氯 离子渗透系数、 抗冻性、 碱 一骨料反应、 耐磨等) ， 混凝土方案的 优选。 建立现场施工过程监测系统。 3 2采用的研 究方 法和技术路线 3 2 1 研究方法 本项 目将采取理论分析、 室内试验 、 现场全面监测相结合 的研究方法 ， 以理论分析作为研究基础， 以试验作为解决问题 图 1 技术路线流程图 粉煤灰掺量 图 2粉煤灰掺量与混凝 土强度关 系 的技术手段 。 3 2 2技术路线 研究技术路线采用对比分析研究、 理论分析、 现场监测等 多种研究方法相结合 、 相互验证的技术路线 ， 详见技术路线流 程 图( 图 1 ) 。 4 混凝土配合 比优化设计 通过测定标准稠度用水量 ， 考察了粉煤灰、 矿粉和化学外 加剂对胶凝材料流动性的影响； 通过研究粉煤灰 、 矿粉以不同 比例单独掺加时对混凝土强度的影响， 并观察新拌混凝土拌合 物的工作性 ， 明确了粉煤灰、 矿粉单独掺加时对混凝土强度及 新拌混凝土工作性的影响规律 ； 通过研究粉煤灰 、 矿粉复合掺 加时， 两者不同比例对混凝土强度的影响， 并同时观察新拌混 凝土拌合物的工作性， 探索出复合矿物掺合料对混凝土强度和 工作性的影响规律； 据此， 明确了复合掺加粉煤灰、 矿粉的适宜 比例。 一 l 11 - 检 测 、 试 验 与 测 量 技 术 安 徽 建 筑 U墨 2 0 1 2年 第 4期 ( 总 1 8 5期 ) 安徽建筑 冒 _一 检 钡 、 试 验 与 测 量 技 术 圜 图 3 矿粉掺量与混凝土强度关系 粉煤灰掺影 ( a ) 7 d 粉煤灰掺量 图 4 不同总掺量情况下粉煤灰含量与 2 8 d抗折强度关系 图 5 不 同总掺量情况下粉煤灰含量与抗压强度关系 龄期 图 6混凝土抗折强度随龄期 的变化 4 1矿物掺合料对胶凝材料流动性的影响( 见表 1 ) 4 2单掺矿物掺合料对混凝土强度的影响( 见图 2 一图3) 4 3双掺矿物掺合料对混凝土强度的影响( 见图 4 图5) 研究结果显示 ： 单独掺加粉煤灰时， 粉煤灰掺量在 2 0 之 内有助于改善混凝土的拌和物性能 ，不影响混凝土中后期强 度 ； 掺量大于 3 0 ， 对混凝土强度和拌合物性能无益； 随着粉煤 粉： I i 嗷掺曩l ( b ) 2 8 d 冻融循环 次 图 7冻融循环后质量损失率的变化 灰掺量的增加， 浆体凝结时间的延长幅度增大。单独掺加矿粉 时，矿粉掺量在 3 0 之内有助于改善混凝土的拌和物性能， 混 凝土中后期强度得到少量提高； 掺量大于 3 0 ， 会降低混凝土 强度， 随着矿渣微粉掺量的增加 ， 浆体凝结时间的延长幅度增 大， 但对浆体凝结时间的延长幅度小于粉煤灰。粉煤灰与矿渣 微粉复合掺加时 ， 在不影响 昆 凝土拌合物性能和 中后期强度的 ， j 飓 耀蜒 &专巡骥出 印 娼 诣 盯 拍 帖 鹕 揭 耵 拍稻 私 船 舱 甜 柏 暑 ； P d I 2 、 戆王f蜒 墨 l 、 飘辖堰 安徽建筑 2 0 1 2年第 4期 ( 总 1 8 5期 ) 冻融锤z g 次 图 8 冻融循环后相对 动弹性模 量的变化 混凝种类 图 9 3 0 0次冻融循环后的相对动弹性模量 混凝种类 图 1 0 相对渗水 高度和相对磨耗 情况下 ， 粉煤灰与矿渣微粉复合掺加总量最大可达 5 0 ； 粉煤 灰在掺合料中的比例不宜大于 7 0 。 从技术性、 经济性两方面考虑， 确定采用复合掺加粉煤灰、 矿粉两种矿物掺合料的 i元胶凝材料体 系混凝土 。 以混凝土配 合比设计所得到的不掺掺合料的混凝土为基准 ， 复合掺加粉煤 灰和矿粉， 采用超量取代法 ， 超量取代系数为 1 2 ， 其中粉煤灰、 矿粉各占5 0 ， 优化设计的混凝土实验室配合 比见表 2 。 5 混凝 土力学性能和耐久性 能研 究 5 1原材料 矿物掺合料对胶凝材料流动性的影响 表 1 胶凝材料组成 标准稠度用水量 1 0 0 C 8 0 C+ 2 0 Fs 7 0 C+ 3 0 F S 8 0 C+ 2 0 F 7 0 C+ 3 0 F 6 0 C+ 2 0 FS + 2 0 F 6 O C+ 4 0 F S + 06 A 6 0 C+2 0 FS + 2 0 F +0 6 A 5 0 C+2 5 FS + 2 5 F +O 6 A 注 ： C为水 泥， F为粉煤灰 ， F s为磨细矿粉 ， A为减水荆 混凝土实验室配合比 表 2 水泥 ： 安徽海螺水泥有限公司产 P 0 4 2 5 ； 碎石 ： 安徽巢湖 产 的 5 mm2 0 m m 和 2 0 m m 4 0 mm二级配碎石 ； 砂 ： 安徽六安 产河砂 ； 粉煤灰 ： 淮南平圩 I 级粉煤灰； 减水剂 ： 江苏博特有限 公司产的高效减水剂 ； 矿粉 ： 安徽清雅公司产超细矿粉 。 5 2试 验内容与试验方法 混凝土力 学性 能试 验内容包 括 ： 抗压强度( 3 d 、 2 8 d ) 、 抗折强 度f 3 d 、 2 8 d和 9 0 d ) 和抗冲击性能( 2 8 d ) 。抗压强度、 抗折强度试 验 ，根 据 公 路工程水 泥及水 泥混凝土试 验规程 0 T G E 3 0 2 0 0 5 ) 规定的试验方法进行。抗冲击性能试验按 A C I 一 5 4 4 委员会推荐的落重法( D r o p w e i g h t m e t h o d ) 进行。 混凝土耐久性试验内容包括： 抗冻性 、 抗渗性、 耐磨性和氯 离子快速渗透试验， 试验龄期均为 2 8 d 。抗冻性、 抗渗性和耐磨 性试验 ，根据 公路工程水泥及水泥混凝土试验规程 ( J T G E 3 0 2 0 0 5 )进行，氯离子快速渗透试验采用 A S T M 1 2 0 2 1 9 9 4 的试验方法 。 5 3混凝土配合比( 见表 3) 5 4主要研究结果 混凝 土抗压强度 、 抗折 强度 试验结果列于表 4 。试验结果 显示 ， 相对于普通混凝土， 掺掺合料混凝土 3 d抗折强度均有所 降低 ， 单掺矿粉和矿粉与粉煤灰复合掺加时， 降低微小( 小于 1 0 ) ； 单掺粉煤灰时降低明显， 达 1 7 。掺掺合料混凝土 2 8 d 抗折强度与普通混凝土基本相当， 9 0 d抗折强度 比基准混凝土 略有增加， 且复合掺加时增加幅度最大。掺加掺合料对混凝土 抗压强度的影响规律， 与对抗折强度的影响基本相同， 3 d强度 有所降低， 2 8 d强度基本持平。其中单掺粉煤灰时 3 d强度降低 最大 ， 达 1 5 。 矿粉对混凝土早期强度的贡献大于粉煤灰 ， 并且矿粉与粉 煤灰复合掺加时，抵消了粉煤灰对混凝土早期强度的降低效 应。单掺粉煤灰时， 2 8 d后的强度增长幅度最大， 粉煤灰与矿粉 复合掺加时， 2 8 d后的强度增长幅度变小，说明矿粉促进了粉 煤灰 2 8 d 前 的水化活性 。 从表 4中计算的混凝土压折 比可以看 出， 无论是单掺还是复合掺加， 掺加掺合料对混凝土压折比基 本无影响。 检 钡 q 、 试 验 与 测 量 技 术 安 徽 建 筑 i m 重 5 4 2 1 8 7 2 4 1 拍 o石 嚣一 默擂葭靶 銎 磕嚣谢挺篙舷 牿 隘 2 0 1 2年第 4期( 总 1 8 5期 ) 安徽建筑 检 测 、 试 验 与 测 量 技 术 圜 混凝土 配合 比 表 3 F S + F 4 I 1 64 8 6 6 8 2 75 51 9 8 O1 试验编号 c F S F F S + F 一 2 O0 o 4 O O 1 O 0 0 2 0 o O O 1 0 0 1 0o 0 l o o ( k 水 g 泥 m (k ， )(k ，) 銮 2 ( 乏 磐 )水 胶 比 2 4 8 5 7 6 1 4 0 9 0 6 6 1 61 041 场 筠 窬 尔 出乖 尜 乖 帝 带 ： 绵 矫 ! ； ( 上接 第 1 6 7页) ( 3 ) 。 混凝土抗冻性试验结果见图7和图 8 ，图7为冻融循环 4 种混凝士的质量损失率 ， 图 8为冻融循环四种混凝土的相对动 弹性模量。从混凝土经冻融循环后的质量损失率来看 ， 掺粉煤 灰混凝土质量损失率相对较大， 其它 3种在 2 0 0次冻融循环前 的质量损失率基本相近。经 2 0 0次冻融循环后 ， 普通混凝土质 量损失率呈现较大增加， 掺矿粉混凝土和复合掺加粉煤灰和矿 粉混凝土经 3 0 0次冻融循环的质量损失率相近， 但在 2 5 0次时 前者明显大于后者。 从相对动弹性模量的变化来看， 图 9显示 ， 动弹性模量的 损失速率， 普通混凝土和粉煤灰混凝土近似直线， 矿粉混凝土 和双掺混凝 土 1 0 0次前损失缓慢 。3 0 0次循环后 的相对动弹性 模量， 掺加掺合料混凝土均比普通混凝土高， 其中双掺混凝土 比基准混凝土高约 1 3 。 抗渗和耐磨性试验结果列于表 5 ，图 l 0为 4种混凝土相 对渗水高度和相对磨耗。 与基准混凝土相比， 掺加掺合料混凝土渗水高度均比基准 混凝土低，其中复合掺加矿粉和粉煤灰混凝土渗水高度最低 ， 为基准混凝土的 6 3 。 与基准混凝土相比， 掺加掺合料混凝土单位面积磨耗比基 准混凝土均略有增加 ，其中粉煤灰混凝土单位面积磨损量最 大 ， 比基准混凝 土大 1 5 。 氯离子渗透性试验结果列于表 6 。结果显示， 掺加掺合料 混凝土通过电极的电量均有不同程度降低， 单掺矿粉和单掺粉 煤灰电通量基本相同， 复合掺加粉煤灰和矿粉时电通量为基准 混凝土的 7 5 。表 7为美国混凝土协会( A C I ) 推荐的混凝 土氯 离子渗透性评价标准， 对照此标准， 双掺混凝土的氯离子渗透 性属低水平。 6 结论 通过前期试验研究发现， 采用复合掺加粉煤灰 、 矿粉两种 矿物掺合料和使用高效减水剂复合技术路线可以制备出符合 要求的高性能混凝土， 其混凝土实验室配合比见表 8 。现场试 验段选择此配合比。 可以考虑先使用机场原材料经现场实验室试拌， 调整新拌 混凝土的工作性能， 在不太重要的部位试打， 然后再在试验段 工程应用。 在图所示中， 双层窗关闭时， 内外层窗户之间形成一个存 有空气的空间， 受太阳光的辐射使空气加热， 当同时开启内层 左上角活动窗口( 1 ) 和内层右下角活动窗口( 7 ) 时， 室内的空气 经过内外层窗之间被太阳辐射加热 ， 通过内层左上角可以开启 的小窗口( 1 ) 和右下角可以开启的窗口( 7 ) 在室内循环 ， 室内温 度 上升 。 3 2强制通风换气 工作过程 当同时开启外层左上角可以开启的小窗口( 1 ) 和内层右下 角可以开启的小窗 口( 7 ) 时， 室内的空气经过内外层窗之间被 勿 s s J ， 太阳辐射加热， 通过外层左上角可以开启的小窗E l ( 3 ) 和内层 右下角可以开启的小窗 口( 7 ) 将室内的空气排出室外， 达到通 风换气的目的。 4 结论与说 明 综上所述 ，太阳能在建筑自然通风设计中应用的设计方 案， 其特点是结构简单， 可以利用窗户在采光的同时， 通过太阳 光的辐射作用， 使双层窗内的空气被加热对流， 通过开启设置 在对角线位置的小窗E l 实现对室内空气加热或者通风换气。 虽 ：兮 8 7 8 8 6 0 骢 船 4 7 1 加 6 6 6 ：2 6 6 6 4 4 3 c F