寒冷干旱地區(qū)新型道面混凝土性能研究

張忠陵 王方巖

目前道面混凝土的傳統(tǒng)組分已經(jīng)很難讓混凝土的性能得到更大的提升,難以滿足現(xiàn)代新型戰(zhàn)機(jī)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的要求,需要增加外摻料對(duì)混凝土進(jìn)行改性。本文在目前普通道面混凝土常用配合比的基礎(chǔ)上研究配制了普通道面混凝土,摻纖維或粉煤灰的混凝土以及纖維、粉煤灰復(fù)合的混凝土,并以抗裂、抗凍、抗?jié)B、耐磨為評(píng)價(jià)指標(biāo),尋求適合寒冷干旱地區(qū)的新型高性能道面混凝土。

1 試驗(yàn)用材料與配合比

1.1 原材料

水泥:42.5R普通硅酸鹽水泥,28 d抗折強(qiáng)度8.8 MPa,抗壓強(qiáng)度 48.0 MPa,密度3.10 g/cm3;粉煤灰:Ⅰ級(jí)粉煤灰,密度2.2 g/cm3,45 μ m 篩余量 2%,需 水量比 86%,燒失量 3.0%;纖維:聚丙烯合成纖維,密度 0.91 g/cm3,長(zhǎng)度 19 mm;砂子:河砂,細(xì)度模數(shù)為2.50,含泥量小于1.0%,密度2.63 g/cm3,堆積密度1.50 kg/L;石子:石灰?guī)r碎石,5 mm～20 mm,20 mm～40 mm兩級(jí)配,密度2.70 g/cm3,堆積密度 1.71 kg/L。

1.2 配合比

本文依據(jù)機(jī)場(chǎng)道面混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)原材料選擇和水泥用量、砂率、石子級(jí)配、粉煤灰摻量、纖維摻量的優(yōu)選,最終確定普通道面混凝土(P)、摻粉煤灰道面混凝土(F)、摻纖維道面混凝土(X)以及纖維與粉煤灰復(fù)合的道面混凝土(XF)四種類(lèi)型的混凝土配合比。

研究配制的四種類(lèi)型混凝土的抗折強(qiáng)度等級(jí)都在5.0 MPa以上,均滿足當(dāng)前我軍機(jī)場(chǎng)道面混凝土抗折強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求,本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了抗裂性、抗凍性、抗?jié)B性、耐磨性能對(duì)比試驗(yàn),目的是尋求適合寒冷干旱地區(qū)的高抗裂、高耐久的高性能道面混凝土。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 抗裂性

本文結(jié)合機(jī)場(chǎng)道面工程的特點(diǎn),采用平板法進(jìn)行混凝土的抗裂試驗(yàn),試驗(yàn)風(fēng)速 2.5 m/s,溫度 20℃±2℃,相對(duì)濕度60%±3%,并參考《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》中笠井芳夫的試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)價(jià)[3],試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明:纖維和粉煤灰混凝土的四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均低于普通混凝土,抗裂等級(jí)為Ⅱ級(jí),而纖維、粉煤灰復(fù)合混凝土抗裂效果最好,抗裂等級(jí)達(dá)到了Ⅰ級(jí),明顯優(yōu)于單摻粉煤灰或纖維的混凝土,更適合于干旱地區(qū)的機(jī)場(chǎng)道面工程。

2.2 抗凍性

本文采用慢凍法[4],根據(jù)混凝土的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失評(píng)定混凝土抗凍等級(jí),試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,結(jié)果表明:四種混凝土均達(dá)到D300,但普通混凝土300次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失達(dá)到3.42%,強(qiáng)度損失達(dá)到14%,雖滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,但強(qiáng)度損失已接近空軍機(jī)場(chǎng)對(duì)道面混凝土的要求(≤15%),這樣的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失很可能引起道面凍融脫皮,給機(jī)場(chǎng)飛行安全帶來(lái)隱患。粉煤灰混凝土和纖維混凝土的抗凍性明顯提高,其中纖維、粉煤灰復(fù)合混凝土抗凍性最好,質(zhì)量和強(qiáng)度損失最小,凍融循環(huán)300次后,質(zhì)量和強(qiáng)度損失只有 1.2和 5%,約為單摻纖維或粉煤灰混凝土的50%,完全能夠滿足嚴(yán)寒地區(qū)道面混凝土的抗凍性要求。

表1 抗裂性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 抗?jié)B性

本文采用ASTM C1202-05測(cè)試方法[5]——將混凝土試件(直徑100 mm,厚51 mm的圓柱體)一端浸在NaCl溶液中,另一端浸在NaOH溶液中,試件的兩端保持60 V直流電位差,記錄6 h內(nèi)通過(guò)試件的電量(庫(kù)侖),以該電量的大小評(píng)價(jià)混凝土抗Cl-滲透的能力,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 2。結(jié)果表明:纖維、粉煤灰復(fù)合混凝土的抗?jié)B能力最好,Cl-滲透能力為極低,Cl-滲透電量?jī)H為單摻纖維或粉煤灰混凝土的50%左右,抗?jié)B能力得到大大提高。

表2 抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果

2.4 耐磨性

試驗(yàn)方法:試件尺寸為(150×150×150)mm3,采用砂輪(d=10 cm,2 500轉(zhuǎn)/min,50 N壓力)在混凝土試件表面上磨耗2 min,稱(chēng)量混凝土的質(zhì)量損失,試驗(yàn)結(jié)果表明,粉煤灰混凝土和纖維混凝土的磨耗率相比普通混凝土都大幅降低,纖維與粉煤灰復(fù)合混凝土的耐磨性能最好,相對(duì)磨耗率只有普通混凝土的24%,比粉煤灰混凝土和纖維混凝土都有降低,磨耗率只有單摻纖維或粉煤灰混凝土的50%。

3 纖維、粉煤灰的超疊加綜合效應(yīng)機(jī)理

1)粉煤灰增強(qiáng)效應(yīng):混凝土中摻入粉煤灰可以大大提高混凝土的強(qiáng)度,主要是粉煤灰在混凝土中發(fā)揮了滾珠效應(yīng)、填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)[6],使得混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善,變得更為致密,從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

2)聚丙烯纖維阻裂效應(yīng):適量合成纖維的摻入,可以在混凝土中產(chǎn)生數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的細(xì)小纖維,降低了混凝土表面析水與集料的沉降,使混凝土中有害孔隙量大大降低,同時(shí)纖維可以承擔(dān)部分應(yīng)力,從而可使混凝土因收縮而引起的應(yīng)力減小,有著顯著的阻裂作用[7]?？梢哉f(shuō)纖維的摻入減少了混凝土的原生裂縫,改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),并因而提高了混凝土的抗裂、抗?jié)B、抗凍、耐磨等性能。

3)聚丙烯纖維與粉煤灰的復(fù)合效應(yīng):在混凝土工作性方面,纖維有增稠效應(yīng),降低了混凝土的流動(dòng)性,而粉煤灰有減水作用,兩者的共同存在可以彌補(bǔ)纖維混凝土流動(dòng)性差的不足;在混凝土的基材界面方面,聚丙烯纖維—基材界面往往比普通基材界面有更高的水灰比[8],造成聚丙烯纖維—基材表面呈弱界面,這對(duì)強(qiáng)度不利,粉煤灰的摻入可以改善混凝土的界面,提高強(qiáng)度,彌補(bǔ)了纖維對(duì)混凝土強(qiáng)度的不足。纖維、粉煤灰復(fù)合混凝土充分發(fā)揮了纖維、粉煤灰兩者的優(yōu)勢(shì),彌補(bǔ)了單方的不足,產(chǎn)生了1+1＞2的超疊加綜合效應(yīng)。

4 結(jié)語(yǔ)

室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明,在普通道面混凝土中單摻粉煤灰或纖維,都能提高混凝土的抗裂性和耐久性,而同時(shí)摻加粉煤灰和纖維的新型道面混凝土更能有效防止裂縫的發(fā)生,明顯提高道面使用壽命,具有顯著的軍事、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

[1] 吳中偉.纖維增強(qiáng)—水泥基材料的未來(lái)[A].纖維水泥制品行業(yè)論文選集(1965～1999)[C].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2000.

[2] Parvis Soroushian,Siavosh Ravanbakhsh,p..Control of Plastic Shrinkage Cracking with Specialty Cellulose Fibers[J].ACI Materials Journal,1998,95(4):60-70.

[3] CECS 38-2004,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南[S].

[4] GBJ 82-85,普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法[S].

[5] ASTM C 1202-05,Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete'S Ability to Resist Chloride Ion Penetration[S].

[6] 王碩太,馬國(guó)靖,朱志遠(yuǎn),等.高性能道面混凝土配合比設(shè)計(jì)[J].公路交通科技,2007,24(4):59-60.

[7] 徐至鈞.纖維混凝土技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.

[8] Henry G.Russell,H.Celik Ozyildirim.Revising High-Performance Concrete Classifications[J].Concrete International,2006,28(8):43-49.