機(jī)場(chǎng)道面再生混凝土的性能與應(yīng)用

劉慶濤，岑國(guó)平，蔡良才，吳永根，吳和盛，陳福年，黃慶國(guó)，朱志遠(yuǎn)

(1.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院，陜西 西安，710038；2.空軍第六空防工程處，湖南 衡陽(yáng)，421001；3.蘭州軍區(qū)空軍后勤部，甘肅 蘭州，730020)

再生混凝土是將廢棄混凝土塊經(jīng)破碎、清洗、分級(jí)和按一定比例配合后得到的“再生骨料”，作為部分或全部骨料代替天然骨料配制的混凝土(也稱再生骨料混凝土，Recycled aggregate concrete, RAC)，是一種新型綠色環(huán)?；炷羀1-2]。機(jī)場(chǎng)道面混凝土屬于大面積露天澆筑的混凝土，承受環(huán)境和飛機(jī)荷載的長(zhǎng)期破壞作用，如反復(fù)作用的溫度應(yīng)變、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、飛機(jī)除冰液浸泡及機(jī)輪磨蝕等，可能產(chǎn)生表面裂縫、剝落、腐蝕與磨蝕等耐久性破壞，影響道面的使用壽命[3]。在機(jī)場(chǎng)道面翻修、改(擴(kuò))建工程會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，利用這些廢棄混凝土配制道面再生混凝土用于機(jī)場(chǎng)道面工程，關(guān)鍵要解決耐久性破壞的難題。但目前，對(duì)再生混凝土的研究，主要集中在建筑工程和少量低等級(jí)道路工程[1,4-8]，這類工程再生混凝土強(qiáng)度等性能要求較低，在高等級(jí)道路，特別是機(jī)場(chǎng)工程中研究應(yīng)用再生混凝土很少。本文作者采用摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效外加劑的“雙摻”技術(shù)，對(duì)機(jī)場(chǎng)道面再生混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，以便為在機(jī)場(chǎng)道面工程中推廣應(yīng)用再生混凝土提供參考。

1 試驗(yàn)原材料與配合比

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 水泥

陜西耀縣秦嶺牌42.5R普通硅酸鹽水泥，密度為3.10 g/cm3，28 d抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度分別為8.94和51.7 MPa。

1.1.2 粗骨料

(1)再生粗骨料：① 空軍XN機(jī)場(chǎng)舊跑道道面混凝土破碎再生骨料，粒徑為5～20 mm和20～40 mm的骨料的質(zhì)量比為40:60，級(jí)配合格，密度為2.51 g/cm3，堆積密度為1 394 kg/m3；② 實(shí)驗(yàn)室廢棄混凝土試件破碎再生骨料，粒徑為5～20 mm和20～40 mm的骨料的質(zhì)量比為40:60，級(jí)配合格，密度為2.54 g/cm3，堆積密度為1 425 kg/m3；

(2)天然粗骨料：陜西涇陽(yáng)石灰?guī)r碎石，粒徑為5～20 mm和20～40 mm的骨料的質(zhì)量比為40:60，級(jí)配合格，密度為2.75 g/cm3，堆積密度為1 690 kg/m3。

1.1.3 細(xì)骨料

陜西灞河中砂，細(xì)度模數(shù)為2.78，Ⅱ區(qū)，級(jí)配合格，密度為2.63 g/cm3，堆積密度為1 500 kg/m3，含泥量為1.2%。

1.1.4 粉煤灰

Ⅱ級(jí)粉煤灰，細(xì)度(45 μm篩余量)為13.7%，密度為2.2 g/cm3，需水量比為91%。

1.1.5 外加劑

(1)FDN高效減水劑，建議摻量為膠凝材料用量的0.5%～1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，減水率20%以上；

(2)FAC聚羧酸減水劑，建議摻量為膠凝材料用量的0.7%～1.5%，減水率為20%～40%；

(3)SDJ聚羧酸引氣減水劑，建議摻量為膠凝材料用量的0.5%～1.2%，減水率為20%～35%，引氣量為3%～5%；

(4)松香類引氣劑，建議摻量為膠凝材料用量的0.3‰～0.6‰，引氣量為3%～6%。

1.2 試驗(yàn)配合比

1.2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

維勃稠度為10～15 s，由于再生骨料孔隙多，吸水率大，且大部分水分是在30 min內(nèi)吸收的，新拌混凝土的工作性在此時(shí)間內(nèi)有較大損失，針對(duì)此特點(diǎn)，考慮施工等因素，工作性要求比天然骨料道面混凝土的維勃稠度15～30 s時(shí)的要求稍小[9]。

設(shè)計(jì)抗折強(qiáng)度等級(jí)為5.0 MPa，按施工控制水平優(yōu)秀考慮，混凝土抗折強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差取0.4 MPa，則實(shí)驗(yàn)室配制抗折強(qiáng)度為5.66 MPa[9]。

1.2.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)上述試驗(yàn)用材料的有關(guān)參數(shù)和配合比設(shè)計(jì)指標(biāo)，在馬國(guó)靖等[10-12]的研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)的配合比設(shè)計(jì)規(guī)范[9,13]，考慮到施工方便，結(jié)合張亞梅等[14]的再生骨料預(yù)吸水法，采取絕對(duì)密實(shí)體積法和獨(dú)立設(shè)計(jì)法進(jìn)行道面再生混凝土的配合比設(shè)計(jì)。通過(guò)試拌調(diào)整，對(duì)水泥用量、水灰比、粉煤灰摻量、砂率和外加劑摻量進(jìn)行優(yōu)選，確定道面再生混凝土以及天然骨料混凝土配合比，并測(cè)定新拌混凝土的Vb稠度和含氣量，如表1所示，其中，Z1FD，Z1FA和Z1S為摻加3種不同減水劑的道面再生混凝土；TFD，TFA和TS為對(duì)比試驗(yàn)研究的3個(gè)同配比天然骨料混凝土；P為普通道面混凝土；Z2SY為用再生骨料Z2配制再生混凝土。這些配比的混凝土的工作性均滿足道面混凝土設(shè)計(jì)要求，后述道面再生混凝土的性能試驗(yàn)研究與應(yīng)用均依此進(jìn)行。

表1 道面混凝土試驗(yàn)配合比Table1 Test mix proportions of pavement concrete

2 道面再生混凝土的性能

2.1 強(qiáng)度

依據(jù)表1所確定的配合比，按規(guī)范要求成型試件，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，測(cè)定28 d強(qiáng)度，結(jié)果如表2所示。

表2 道面混凝土的強(qiáng)度Table2 Strength of pavement concrete

從表2可以看出：與普通道面混凝土相比，道面再生混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高4%～11%和1%～7%。這是由于摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效外加劑，改善了道面再生混凝土的工作性，降低再生混凝土的水膠比，使道面再生混凝土成型更密實(shí)，且由于粉煤灰顆粒的微集料效應(yīng)提高了水泥漿體的密實(shí)度和強(qiáng)度。但與同配比天然骨料混凝土相比，道面再生混凝土抗折強(qiáng)度降低15%左右，抗壓強(qiáng)度與同配比天然骨料混凝土基本相同。這是由于抗折強(qiáng)度對(duì)再生骨料的裂縫、孔隙等原生缺陷比較敏感，但仍完全滿足機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.2 抗凍性能

抗凍性是指混凝土在水飽和狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不被破壞的性能，常作為衡量混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一?？箖鲂栽囼?yàn)按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能與耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中快速凍融試驗(yàn)方法進(jìn)行[15]，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：道面再生混凝土抗凍性能比普通道面混凝土提高很多。普通道面混凝土抗凍等級(jí)為F75，道面再生混凝土Z1FD，Z1FA，Z1S和Z2SY抗凍等級(jí)分別為F100，F(xiàn)100，F(xiàn)150和F250，分別較普通道面混凝土提高33%，33%，100%和233%。特別是道面再生混凝土Z2SY的抗凍性能提高更明顯，其抗凍等級(jí)高達(dá)F250，可以滿足嚴(yán)寒地區(qū)道面混凝土抗凍要求[8]。其原因在于摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和外加劑，降低再生混凝土水膠比，改善再生混凝土過(guò)渡區(qū)，引氣劑在混凝土中引入穩(wěn)定微小勻質(zhì)獨(dú)立氣泡，緩解了凍融過(guò)程中產(chǎn)生的冰脹壓力和毛細(xì)孔水的滲透壓力，因而提高了道面再生混凝土的抗凍性能。而道面再生混凝土抗凍性能比同配比天然骨料混凝土稍低。原因是再生骨料含有舊砂漿，生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生裂縫，較天然骨料強(qiáng)度低、吸水率大，抵抗凍脹能力稍低。

2.3 抗?jié)B性能

機(jī)場(chǎng)道面混凝土大面積鋪筑在露天環(huán)境之中，主要承受水、除冰鹽中的Cl-等的滲透，故采用了靜水壓力法與氯離子滲透法相結(jié)合的方法，研究分析道面再生混凝土的抗?jié)B性能。靜水壓力法參照《普通混凝土長(zhǎng)期性能與耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn)行[15]，氯離子滲透試驗(yàn)依據(jù)ASTM C1202-05的快速測(cè)試方法規(guī)定進(jìn)行[16]，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：道面再生混凝土抗?jié)B性能比普通道面混凝土好得多。普通道面混凝土在壓力為1.1 MPa時(shí)試件表面已經(jīng)滲水，而道面再生混凝土在壓力為4.1 MPa時(shí)試件表面均無(wú)滲水，劈開(kāi)試件測(cè)其滲水高度，分別為37，58和27 mm；道面再生混凝土Cl-滲透6 h通過(guò)電量分別為普通道面混凝土的67%，67%和65%，抗?jié)B性能均較普通混凝土有較大提升，預(yù)期可以有效阻止水等侵蝕介質(zhì)侵入混凝土，提高道面再生混凝土耐久性能。這是由于摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和外加劑，降低再生混凝土水膠比，改善了道面再生混凝土的工作性，提高了道面再生混凝土的密實(shí)度，過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)大大改善，因而道面再生混凝土的抗?jié)B性能較普通混凝土大大提高。另外，加入引氣減水劑，在混凝土中引入微小勻質(zhì)氣泡，切斷了有害液體侵入混凝土內(nèi)部的路徑。與同配比天然骨料混凝土相比，道面再生混凝土抗?jié)B性稍低。其原因是再生骨料含有砂漿，生產(chǎn)過(guò)程中易產(chǎn)生裂縫、孔隙率大，但靜水壓力抗?jié)B等級(jí)均在P12以上，二者均具有良好的抗?jié)B性能。

表3 道面混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果Table3 Test results of pavement concrete’s frost resistances

表4 道面混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果Table4 Test results of pavement concrete’s impermeability

2.4 耐磨性能

對(duì)于機(jī)場(chǎng)道面混凝土，飛機(jī)起飛和著陸時(shí)高速滑跑，與道面混凝土表面接觸產(chǎn)生很大的摩擦力，對(duì)混凝土表面有很大的磨損破壞作用，還會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低，發(fā)生飛行事故，因此，耐磨性能是機(jī)場(chǎng)道面混凝土的一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。耐磨性能試驗(yàn)依據(jù)《混凝土及其制品耐磨性試驗(yàn)方法》的規(guī)定[17]進(jìn)行，制備邊長(zhǎng)為150 mm的立方體試件，每組5個(gè)，受磨面平整，在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。采用NS-2型滾珠軸承式耐磨試驗(yàn)機(jī)，磨頭每轉(zhuǎn)1 000轉(zhuǎn)，耐磨機(jī)自動(dòng)停機(jī)，測(cè)量磨槽深度。直至磨頭轉(zhuǎn)數(shù)達(dá)5 000轉(zhuǎn)或磨槽深度達(dá)1.5 mm以上時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

耐磨度按下式計(jì)算：

式中：Ia為耐磨度，精確至0.01；R為磨頭轉(zhuǎn)數(shù)，千轉(zhuǎn)；P為磨槽深度，mm。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出：道面再生混凝土耐磨性能比普通道面混凝土好，較普通混凝土分別提高了36%，25%和18%。其原因在于摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和外加劑，改善了道面再生混凝土的工作性，使混凝土成型更密實(shí)，表面致密。降低了道面再生混凝土的水膠比，且由于粉煤灰顆粒的微集料填充效應(yīng)提高了水泥漿體的密實(shí)度和強(qiáng)度，從而提高道面再生混凝土的耐磨性能。道面再生混凝土耐磨性能比同配比天然骨料混凝土稍差，分別較同配比天然骨料混凝土低7%，8%和10%。這是由于再生骨料存在微裂縫，孔隙率大，含有較軟弱的砂漿。

表5 道面混凝土耐磨試驗(yàn)結(jié)果Table5 Test results of pavement concrete’s abrasion resistances

3 道面混凝土微觀分析

為了進(jìn)一步研究再生道面混凝土性能與普通混凝土、同配比天然骨料混凝土差異的根本原因，有必要對(duì)其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。對(duì)普通道面混凝土、再生道面混凝土、同配比天然骨料混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行電鏡掃描和能譜分析，結(jié)果如圖1～3所示。

圖1 普通道面混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Inside structure of normal pavement concrete

由圖1可以看出：普通道面混凝土內(nèi)部有明顯的裂縫孔隙。其過(guò)渡區(qū)中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2晶粒大且集中，比較疏松，對(duì)混凝土強(qiáng)度特別是抗折強(qiáng)度極為不利。因?yàn)榭拐蹚?qiáng)度對(duì)混凝土的微裂縫等內(nèi)部缺陷比較敏感，同時(shí)疏松的過(guò)渡區(qū)對(duì)混凝土的抗凍、抗?jié)B等耐久性能也有很大的影響，為水分遷移提供通道，降低混凝土的抗凍、抗?jié)B性能。

從圖2(a)可以看出：道面再生混凝土內(nèi)部骨料與舊砂漿界面處有一些明顯的裂縫。其原因可能是在再生骨料生產(chǎn)過(guò)程中，由于機(jī)械作用力，原骨料與舊砂漿的界面是軟弱過(guò)渡區(qū)，界面很容易破壞，產(chǎn)生裂縫，對(duì)道面再生混凝土的強(qiáng)度和耐久性產(chǎn)生了一定的不利影響。但由圖2(b)可以看出：顆粒很細(xì)的粉煤灰對(duì)裂縫的填充強(qiáng)化作用?？梢?jiàn)：道面再生混凝土性能仍優(yōu)于普通道面混凝土。

圖2 再生道面混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Inside structure of recycled pavement concrete

同配比天然骨科道面混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可以看出：同配比天然骨料道面混凝土內(nèi)部裂縫孔隙很少，骨料與砂漿過(guò)渡區(qū)比較致密，沒(méi)有像普通道面混凝土那樣有大且集中的Ca(OH)2晶粒，混凝土內(nèi)部其他部分也沒(méi)有大且集中的Ca(OH)2晶粒，這是因?yàn)閾郊臃勖夯?，其物理或化學(xué)作用，很好地改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 同配比天然骨料道面混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Inside structure of the same mix proportion pavement concrete made by natural aggregates

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2007年7月，空軍某空防工程處在空軍XN機(jī)場(chǎng)備用跑道道面施工中，把拆除的部分機(jī)場(chǎng)舊道面混凝土就地破碎、篩分、清洗，用本文實(shí)驗(yàn)室配合比經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試拌調(diào)整配制再生混凝土，鋪筑機(jī)場(chǎng)備用跑道10 000 m2。在空軍HZ機(jī)場(chǎng)翻修工程中，也利用拆除的機(jī)場(chǎng)舊道面混凝土，配制再生混凝土1 700 m3，用于拖機(jī)道道面的施工，共鋪筑道面6 500 m2。

從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果看，本文所提供的配合比能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，所配制的再生混凝土和易性好，易于鋪筑，做面、初凝后盡早潮濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d，道面板沒(méi)有出現(xiàn)收縮裂縫、斷板等質(zhì)量問(wèn)題，道面28 d抗折強(qiáng)度均達(dá)到5.5 MPa以上，滿足設(shè)計(jì)要求。質(zhì)量檢驗(yàn)共檢測(cè)保證項(xiàng)目8項(xiàng)，全部符合規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，合格率100%；允許偏差項(xiàng)目檢測(cè)了平整度、粗糙度、高程、鄰板高差等11個(gè)項(xiàng)目，實(shí)測(cè)714點(diǎn)，其中合格700點(diǎn)，合格率98.0%，完全滿足機(jī)場(chǎng)道面使用要求[9]。

從后期道面使用情況看，再生混凝土道面已投入使用4 a，沒(méi)有出現(xiàn)表面剝落、掉邊掉角、龜裂斷板等破壞現(xiàn)象，道面狀況良好。

5 結(jié)論

(1)道面再生混凝土抗折強(qiáng)度較普通道面混凝土提高4%～11%，抗凍等級(jí)提高200%以上，抗?jié)B等級(jí)提高300%以上，耐磨性提高18%～36%，所配制的道面再生混凝土為高性能混凝土，完全滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

(2)優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效外加劑改善了道面再生混凝土過(guò)渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了再生混凝土土力學(xué)性能和耐久性能。

(3)所配制的機(jī)場(chǎng)道面再生混凝土是一種新型綠色環(huán)?；炷粒F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好，值得在機(jī)場(chǎng)道面工程中推廣應(yīng)用，但其大規(guī)模施工技術(shù)和效益分析有待進(jìn)一步研究。

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