高性能道面混凝土表面抗裂性能研究

趙興杰　何付成

摘 要：寒冷干旱地區(qū)機場道面鋪筑水泥混凝土后會經常出現(xiàn)早期裂縫，針對這一問題，要選用既能減少混凝土早期開裂又能滿足設計要求的混凝土材料，采用在普通混凝土中單摻合成纖維或粉煤灰以及合成纖維與粉煤灰復合的技術路線，研究配制高抗裂的高性能道面混凝土，采用平板法對其早期抗裂性進行試驗驗證，并在多個機場道面工程中進行了應用，取得了不錯的抗裂效果。

關鍵詞：混凝土；抗裂性；機場道面；飛行安全

中圖分類號：TU528.57 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）06-0086-02

機場水泥混凝土道面板施工時，經常會出現(xiàn)龜裂、裂紋等早期開裂現(xiàn)象，尤其是在西北沙漠、戈壁和西南青藏高原地區(qū)更為嚴重。這些地區(qū)均屬于典型的干燥大陸性氣候，日照充足，紫外線強，冬季寒冷且漫長，夏季炎熱而短促，春夏多風沙，晝夜溫差大，氣候干燥，年降雨量小，蒸發(fā)量大，環(huán)境條件非常惡劣。機場道面水泥混凝土鋪筑后失水較快，更容易發(fā)生早期裂縫、裂紋現(xiàn)象，如圖1所示。

早期裂縫對道面的使用功能和壽命都產生了極大的影響，主要表現(xiàn)在：①荷載作用后使裂縫繼續(xù)開裂，改變了板塊設計的尺寸、加劇了應力的重分布，從而產生了新的裂縫（又稱后期裂縫），降低了道面承載力；②為地表水滲入基層和土基提供通道，降低了基層和土基的強度和穩(wěn)定性，加速道面板體破壞和其他病害的產生，為道面的抗?jié)B性、抗凍性、抗腐蝕性等一系列耐久性問題的發(fā)生留下隱患；③在環(huán)境因素和外力的雙重作用下，混凝土結構過早被破壞，道面板極易出現(xiàn)脫皮、碎裂，甚至斷板等現(xiàn)象，如圖2所示，使道面使用壽命大大降低。因此，研究具有高抗裂性的新型高性能道面混凝土，防止早期裂縫出現(xiàn)，提高道面的表面品質和耐久性，延長道面的使用壽命，保障飛行安全，具有十分重要的軍事、經濟和社會意義。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗材料主要包括：①水泥。P·O42.5R水泥，28 d抗折強度8.8 MPa，抗壓強度48.0 MPa，密度3.10 g/cm3。②粉煤灰。Ⅱ級粉煤灰，密度2.3 g/cm3，45 μm篩余量15.5%，需水量比97%，燒失量3.5%，摻量90 kg/m3。③合成纖維。改性聚酯纖維，密度1.4 g/cm3，纖維長度為19 mm，摻量1.4 kg/m3；聚丙烯纖維，密度0.9 g/cm3，纖維長度為19 mm，摻量0.9 kg/m3；④砂子。河砂，細度模數2.9，含泥量1.5%，密度2.63 g/cm3，堆積密度1 520 kg/m3。⑤石子。石灰?guī)r碎石，5～20 mm和20～40 mm兩級配，密度2.70 g/cm3，堆積密度1 680 kg/m3。

1.2 試驗配合比

依據GJB 1112A《軍用機場場道工程施工及驗收規(guī)范》和GJB 1596《機場道面水泥混凝土配合比設計技術標準》要求，通過原材料、水泥用量、砂率、石子級配、粉煤灰摻量、纖維摻量的優(yōu)選，最終確定了普通道面混凝土（P1）、摻粉煤灰道面混凝土（P2）、摻改性聚酯纖維道面混凝土（P3）、摻聚丙烯纖維道面混凝土（P4）、改性聚酯纖維與粉煤灰復合的道面混凝土（P5）和聚丙烯纖維與粉煤灰復合的道面混凝土（P6）等6種類型的混凝土。制作了尺寸為150 mm×150 mm×600 mm的抗折試件各3組，并經過28 d的標準養(yǎng)護后，對其進行了抗折強度和抗壓強度試驗。6種類型混凝土的配合比、和易性（維勃稠度）、抗折強度和抗壓強度試驗結果見表1.

從表1可以看出，研究配制的6種類型道面混凝土的抗折強度等級都在5.0 MPa以上，均滿足當前我軍機場道面混凝土較高抗折強度等級的設計要求，下文在此基礎上進行抗裂性能對比試驗。

1.3 抗裂試驗方法

目前，國內外研究混凝土抗裂性所采用的試驗方法較多，常見的有平板法、圓環(huán)法和棱柱體法等。其中，圓環(huán)法適用于研究水泥凈漿和砂漿的抗裂性，棱柱體法適用于研究混凝土長齡期的收縮特性?？紤]到機場道面混凝土是露天鋪筑的大面積混凝土，采用平板試驗法進行抗裂性研究，最能反映纖維對道面混凝土的抗裂效果。平板法抗裂性試驗就是把混凝土試驗板放在一定的溫度、濕度和風速的條件下養(yǎng)護，經過一段時間觀察裂縫出現(xiàn)的情況，從而評定混凝土包括塑性收縮、溫縮和自收縮影響在內的早期開裂傾向。但平板法的裝置不盡相同，有在模具四周加鋼筋或用鋼筋網加以約束的，也有在底部放置波形板加以約束的。

根據機場道面混凝土的施工鋪筑工藝和使用環(huán)境特點，參照美國混凝土協(xié)會ACI—544“纖維增強混凝土的性能測試”技術報告中P.P.Kraai提出的試驗方法，采用平板法，并在底部放置彎起的波浪形薄鐵板加以約束的方法來進行抗裂性試驗研究。此法最大的優(yōu)點是能明顯地反映出混凝土裂縫隨齡期的發(fā)展變化，且試驗操作簡單。另外，機場道面是大面積露天鋪筑的，采用平板法更接近現(xiàn)場施工情況，能更準確地體現(xiàn)混凝土

的變形特點，更更好地體現(xiàn)材料抗裂性能的好壞，平板試模尺寸為560 mm×465 mm×100 mm。為了模擬夏季施工時鋪筑道面混凝土的環(huán)境條件，我們采取兩種溫度進行抗裂試驗，高溫試驗環(huán)境溫度為（38±1）℃，相對濕度為40%左右；常溫試驗環(huán)境溫度為18～20 ℃，相對濕度為60%左右，電風扇直接吹表面，風速為5 m/s。觀測方法是用50倍讀數顯微鏡跟蹤觀測，開始時5 min一次，有裂縫時10 min一次（終凝前），并記錄初裂時間（從加水攪拌開始計時）、裂縫尺寸（終凝時最大裂縫寬度和最長裂縫長度）、裂縫數量（終凝時裂縫總長度和長度在5 mm以上的條數），高溫觀測3 h，常溫觀測12 h。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

高溫與常溫條件下，6種類型混凝土的裂縫觀測結果如表2所示。

2.2 結果分析

2.2.1 普通道面混凝土（P1）endprint

在高溫和常溫兩種條件下，普通道面混凝土材料初裂時間最早，裂縫數量最多，裂縫寬度和裂縫長度最大，抗裂等級分別為Ⅳ級和Ⅲ級，抗裂性較差。普通道面混凝土的抗折強度為5.8 MPa，與其他幾種道面混凝土的抗折強度相比較低。

2.2.2 摻粉煤灰道面混凝土（P2）

在高溫和常溫兩種條件下，初裂時間較普通道面混凝土有所推遲，裂縫數量、裂縫尺寸遠遠小于普通道面混凝土，裂縫總長度明顯減小，抗裂等級均為Ⅱ級，抗裂性明顯優(yōu)于普通道面混凝土。可見，粉煤灰對道面混凝土早期抗裂性有很大幫助，且抗折強度和抗壓強度也比普通道面混凝土分別提高12%和14%，這是由于優(yōu)質粉煤灰在混凝土中發(fā)揮的微集料效應、填充效應、火山灰效應和減水效應抑制了混凝土早期裂縫的發(fā)生。

2.2.3 摻改性聚酯纖維（P3）和聚丙烯纖維（P4）道面混凝土

在高溫和常溫兩種條件下，初裂時間延長，裂縫數量、總長度和最大寬度都減少，單位平方米面積上的總裂開面積小于10 mm2，抗裂等級均為Ⅱ級，抗裂性顯然優(yōu)于普通道面混凝土。這是由于纖維與集料產生極強的結合力，可以迅速地與混凝土材料黏合，并在混凝土內部構成一種均勻的亂向支撐體系，削弱了混凝土的塑性收縮，收縮的能量被分散到無數細小的纖維絲上，減少了混凝土早期收縮引起的裂縫。

2.2.4 纖維和粉煤灰復合道面混凝土（P5，P6）

在高溫和常溫兩種條件下，該混凝土的抗裂效果都是最好的。初裂時間顯著延長，裂縫數量、裂縫尺寸、裂縫總面積顯著減少，抗裂等級均達到Ⅰ級，抗折、抗壓強度也比普通道面混凝土提高了15%～18%. 優(yōu)質粉煤灰的摻入，不但發(fā)揮了自身的阻裂作用，其減水效應還能大大減少了混凝土拌和物的單位需水量，彌補了纖維混凝土流動性差的缺陷，兩者的復合使纖維的阻裂作用充分發(fā)揮，在阻裂作用上起到了“1+1>2”的超疊效應，進一步提高道面混凝土的早期抗裂性是非常值得推廣的新型機場道面高性能混凝土。

3 應用情況

近幾年，我們在甘肅、青海、新疆、內蒙古等地區(qū)的多個機場翻修、擴建工程中，全部或局部鋪筑了單摻粉煤灰、單摻合成纖維或合成纖維與粉煤灰復合的高性能道面混凝土。施工時，由于粉煤灰或合成纖維的摻入，所拌制的混凝土拌和物表觀很柔和，黏聚性較好，從攪拌站后臺運送至前臺道倉時不離析、不泌水，用小型挖掘機并輔助人工攤鋪速度較快，用自行式混凝土高頻振搗機組（多棒）很容易振搗密實，滾杠提漿、找平很快，做面、拉毛很方便，做面后表觀質量均勻，平整度好，平均紋理深度容易滿足設計要求。由于拌和物保水性增加，做面后混合料表面失水慢，特別是纖維的阻裂作用有效減少了早期塑性收縮裂縫的產生。工程竣工后實測道面表面粗糙度、平整度、鄰板差等項目，檢驗合格率達98%以上，完全滿足道面表面使用功能要求。道面混凝土抗折強度均達到6.0 MPa以上，實測道面混凝土抗凍性、抗?jié)B性、耐磨性都大大優(yōu)于普通道面混凝土。

室內試驗和現(xiàn)場實踐均表明，在普通道面混凝土中摻入粉煤灰或纖維，都能提高混凝土的抗裂性和耐久性，尤其是合成纖維和優(yōu)質粉煤灰的復合使用，不但發(fā)揮了粉煤灰自身的阻裂作用，還彌補了纖維混凝土流動性差的缺陷，使纖維的阻裂作用充分發(fā)揮，在阻裂作用上起到了“1+1>2”的超疊效應，是一種適合寒冷干旱地區(qū)的新型高性能道面混凝土。在纖維和粉煤灰的雙摻條件不具備的情況下，也可單摻粉煤灰或單摻纖維，同樣也能達到較好的抗裂效果。

參考文獻

[1]劉慶濤，王碩太，孔祥海，等.機場道面混凝土耐久性研究[J].混凝土，2007（06）：13-15.

[2]馬麗媛，姚燕，田培，等.國內外混凝土的收縮性能及抗裂性試驗研究方法評述[J].中國建材科技，2001（01）：27-31.

[3]朱志遠，王碩太，鄧可庫.新型機場道面混凝土性能研究[J].新型建筑材料，2007（04）：67-69.

〔編輯：李玨〕endprint

在高溫和常溫兩種條件下，普通道面混凝土材料初裂時間最早，裂縫數量最多，裂縫寬度和裂縫長度最大，抗裂等級分別為Ⅳ級和Ⅲ級，抗裂性較差。普通道面混凝土的抗折強度為5.8 MPa，與其他幾種道面混凝土的抗折強度相比較低。

2.2.2 摻粉煤灰道面混凝土（P2）

在高溫和常溫兩種條件下，初裂時間較普通道面混凝土有所推遲，裂縫數量、裂縫尺寸遠遠小于普通道面混凝土，裂縫總長度明顯減小，抗裂等級均為Ⅱ級，抗裂性明顯優(yōu)于普通道面混凝土。可見，粉煤灰對道面混凝土早期抗裂性有很大幫助，且抗折強度和抗壓強度也比普通道面混凝土分別提高12%和14%，這是由于優(yōu)質粉煤灰在混凝土中發(fā)揮的微集料效應、填充效應、火山灰效應和減水效應抑制了混凝土早期裂縫的發(fā)生。

2.2.3 摻改性聚酯纖維（P3）和聚丙烯纖維（P4）道面混凝土

在高溫和常溫兩種條件下，初裂時間延長，裂縫數量、總長度和最大寬度都減少，單位平方米面積上的總裂開面積小于10 mm2，抗裂等級均為Ⅱ級，抗裂性顯然優(yōu)于普通道面混凝土。這是由于纖維與集料產生極強的結合力，可以迅速地與混凝土材料黏合，并在混凝土內部構成一種均勻的亂向支撐體系，削弱了混凝土的塑性收縮，收縮的能量被分散到無數細小的纖維絲上，減少了混凝土早期收縮引起的裂縫。

2.2.4 纖維和粉煤灰復合道面混凝土（P5，P6）

在高溫和常溫兩種條件下，該混凝土的抗裂效果都是最好的。初裂時間顯著延長，裂縫數量、裂縫尺寸、裂縫總面積顯著減少，抗裂等級均達到Ⅰ級，抗折、抗壓強度也比普通道面混凝土提高了15%～18%. 優(yōu)質粉煤灰的摻入，不但發(fā)揮了自身的阻裂作用，其減水效應還能大大減少了混凝土拌和物的單位需水量，彌補了纖維混凝土流動性差的缺陷，兩者的復合使纖維的阻裂作用充分發(fā)揮，在阻裂作用上起到了“1+1>2”的超疊效應，進一步提高道面混凝土的早期抗裂性是非常值得推廣的新型機場道面高性能混凝土。

3 應用情況

近幾年，我們在甘肅、青海、新疆、內蒙古等地區(qū)的多個機場翻修、擴建工程中，全部或局部鋪筑了單摻粉煤灰、單摻合成纖維或合成纖維與粉煤灰復合的高性能道面混凝土。施工時，由于粉煤灰或合成纖維的摻入，所拌制的混凝土拌和物表觀很柔和，黏聚性較好，從攪拌站后臺運送至前臺道倉時不離析、不泌水，用小型挖掘機并輔助人工攤鋪速度較快，用自行式混凝土高頻振搗機組（多棒）很容易振搗密實，滾杠提漿、找平很快，做面、拉毛很方便，做面后表觀質量均勻，平整度好，平均紋理深度容易滿足設計要求。由于拌和物保水性增加，做面后混合料表面失水慢，特別是纖維的阻裂作用有效減少了早期塑性收縮裂縫的產生。工程竣工后實測道面表面粗糙度、平整度、鄰板差等項目，檢驗合格率達98%以上，完全滿足道面表面使用功能要求。道面混凝土抗折強度均達到6.0 MPa以上，實測道面混凝土抗凍性、抗?jié)B性、耐磨性都大大優(yōu)于普通道面混凝土。

室內試驗和現(xiàn)場實踐均表明，在普通道面混凝土中摻入粉煤灰或纖維，都能提高混凝土的抗裂性和耐久性，尤其是合成纖維和優(yōu)質粉煤灰的復合使用，不但發(fā)揮了粉煤灰自身的阻裂作用，還彌補了纖維混凝土流動性差的缺陷，使纖維的阻裂作用充分發(fā)揮，在阻裂作用上起到了“1+1>2”的超疊效應，是一種適合寒冷干旱地區(qū)的新型高性能道面混凝土。在纖維和粉煤灰的雙摻條件不具備的情況下，也可單摻粉煤灰或單摻纖維，同樣也能達到較好的抗裂效果。

參考文獻

[1]劉慶濤，王碩太，孔祥海，等.機場道面混凝土耐久性研究[J].混凝土，2007（06）：13-15.

[2]馬麗媛，姚燕，田培，等.國內外混凝土的收縮性能及抗裂性試驗研究方法評述[J].中國建材科技，2001（01）：27-31.

[3]朱志遠，王碩太，鄧可庫.新型機場道面混凝土性能研究[J].新型建筑材料，2007（04）：67-69.

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在高溫和常溫兩種條件下，普通道面混凝土材料初裂時間最早，裂縫數量最多，裂縫寬度和裂縫長度最大，抗裂等級分別為Ⅳ級和Ⅲ級，抗裂性較差。普通道面混凝土的抗折強度為5.8 MPa，與其他幾種道面混凝土的抗折強度相比較低。

2.2.2 摻粉煤灰道面混凝土（P2）

在高溫和常溫兩種條件下，初裂時間較普通道面混凝土有所推遲，裂縫數量、裂縫尺寸遠遠小于普通道面混凝土，裂縫總長度明顯減小，抗裂等級均為Ⅱ級，抗裂性明顯優(yōu)于普通道面混凝土。可見，粉煤灰對道面混凝土早期抗裂性有很大幫助，且抗折強度和抗壓強度也比普通道面混凝土分別提高12%和14%，這是由于優(yōu)質粉煤灰在混凝土中發(fā)揮的微集料效應、填充效應、火山灰效應和減水效應抑制了混凝土早期裂縫的發(fā)生。

2.2.3 摻改性聚酯纖維（P3）和聚丙烯纖維（P4）道面混凝土

在高溫和常溫兩種條件下，初裂時間延長，裂縫數量、總長度和最大寬度都減少，單位平方米面積上的總裂開面積小于10 mm2，抗裂等級均為Ⅱ級，抗裂性顯然優(yōu)于普通道面混凝土。這是由于纖維與集料產生極強的結合力，可以迅速地與混凝土材料黏合，并在混凝土內部構成一種均勻的亂向支撐體系，削弱了混凝土的塑性收縮，收縮的能量被分散到無數細小的纖維絲上，減少了混凝土早期收縮引起的裂縫。

2.2.4 纖維和粉煤灰復合道面混凝土（P5，P6）

在高溫和常溫兩種條件下，該混凝土的抗裂效果都是最好的。初裂時間顯著延長，裂縫數量、裂縫尺寸、裂縫總面積顯著減少，抗裂等級均達到Ⅰ級，抗折、抗壓強度也比普通道面混凝土提高了15%～18%. 優(yōu)質粉煤灰的摻入，不但發(fā)揮了自身的阻裂作用，其減水效應還能大大減少了混凝土拌和物的單位需水量，彌補了纖維混凝土流動性差的缺陷，兩者的復合使纖維的阻裂作用充分發(fā)揮，在阻裂作用上起到了“1+1>2”的超疊效應，進一步提高道面混凝土的早期抗裂性是非常值得推廣的新型機場道面高性能混凝土。

3 應用情況

近幾年，我們在甘肅、青海、新疆、內蒙古等地區(qū)的多個機場翻修、擴建工程中，全部或局部鋪筑了單摻粉煤灰、單摻合成纖維或合成纖維與粉煤灰復合的高性能道面混凝土。施工時，由于粉煤灰或合成纖維的摻入，所拌制的混凝土拌和物表觀很柔和，黏聚性較好，從攪拌站后臺運送至前臺道倉時不離析、不泌水，用小型挖掘機并輔助人工攤鋪速度較快，用自行式混凝土高頻振搗機組（多棒）很容易振搗密實，滾杠提漿、找平很快，做面、拉毛很方便，做面后表觀質量均勻，平整度好，平均紋理深度容易滿足設計要求。由于拌和物保水性增加，做面后混合料表面失水慢，特別是纖維的阻裂作用有效減少了早期塑性收縮裂縫的產生。工程竣工后實測道面表面粗糙度、平整度、鄰板差等項目，檢驗合格率達98%以上，完全滿足道面表面使用功能要求。道面混凝土抗折強度均達到6.0 MPa以上，實測道面混凝土抗凍性、抗?jié)B性、耐磨性都大大優(yōu)于普通道面混凝土。

室內試驗和現(xiàn)場實踐均表明，在普通道面混凝土中摻入粉煤灰或纖維，都能提高混凝土的抗裂性和耐久性，尤其是合成纖維和優(yōu)質粉煤灰的復合使用，不但發(fā)揮了粉煤灰自身的阻裂作用，還彌補了纖維混凝土流動性差的缺陷，使纖維的阻裂作用充分發(fā)揮，在阻裂作用上起到了“1+1>2”的超疊效應，是一種適合寒冷干旱地區(qū)的新型高性能道面混凝土。在纖維和粉煤灰的雙摻條件不具備的情況下，也可單摻粉煤灰或單摻纖維，同樣也能達到較好的抗裂效果。

參考文獻

[1]劉慶濤，王碩太，孔祥海，等.機場道面混凝土耐久性研究[J].混凝土，2007（06）：13-15.

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[3]朱志遠，王碩太，鄧可庫.新型機場道面混凝土性能研究[J].新型建筑材料，2007（04）：67-69.

〔編輯：李玨〕endprint