機(jī)制砂機(jī)場(chǎng)道面混凝土試驗(yàn)研究

武海輪，陳景，劉霞

（中建西部建設(shè)西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

隨著我國(guó)大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，我國(guó)航空業(yè)得到了快速發(fā)展。大規(guī)模的機(jī)場(chǎng)建設(shè)加大了對(duì)混凝土的需求，目前，機(jī)場(chǎng)道面混凝土用細(xì)集料仍然為天然河砂。但是，包括成都區(qū)域在內(nèi)的國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)由于受河砂資源的限制，其混凝土用細(xì)集料以機(jī)制砂為主要原料。隨著天然砂的日漸短缺，機(jī)制砂替代天然砂已成為混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。機(jī)制砂的材料特性與天然砂有很大的區(qū)別，這也使機(jī)制砂混凝土在性能表現(xiàn)、配合比設(shè)計(jì)及生產(chǎn)、施工等方面與天然砂混凝土存在較大差異。雖然《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定僅可在設(shè)計(jì)許可的部位用機(jī)制砂作為細(xì)集料，但民用機(jī)場(chǎng)道面混凝土關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)和普通混凝土又具有較大的差異性，目前民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土面層采用機(jī)制砂的實(shí)例較少，僅有貴陽(yáng)龍洞堡機(jī)場(chǎng)用機(jī)制砂混凝土建造機(jī)場(chǎng)道面的實(shí)例[1-4]。本文重點(diǎn)研究了不同種類的機(jī)制砂對(duì)機(jī)場(chǎng)道面混凝土力學(xué)性能的影響，對(duì)機(jī)制砂應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面混凝土做出指導(dǎo)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料及其性能

根據(jù) MH 5006—2015《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土面層施工技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，并考察成都地區(qū)現(xiàn)有機(jī)制砂種類及特點(diǎn)后，對(duì)機(jī)場(chǎng)道面混凝土原材料進(jìn)行了優(yōu)選，其性能如下：P·O42.5R水泥，基本性能見(jiàn)表 1；Ⅰ級(jí)粉煤灰，基本性能見(jiàn)表 2；粗集料選用 5～20mm 和20～40mm 石灰石碎石（簡(jiǎn)稱“大石”和“小石”），細(xì)集料選用兩種機(jī)制砂，其中機(jī)制砂Ⅰ（SⅠ）為卵石破碎機(jī)制砂，機(jī)制砂Ⅱ（SⅡ）為石灰石破碎機(jī)制砂，基本性能見(jiàn)表 3。外加劑選用本公司生產(chǎn)的 ZJ-Ⅲ 型聚羧酸減水劑，減水率＞25%。水選用普通自來(lái)水。

表1 水泥基本性能

表2 粉煤灰基本性能

表3 機(jī)制砂基本性能指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土抗壓、抗折試驗(yàn)參照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，抗壓試件尺寸為 150mm×150mm×150mm?？拐墼嚰叽鐬?00mm×100mm×400mm。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

2.1 水泥用量的影響

參照 MH 5006—2015《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土面層施工技術(shù)規(guī)范》中 4.1.3 的規(guī)定，水泥混凝土單位水泥用量應(yīng)不小于 310kg/m3。本次試驗(yàn)使用兩種機(jī)制砂分別配制混凝土，在水膠比為 0.41、砂率為 33% 一定的情況下，采用絕對(duì)體積法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，計(jì)算出砂、石、水用量，其中 5～20mm/20～40mm碎石比例通過(guò)優(yōu)選法進(jìn)行試驗(yàn)，最終確定為 47/53。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整外加劑摻量，控制混凝土維勃稠度在 20s 左右。（注：以下試驗(yàn)均采用此方法。）試驗(yàn)所用配合比和檢測(cè)結(jié)果如表 4 所示，水泥用量與混凝土抗折強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖 1。

圖1 水泥用量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由圖 1 可以看出，采用機(jī)制砂 Ⅱ 配制的混凝土，抗折強(qiáng)度要高于采用機(jī)制砂Ⅰ配制的混凝土?；炷恋目拐蹚?qiáng)度均隨著水泥用量的增大而增大，當(dāng)水泥用量超過(guò) 330kg/m3時(shí)，抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯。當(dāng)水泥用量為 360kg/m3時(shí)，采用兩種機(jī)制砂配制的混凝土抗折強(qiáng)度分別為 5.6MPa 和 5.9MPa。但考慮到經(jīng)濟(jì)性及其他性能，水泥用量不是越多越好。

2.2 粉煤灰用量的影響

參照 MH 5006—2015《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土面層施工技術(shù)規(guī)范》中 4.1.3 的規(guī)定，混凝土中摻入粉煤灰時(shí)，單位水泥用量應(yīng)不小于 280kg/m3。本次試驗(yàn)采用兩種機(jī)制砂進(jìn)行配制混凝土，在保證膠凝材料總量為 360kg/m3，水膠比為 0.41，砂率為 33% 一定的情況下，調(diào)整粉煤灰的摻量，研究其對(duì)混凝土性能的影響。試驗(yàn)所用配合比和檢測(cè)結(jié)果如表 5 所示，粉煤灰用量與混凝土抗折強(qiáng)度曲線見(jiàn)圖 2。

表4 不同水泥用量的混凝土配合比

表5 不同粉煤灰摻量的混凝土配合比

圖2 粉煤灰用量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由圖 2 可以看出，隨著粉煤灰的摻量的逐漸增大，混凝土的抗折強(qiáng)度均逐漸降低，當(dāng)粉煤灰摻入 30kg/m3時(shí)，采用兩種機(jī)制砂配制的混凝土 28d 抗折強(qiáng)度分別降低了 1.8% 和 3.4%。當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò) 30kg/m3時(shí)，混凝土抗折強(qiáng)度下降明顯。當(dāng)粉煤灰摻量 80kg/m3時(shí)，采用兩種機(jī)制砂配制的混凝土抗折強(qiáng)度分別下降了 19.6%和 22.9%。

2.3 機(jī)制砂石粉含量的影響

參照 MH 5006—2015《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土面層施工技術(shù)規(guī)范》中 3.3.1 中對(duì)機(jī)制砂的石粉含量要求≤7%，本次試驗(yàn)中所用石粉均為兩種機(jī)制砂原砂在球磨機(jī)中粉磨 40min 所得，將機(jī)制砂的石粉含量調(diào)整到 8%、10%、15% 和 20%，并配制混凝土。試驗(yàn)是在固定了膠凝材料用量為 360kg/m3、砂率 33%、水膠比0.41 的情況下，對(duì)比研究?jī)煞N機(jī)制砂不同石粉含量對(duì)混凝土抗折強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)所用兩種配合比及性能結(jié)果分別見(jiàn)表 6，石粉含量與混凝土力學(xué)性能曲線關(guān)系圖見(jiàn)圖 3 和圖 4。

由圖 3(a) 和 4(a) 所示，機(jī)制砂Ⅰ石粉含量低于10% 時(shí)，隨著石粉含量的增大，混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸增大，抗壓強(qiáng)度也略有提高，當(dāng)石粉含量超過(guò) 10%時(shí)，抗折、抗壓強(qiáng)度下降的趨勢(shì)較為明顯；同樣，由圖 3(b) 和 4(b) 所示，機(jī)制砂Ⅱ隨著石粉含量的增加，抗折強(qiáng)度逐漸增大，但當(dāng)石粉含量超過(guò)一定范圍后（10%），抗折強(qiáng)度增大的趨勢(shì)不明顯，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

表6 石粉含量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

圖3 石粉含量對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

圖4 石粉含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

3 配合比對(duì)機(jī)場(chǎng)道面混凝土性能的影響

3.1 水膠比的影響

本次試驗(yàn)在保證膠凝材料組成及用量一定（水泥330kg/m3、粉煤灰 30kg/m3）、砂率一定（35%）的前提下，采用兩種機(jī)制砂分別配制不同水膠比的混凝土，通過(guò)外加劑摻量控制混凝土的維勃稠度在 20s 左右。試驗(yàn)所用配合比及抗折強(qiáng)度結(jié)果如表 7 所示，水膠比與抗折強(qiáng)度關(guān)系圖見(jiàn)圖 5。

圖5 水膠比對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由圖 5 所示，隨著水膠比的逐漸增大，混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸降低。在較低水膠比的情況下（低于0.35），雖然混凝土的抗折強(qiáng)度較高，但是由于水膠比過(guò)低，導(dǎo)致混凝土的和易性較差，混凝土試件成型較為困難，在工程應(yīng)用中也不利于施工。采用機(jī)制砂配制機(jī)場(chǎng)道面混凝土，水膠比宜控制在 0.41 左右。

表7 不同水膠比的混凝土配合比

3.2 砂率的影響

本次試驗(yàn)在保證膠凝材料組成及用量一定（水泥330kg/m3、粉煤灰 30kg/m3），水膠比一定（0.41）的情況下，采用兩種機(jī)制砂分別配制不同砂率的混凝土，通過(guò)外加劑摻量控制混凝土的維勃稠度在 20s 左右。試驗(yàn)所用配合比及試驗(yàn)結(jié)果如表 8 所示，砂率與混凝土抗折強(qiáng)度關(guān)系曲線圖見(jiàn)圖 6。

圖6 砂率對(duì)抗折強(qiáng)度的影響

由圖 6 所示，在水膠比一定的情況下，砂率是影響混凝土抗折強(qiáng)度的主要因素。隨著機(jī)制砂砂率的提高，混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸降低。在砂率較低的情況下（低于 30%），雖然混凝土的抗折強(qiáng)度較高，但是較低的砂率將導(dǎo)致砂漿對(duì)粗骨料的包裹性變差，機(jī)制砂有別于河砂棱角分明的特性，會(huì)將此效應(yīng)進(jìn)一步放大，導(dǎo)致混凝土狀態(tài)較差，影響混凝土的施工性能。因此在采用機(jī)制砂配制機(jī)場(chǎng)道面混凝土不宜追求更高抗折強(qiáng)度而采用過(guò)低砂率?？紤]到混凝土狀態(tài)，采用機(jī)制砂制備機(jī)場(chǎng)道面混凝土，砂率在 35% 左右為宜。

表8 不同砂率的混凝土配合比

4 結(jié)論

（1）粉煤灰的摻入會(huì)對(duì)機(jī)場(chǎng)道面混凝土的抗折性能產(chǎn)生不利影響，其等量取代率不宜超過(guò) 10%。

（2）不同種類的機(jī)制砂其石粉含量對(duì)機(jī)場(chǎng)道面混凝土力學(xué)性能的影響不同，機(jī)制砂石粉含量在 10% 范圍內(nèi)時(shí)，石粉均有利于抗壓抗折強(qiáng)度的提高。當(dāng)石粉含量超過(guò) 10% 時(shí)，采用機(jī)制砂Ⅰ配制的混凝土抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸降低。采用機(jī)制砂Ⅱ配制的混凝土，抗折強(qiáng)度略有提高，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。

（3）采用機(jī)制砂制備機(jī)場(chǎng)道面混凝土水膠比宜控制在 0.41 左右，砂率宜控制在 35% 左右。

[1] 劉照煒，孔祥海，王瑋．機(jī)制砂在機(jī)場(chǎng)道面混凝土中的應(yīng)用[C]．“全國(guó)特種混凝土技術(shù)及工程應(yīng)用”學(xué)術(shù)交流會(huì)暨混凝土質(zhì)量專業(yè)委員會(huì)年會(huì)[A]，2008．

[2] 唐尋，宋顯宏，楊和禮．復(fù)合高性能混凝土在機(jī)場(chǎng)道面工程中的應(yīng)用[J]．施工技術(shù)，2009,38(04): 101-104.

[3] 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(04): 25-28．

[4] 馬國(guó)靖，王碩太，吳永根，等．高性能道面混凝土[J]．混凝土，2000(06): 3-6+21．