青藏高原地区掺引气减水剂道面混凝土应用研究

雷旭华

摘 要：针对青藏高原地区铺筑传统的普通道面混凝土普遍存在的耐久性不良现象，采用掺加引气减水剂的技术路线，配制出了维勃稠度15～30S、28d抗折强度5.8MPa以上、抗冻性及耐磨性等耐久性优良的高性能道面混凝土，分析了含气量对道面混凝土工作性、抗折强度、抗冻性能及耐磨性能的影响规律，并在青藏高原地区的多个军用、民用机场道面工程中进行了推广应用。

关键词：道面混凝土；外加剂；应用研究

【文章编号】1627-6868（2016）01-0015-03

Abstract： It aimed at the bad durability phenomenon of ordinary pavement concrete on the Qinghai-Tibet Plateau， the pavement concrete was mixed with air-entraining and water-reducing admixture，the VB of which is 15～30S， 28d flexural strength is above 5.8MPa，and the freeze resistance and abrasion resistance were excellent. It studies on the influences of air-content on workability， flexural strength， freeze resistance and abrasion resistance. Then the high performance pavement concrete was mixed with air-entraining and water-reducing was used in numbers of military and civil airfields on the Qinghai-Tibet Plateau.

Key words： pavement concrete；admixture；study and application

1.引言

我国青藏高原地区海拔大多在3000m以上，空气稀薄，太阳紫外线辐射强，气温低、温差大、大风多，自然环境条件非常严酷恶劣。以往在这些地区采用传统的普通道面混凝土修建铺筑机场道面，存在施工和易性不易控制、易离析泌水、匀质性稍差、极易出现塑性收缩裂纹现象，施工难度很大。混凝土硬化后虽然抗折强度满足设计要求，但强度储备少，不能适应新机型的发展需要。更重要的是不同程度存在着道面表面品质和耐久性不良现象，有些机场道面达不到设计使用年限即产生龟裂裂纹、冻胀脱皮、局部剥落、开裂断板、表面磨损等耐久性破坏现象，严重影响道面的使用功能，危机飞行安全，不得不进行频繁的修补和翻修，势必花费巨额维修和重建费用，造成了能源和资源的极大浪费，不符合可持续发展的要求[1]。美国联邦公路局（FHWA）强调提高路面公程的综合耐久性，实现“长寿命、低维护”，降低全寿命成本，最主要的技术手段便是使用高性能混凝土[2]。高性能混凝土的重要特征之一就是优良的耐久性，其中冻融破坏是混凝土耐久性中最重要的问题之一。众所周知，引气剂和减水剂可以显著提高混凝土的抗冻性能，从而有效提高混凝土的耐久性。但引气剂的掺入，会不可避免地造成混凝土强度损失，因此，不少人对在道面混凝土中使用引气剂还认识不足，引气剂在道面混凝土中的作用还未得到足够重视。因此，有必要深入研究含气量对道面混凝土各方面性能的影响，在此基础上配制并推广应用适合于寒冷地区的高性能道面混凝土。

2.试验概况

2.1 试验用原材料

（1）水泥：42.5R普通硅酸盐水泥，密度3.15g/cm3。

（2）细骨料：河砂，细度模数为2.8，Ⅱ区，级配合格，密度2.65 g/cm3，堆积密度1500kg/m3，含泥量1.5%。

（3）粗骨料：石灰岩碎石，5～20mm，20～40mm两级配，级配比例为40：60，密度2.72g/cm3，堆积密度1650kg/m3，含泥量0.2%。

（4）外加剂：十二烷基硫酸钠盐引气剂，掺量1%00～3%00；ADD—NS高效减水剂，掺量0.5%～1.5%。

2.2 试验设计目标

（1）工作性：半干硬性道面混凝土，维勃稠度15～30S；

（2）强度：设计抗折强度等级5.0MPa，配制强度应大于5.8MPa（均方差按0.5MPa计算）；

（3）耐久性：混凝土道面设计基准期25～30年，抗冻等级F200以上。

2.3 试验配合比

试验选取道面混凝土常用的水灰比0.44～0.46，依据GJB 1112A—2004《军用机场场道工程施工及验收规范》要求的每m3混凝土最少水泥用量280kg～300Kg，石子级配和砂率通过优选法确定，根据不同的水灰比和水泥用量，掺加不同剂量的引气剂和减水剂，确定了27组配合比，见表1。同时，试拌成型标准试件并在标准条件下养护28d后，依据GB/T 50080—2002《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》、GB∕T50082—2009《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》、GB/T 16925—1997《混凝土及其制品耐磨性试验方法》进行含气量、工作性能、抗折强度、耐磨性能试验，结果见表1。

3.试验结果分析

3.1 含气量对道面混凝土工作性的影响

由表1可知，不同水灰比、不同水泥用量时，随着含气量的增加，维勃稠度均明显减小，尤其当含气量为3～5%时，浆体表观更为柔和，工作性更佳。这主要是由于引气减水剂在混凝土中引入了大量微小独立气泡，起到了滚珠作用，使骨料颗粒间摩擦力减小，充分发挥了水泥浆的润滑作用，混凝土流动性大大提高，且气泡堵塞毛细管通道，使混凝土不泌水，粘聚性、保水性增加，表观很柔和，和易性得到显著改善。但试验研究表明，道面混凝土水泥用量小于280Kg/m3时，即使混凝土含气量达到3%以上，混凝土和易性也不能满足施工要求，因此，道面混凝土最小水泥用量不应低于280 Kg/m3。

3.2 含气量对道面混凝土抗折强度的影响

由表1可知，随着含气量的增加，道面混凝土抗折强度明显呈下降趋势，在同水灰比、同水泥用量条件下，混凝土含气量每增加1%，抗折强度降低3.3%～8.6%（取决于引气剂种类与质量）。当含气量大于5%时，抗折强度远低于5.8MPa，不能满足设计要求。这主要是由于引气剂引入的大量微小气泡，增加了水泥浆基体的孔隙率[3]，根据强度与孔隙率普遍的反比关系，由于孔隙率的增加导致了抗折强度的降低。但是，由于减水剂的减水增强作用，可以在一定程度上弥补因使用引气剂而造成的强度损失，可以保证道面混凝土强度满足设计要求。

3.3 含气量对道面混凝土耐磨性能的影响

从表1可以看出，随着含气量的增加，磨槽深度随之增加，道面混凝土耐磨性能降低。当含气量大于5%时，磨槽深度均在2mm以上，达不到美国联邦公路管理局（FHWA）提出的高性能混凝土最低抗磨耗等级标准（2.0mm>磨槽深度≥1.0mm）[4]，同时，磨槽深度超过2.0mm，道面将过早产生露砂、露石现象，严重影响道面的正常使用。这主要是由于引入的大量微小的气泡，减小了道面混凝土受压有效面积，从而降低了耐磨性能。

3.4 含气量对道面混凝土抗冻性能的影响

对上述满足道面混凝土工作性与抗折强度要求的配合比（共20组，编号同表1），采用快冻法进行抗冻性能试验研究，结果如表2。

由表2可知，水灰比为0.46的配合比，混凝土含气量在2.2%～3.3%之间，抗冻等级仅达到F100～F150，不满足设计要求；水灰比为0.45或0.44，含气量为3%～5%的混凝土，其抗冻等级均在F200以上，满足抗冻耐久性要求，适合于寒冷地区道面混凝土的铺筑，并已成功应用于工程实践；但含气量低于3%时，抗冻等级达不到F200，不能满足设计要求。因此，寒冷地区道面混凝土的最大水灰比应不大于0.45，含气量范围为3%～5%。

由表1、2可以看出，在相同含气量下，强度越高，抗冻性越好；但不同含气量下，强度高，抗冻性未必好，混凝土引气后，即使在较低强度下也可以有较高的抗冻性。杨钱荣、黄士元也通过研究表明，强度对混凝土抗冻性有重要影响，但其影响程度远不如含气量[5]。这主要是由于引气减水剂的掺入，减少了道面混凝土中的游离水，同时引入的大量微小独立气泡，能有效缓冲冻融过程中产生的静水压力和渗透压力，避免生成破坏压力，减少和防止冻融的破坏作用，从而显著提高道面混凝土的抗冻性能。

4.现场应用

近年来笔者参加的青藏高原严酷地区的多个军用、民用机场道面工程中，推广应用了掺引气减水剂的高性能混凝土。混凝土配制时水灰比控制在0.42～0.44，水泥用量控制在300～320Kg，砂率28～32%，掺引气减水剂0.5～1.0%，所拌制的混凝土拌和物表观柔和，保水性、匀质性好；从搅拌站后台运送至前台道仓时不离析，不泌水，容易摊铺；用多棒式振捣器很容易振捣密实，用条夯振捣整平后再用滚杠提浆很方便，做面、拉毛很容易，做面后表观质量均匀，平整度好。竣工后实测道面表面粗糙度、平整度、邻板差等项目，检验合格率达100%，完全满足道面表面使用功能要求。实测现场道面混凝土预留试件的抗折强度达到5.8～6.5MPa，预留试件的抗冻性、抗渗性、耐磨性都大大优于普通道面混凝土。部分机场已使用6年以上，到目前为止，没有发生冻胀脱皮、开裂断板、表面磨损等破坏现象，保证了道面的设计使用功能，预期可有效延长道面使用寿命。

参考文献

[1] 刘庆涛、王硕太、孔祥海等.机场道面混凝土耐久性研究[J].混凝土，2007（6）

[2] Hoerner、T.E、M.L.Darter.Guide to Developing Performance related specifications for HPC Pavement.Volume1： Pratical Guide，Final Report and Appendix A. Pubilication No.FHWA-RD-98-155，February.1999

[3] P. Kuma Mehta.Paulo J.M. Monteiro著.覃维祖、王栋民、丁建彤译.混凝土微观结构、性能和材料[M].北京：中国电力出版社，2008

[4] Henry G.Russell、H.Celik Ozyildirim.Revising High-performance Concrete Classification[J].Concrete International，V.28，NO.8，August.2006.

[5] 杨钱荣、黄士元.引气混凝土的特性研究[J].混凝土，2008.5