矿物超微粉改善机场水泥道面耐久性研究

汪日灯，王亚东，李向航

(中交机场勘察设计院有限公司，广东 广州 510230)

0 引 言

目前中国机场水泥道面的设计使用年限通常为20～30年，但在应对飞机不断重型化、大型化及严苛的自然环境的挑战中，机场水泥道面的耐久性能往往不尽人意，许多水泥道面在服役5～10年后即出现大量耐久性病害。在南方其主要表现为水侵蚀，北方则是冻融破坏，跑道、滑行道轮迹带还会出现磨耗类损坏。

掺合料作为水泥混凝土的第6组分，其掺入能明显提升水泥道面耐久性能[1]。相较于各种纤维及聚合物等化学试剂掺合料，矿物超微粉具有来源广、价格低及环保无毒等优势，推广应用价值更高。胡英杰等[2]通过同时掺入粉煤灰与减水剂，对水泥混凝土的抗冻性能进行改良；李寿冬等[3]研究了沸石粉对混凝土耐久性的影响，并与粉煤灰进行了对比；Palod Richa[4]采用粒化高炉矿渣代替40%水泥制备水泥砂浆试件并对其耐久性进行研究；Ghoddousi Parviz[5]采用硅粉改良水泥砂浆，并使用SEM、TGA和AFM研究界面过渡区和微结构，研究结果表明硅粉在纳米尺度和微米尺度上的协同效应改善了水泥砂浆的力学性能和耐磨性。然则矿物超微粉的种类繁多，不同矿物超微粉对水泥混凝土的耐久性影响差异较大[6-10]，现有研究成果中关于不同矿物超微粉对水泥混凝土耐久性能影响的横向对比相对较少。鉴于此，本文选用4种常见的矿物超微粉作为掺合料替代部分水泥制备矿物超微粉改良水泥混凝土，研究不同矿物超微粉对水泥混凝土耐磨性、抗冻性及疲劳性能等耐久性指标的影响规律并作对比与分析。

1 试 验

1.1 原材料

1.1.1 水泥、集料与减水剂

本文试验中采用符合规范要求的42.5R普通硅酸盐水泥，其力学性能见表1。

表1 水泥物理力学性能

试验采用集料由石灰岩破碎得到，按粒径粗细程度分为3档：Ⅰ档(5～25 mm)；Ⅱ档(15～25 mm)；Ⅲ档(5～15 mm)。碎石的压碎值为7.62%，进行配合比设计后当3种集料按mⅠ∶mⅡ∶mⅢ=29∶44∶27的质量比配制的粗集料符合规范4.75～26.5 cm级配范围。试验用砂的表观密度为2.67 g·cm-3，细度模数为1.0～1.2。

试验采用的减水剂为某缓凝减水剂，最佳投放量为胶凝材料用量的0.9%，实测减水率为20%。

1.1.2 矿物超微粉

粉煤灰的主要技术指标参数见表2。粒化高炉矿渣的级别为S95，使用时掺入4%的石膏以激发其活性，技术指标见表3。所用沸石粉等级为Ⅱ级，需水量比为112%，沸石含量为56%，细度(80 μm方孔筛筛余)为9%。所用硅粉为浅灰色，其中SiO2含量为80%，比表面积为16 m2·g-1，火山灰活性指数为82%。

表2 粉煤灰技术指标

表3 矿渣技术指标

1.2 试验设计

1.2.1 抗冻性试验

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005) ，采用快冻法评价掺入不同矿物超微粉混凝土试件的抗冻性能。试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，需在标准条件下养生至28 d龄期后进行试验，采用经过冻融循环后试件的相对动弹模量和质量损失率作为其抗冻性能的评价指标，分别按式(1)和式(2)计算

(1)

式中：P为经过n次冻融循环后试件的相对动弹性模量(%)；fn为冻融n次循环后试件的横向基频(Hz·s-1)；f0为试验前的试件横向基频(Hz·s-1)。

(2)

式中：Wn为经过n次冻融循环后试件的质量损失率(%)；mn为冻融n次循环后试件的质量(kg)；m0为试验前的试件质量(kg)。

1.2.2 耐磨性试验

根据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)对掺入不同矿物超微粉的试件进行耐磨性试验。试件尺寸为150 mm×150 mm×75 mm，试验采用TNS-04水泥胶砂耐磨试验机。采用试件受磨耗面单位面积的磨损量评价水泥混凝土的耐磨性能，按式(3)进行计算。耐磨试验试件如图2所示。

图1 快冻法试件及冻融机

图2 耐磨试验试件

(3)

式中：G为单位面积的磨损量(kg·m-2)；m1为试件的原始质量(kg)；m2为试件磨损后的质量(kg)；0.012 5是试件磨损面积(m2)。

1.2.3 疲劳特性试验

疲劳试验在MTS850试验机上进行，应力水平为0.75，加载频率采用10 Hz[11-13]。小梁试件尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，试验中加载模式为3点加载，2个支点的间距为150 mm。加载波形统一采用正弦波，循环特征值为

R=Pmin/Pmax

(4)

式中：R为循环特征值，取0.08；Pmin为作用在试件上的最小荷载(kN)；Pmax为作用在试件上的最大荷载(kN)。

图3 试件加载形式

图4 MTS试验机

2 试验结果及分析

依据《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)，按照表4配合比方案制作试验试件。

2.1 抗冻性能试验

掺入不同矿物超微粉的混凝土试件抗冻试验结果见表5，具体规律如图5、6所示。

图5 不同试件质量损失率变化规律

由图5、6可知，掺入矿物超微粉可明显降低试件经历冻融循环后的质量损失率，同时提高相对动弹性模量。其中矿渣对水泥混凝土试件抗冻性能的提升效果最明显，沸石粉与粉煤灰次之，硅粉的改良效果较弱。

观察图5中的质量损失率的部分测试结果可发现，试件在试验后出现质量损失减小甚至质量增加的现象。本文认为原因可能在于：试件经受冻融循环后内部形成了大量的微裂缝，导致试件的强度降低，内部孔隙吸水量增大。对于经矿物超微粉改良的水泥混凝土，由于其抗冻性能得到提高，混凝土受冻融破坏后表面剥落或被溶解掉的物质的质量很小，试件的吸水量大于损失量，因而出现以上现象。

表4 各试验配合比方案

表5 抗冻试验结果

图6 不同试件相对动弹性模量变化规律

2.2 耐磨性能试验

不同试件的耐磨性试验数据见表6，具体规律如图7所示。

表6 不同试件的强度和耐磨性试验结果

图7 不同试件平均磨耗变化规律

从表6及图7可知，掺入矿物超微粉后，水泥混凝土试件的平均磨耗值均发生明显下降，证明矿物超微粉有利于提升水泥混凝土的耐磨耗性能。其中硅粉的提升效果最为明显，粉煤灰几乎没有改善效果。

研究认为，水泥混凝土的耐磨性与硬度密切相关，硬度越大，抗磨耗性能越好。由于矿物超微粉不但能有效改良水泥混凝土的水泥-集料界面，同时与Ca(OH)2发生反应，生成具有胶凝能力的水化产物，因此可提升水泥混凝土的强度[14]。由表6可知，掺入矿物超微粉后，试件的抗折强度和抗压强度都得到不同程度的提升，即其硬度变大，因此耐磨性得到改善。

2.3 疲劳特性试验

不同类型矿物超微粉改良水泥混凝土试件的疲劳试验所得数据见表7，具体影响规律如图8所示。

由图8可知，矿物超微粉改良后的水泥混凝土试件疲劳寿命得到明显提升，其中矿渣对其疲劳寿命的改善作用最明显，沸石粉与粉煤灰效果相当，硅粉的改善效果较弱。矿物超微粉可改善混凝土疲劳耐久性的主要原因为：矿物超微粉的微集料效应可以改善混凝土的孔结构与水泥-集料界面间的黏附性，提高其密实度和强度，降低其内部的不均匀性。因此，经改良后的水泥混凝土比普通混凝土内部缺陷减少，疲劳寿命相应的得到增长。

表7 不同试件的疲劳试验结果

图8 不同试件平均疲劳寿命变化规律

综合以上试验结果可发现，4种矿物超微粉中，矿渣对水泥混凝土耐久性的改良效果最好，粉煤灰与沸石粉次之，硅粉虽明显增强水泥混凝土的耐磨性，但对抗冻性与疲劳性能的提升作用不明显。总结相关研究，本文认为造成不同矿物超微粉对水泥混凝土耐久性的改良效果不同主要有以下原因。

(1)活性的影响。高活性的矿物超微粉能更易于反应生成C-S-H凝胶，其在2次水化中产生的C-S-H可堵塞1次水化形成的微孔，降低水泥混凝土的渗透性。研究表明，以上矿物超微粉活性从强到弱的排列顺序为：矿渣>沸石粉>硅粉≈粉煤灰，因此矿渣能更好地改善水泥混凝土的耐久性。

(2)成分的影响。矿物超微粉的组成成分对水泥混凝土使用寿命的延长效果起着重要影响。以矿渣与粉煤灰为例，矿渣的成分与水泥非常相似，而粉煤灰除活性成分，同时包含数种结晶态矿物和少量碳渣。这些惰性成分不但削弱了粉煤灰的活性，也阻碍了其内部活性成分发生反应。因此不同的组成成分影响着矿物超微粉的活性，进而影响其对水泥混凝土耐久性能的优化效果。

(3)自身特性影响。矿物超微粉自身的特性或缺陷也会影响其对水泥混凝土耐久性能的改良效果。例如硅粉具有明显的自干性，掺硅粉的水泥混凝土易产生干缩和收缩施工裂缝，进而对其耐久性带来不良影响；粉煤灰对外加剂有很强的吸附作用，易造成混凝土水量不足，使得水化过程中晶体和胶体成分难以顺利生成，也会降低混凝土的耐久性。

3 工程应用

3.1 工程概况

南苏丹朱巴机场为南苏丹仅有的国际机场，机场年旅客吞吐量巨大，大型客机、货机起降频繁，巨大的交通量与飞机轮胎压力对机场水泥道面的耐久性提出了极高的要求。根据施工现场情况及工程实际要求，站坪道面采用双掺粒化高炉矿渣和缓凝高效减水剂配制的耐久型水泥混凝土，具体配合比见表8。

表8 高耐久性能水泥混凝土的配合比

3.2 应用效果

在站坪上取出芯样并进行抗冻性、磨耗、疲劳试验及常规强度试验，试验结果见表9。由表9可知，矿渣改良水泥混凝土道面芯样的耐久型比普通混凝土有明显提升，且抗压强度与抗折强度均保持良好。截至成稿，该机场已正常运行4年，经跟踪观测，在应对严苛的交通条件与自然环境挑战中，道面暂未出现耐久性病害，改良效果明显。

4 结 语

本文通过进行室内试验与铺筑试验段研究了4种矿物超微粉对水泥混凝土耐磨性、抗冻性及疲劳性能等耐久性指标的影响规律，得到以下结论。

(1)4种矿物超微粉均可提升对水泥混凝土的抗冻性能，其中矿渣的提升效果最为明显，相比普通水泥混凝土，矿渣改良混凝土进行抗冻试验后质量损失率下降37%。沸石粉与粉煤灰的改良效果相当，硅粉的改良效果较弱。

表9 试验路芯样性能对比

(2)矿物超微粉可改善水泥混凝土的耐磨性能，硅粉的提升作用最明显，相比普通水泥混凝土，硅粉改良混凝土经受磨耗试验后平均磨耗减少40%。矿渣的改良效果也较好，沸石粉与粉煤灰的改良效果相当，相比普通水泥混凝土平均磨耗约减少11%。

(3)疲劳试验表明，经矿物超微粉改良的混凝土疲劳寿命能得到提升。其中矿渣对水泥混凝土疲劳寿命的提升作用最为明显，提升幅度达到50%，沸石粉与粉煤灰的提升效果相当，硅粉的改善效果较弱，约提升16%。

(4)粉煤灰、沸石粉、矿渣及硅粉均能有效提高水泥混凝土的耐久性，但不同种类的矿物超微粉对混凝土耐久性的不同方面提升效果不一。总体而言，矿渣对水泥混凝土耐久性的提升效果最好，粉煤灰与沸石粉次之，硅粉的改善效果一般。