寒冷干旱地區新型道面混凝土性能研究

張忠陵 王方巖

目前道面混凝土的傳統組分已經很難讓混凝土的性能得到更大的提升,難以滿足現代新型戰機對機場道面的要求,需要增加外摻料對混凝土進行改性。本文在目前普通道面混凝土常用配合比的基礎上研究配制了普通道面混凝土,摻纖維或粉煤灰的混凝土以及纖維、粉煤灰復合的混凝土,并以抗裂、抗凍、抗滲、耐磨為評價指標,尋求適合寒冷干旱地區的新型高性能道面混凝土。

1 試驗用材料與配合比

1.1 原材料

水泥:42.5R普通硅酸鹽水泥,28 d抗折強度8.8 MPa,抗壓強度 48.0 MPa,密度3.10 g/cm3;粉煤灰:Ⅰ級粉煤灰,密度2.2 g/cm3,45 μ m 篩余量 2%,需 水量比 86%,燒失量 3.0%;纖維:聚丙烯合成纖維,密度 0.91 g/cm3,長度 19 mm;砂子:河砂,細度模數為2.50,含泥量小于1.0%,密度2.63 g/cm3,堆積密度1.50 kg/L;石子:石灰巖碎石,5 mm～20 mm,20 mm～40 mm兩級配,密度2.70 g/cm3,堆積密度 1.71 kg/L。

1.2 配合比

本文依據機場道面混凝土配合比設計技術標準,通過原材料選擇和水泥用量、砂率、石子級配、粉煤灰摻量、纖維摻量的優選,最終確定普通道面混凝土(P)、摻粉煤灰道面混凝土(F)、摻纖維道面混凝土(X)以及纖維與粉煤灰復合的道面混凝土(XF)四種類型的混凝土配合比。

研究配制的四種類型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抗折強度的設計要求,本文在此基礎上進行了抗裂性、抗凍性、抗滲性、耐磨性能對比試驗,目的是尋求適合寒冷干旱地區的高抗裂、高耐久的高性能道面混凝土。

2 試驗結果及分析

2.1 抗裂性

本文結合機場道面工程的特點,采用平板法進行混凝土的抗裂試驗,試驗風速 2.5 m/s,溫度 20℃±2℃,相對濕度60%±3%,并參考《混凝土結構耐久性設計與施工指南》中笠井芳夫的試驗評價方法對試驗結果進行分析評價[3],試驗結果見表1。結果表明:纖維和粉煤灰混凝土的四個評價指標均低于普通混凝土,抗裂等級為Ⅱ級,而纖維、粉煤灰復合混凝土抗裂效果最好,抗裂等級達到了Ⅰ級,明顯優于單摻粉煤灰或纖維的混凝土,更適合于干旱地區的機場道面工程。

2.2 抗凍性

本文采用慢凍法[4],根據混凝土的質量損失和強度損失評定混凝土抗凍等級,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,結果表明:四種混凝土均達到D300,但普通混凝土300次凍融循環后的質量損失達到3.42%,強度損失達到14%,雖滿足國家標準規定,但強度損失已接近空軍機場對道面混凝土的要求(≤15%),這樣的質量損失和強度損失很可能引起道面凍融脫皮,給機場飛行安全帶來隱患。粉煤灰混凝土和纖維混凝土的抗凍性明顯提高,其中纖維、粉煤灰復合混凝土抗凍性最好,質量和強度損失最小,凍融循環300次后,質量和強度損失只有 1.2和 5%,約為單摻纖維或粉煤灰混凝土的50%,完全能夠滿足嚴寒地區道面混凝土的抗凍性要求。

表1 抗裂性試驗結果

2.3 抗滲性

本文采用ASTM C1202-05測試方法[5]——將混凝土試件(直徑100 mm,厚51 mm的圓柱體)一端浸在NaCl溶液中,另一端浸在NaOH溶液中,試件的兩端保持60 V直流電位差,記錄6 h內通過試件的電量(庫侖),以該電量的大小評價混凝土抗Cl-滲透的能力,試驗結果見表 2。結果表明:纖維、粉煤灰復合混凝土的抗滲能力最好,Cl-滲透能力為極低,Cl-滲透電量僅為單摻纖維或粉煤灰混凝土的50%左右,抗滲能力得到大大提高。

表2 抗滲性試驗結果

2.4 耐磨性

試驗方法:試件尺寸為(150×150×150)mm3,采用砂輪(d=10 cm,2 500轉/min,50 N壓力)在混凝土試件表面上磨耗2 min,稱量混凝土的質量損失,試驗結果表明,粉煤灰混凝土和纖維混凝土的磨耗率相比普通混凝土都大幅降低,纖維與粉煤灰復合混凝土的耐磨性能最好,相對磨耗率只有普通混凝土的24%,比粉煤灰混凝土和纖維混凝土都有降低,磨耗率只有單摻纖維或粉煤灰混凝土的50%。

3 纖維、粉煤灰的超疊加綜合效應機理

1)粉煤灰增強效應:混凝土中摻入粉煤灰可以大大提高混凝土的強度,主要是粉煤灰在混凝土中發揮了滾珠效應、填充效應和火山灰效應[6],使得混凝土的內部結構得到改善,變得更為致密,從而提高了混凝土的強度。

2)聚丙烯纖維阻裂效應:適量合成纖維的摻入,可以在混凝土中產生數以千萬計的細小纖維,降低了混凝土表面析水與集料的沉降,使混凝土中有害孔隙量大大降低,同時纖維可以承擔部分應力,從而可使混凝土因收縮而引起的應力減小,有著顯著的阻裂作用[7]。可以說纖維的摻入減少了混凝土的原生裂縫,改善混凝土的內部結構,并因而提高了混凝土的抗裂、抗滲、抗凍、耐磨等性能。

3)聚丙烯纖維與粉煤灰的復合效應:在混凝土工作性方面,纖維有增稠效應,降低了混凝土的流動性,而粉煤灰有減水作用,兩者的共同存在可以彌補纖維混凝土流動性差的不足;在混凝土的基材界面方面,聚丙烯纖維—基材界面往往比普通基材界面有更高的水灰比[8],造成聚丙烯纖維—基材表面呈弱界面,這對強度不利,粉煤灰的摻入可以改善混凝土的界面,提高強度,彌補了纖維對混凝土強度的不足。纖維、粉煤灰復合混凝土充分發揮了纖維、粉煤灰兩者的優勢,彌補了單方的不足,產生了1+1＞2的超疊加綜合效應。

4 結語

室內試驗和現場實踐表明,在普通道面混凝土中單摻粉煤灰或纖維,都能提高混凝土的抗裂性和耐久性,而同時摻加粉煤灰和纖維的新型道面混凝土更能有效防止裂縫的發生,明顯提高道面使用壽命,具有顯著的軍事、經濟和社會效益。

[1] 吳中偉.纖維增強—水泥基材料的未來[A].纖維水泥制品行業論文選集(1965～1999)[C].北京:中國建材工業出版社,2000.

[2] Parvis Soroushian,Siavosh Ravanbakhsh,p..Control of Plastic Shrinkage Cracking with Specialty Cellulose Fibers[J].ACI Materials Journal,1998,95(4):60-70.

[3] CECS 38-2004,混凝土結構耐久性設計與施工指南[S].

[4] GBJ 82-85,普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法[S].

[5] ASTM C 1202-05,Standard Test Method for Electrical Indication of Concrete'S Ability to Resist Chloride Ion Penetration[S].

[6] 王碩太,馬國靖,朱志遠,等.高性能道面混凝土配合比設計[J].公路交通科技,2007,24(4):59-60.

[7] 徐至鈞.纖維混凝土技術及應用[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[8] Henry G.Russell,H.Celik Ozyildirim.Revising High-Performance Concrete Classifications[J].Concrete International,2006,28(8):43-49.