機制砂機場道面混凝土試驗研究

武海輪，陳景，劉霞

（中建西部建設西南有限公司，四川 成都 610052）

0 前言

隨著我國大規模基礎設施建設的持續推進，我國航空業得到了快速發展。大規模的機場建設加大了對混凝土的需求，目前，機場道面混凝土用細集料仍然為天然河砂。但是，包括成都區域在內的國內大部分地區由于受河砂資源的限制，其混凝土用細集料以機制砂為主要原料。隨著天然砂的日漸短缺，機制砂替代天然砂已成為混凝土行業可持續發展的必由之路。機制砂的材料特性與天然砂有很大的區別，這也使機制砂混凝土在性能表現、配合比設計及生產、施工等方面與天然砂混凝土存在較大差異。雖然《民用機場水泥混凝土道面設計規范》中規定僅可在設計許可的部位用機制砂作為細集料，但民用機場道面混凝土關鍵技術指標和普通混凝土又具有較大的差異性，目前民用機場水泥混凝土面層采用機制砂的實例較少，僅有貴陽龍洞堡機場用機制砂混凝土建造機場道面的實例[1-4]。本文重點研究了不同種類的機制砂對機場道面混凝土力學性能的影響，對機制砂應用于機場道面混凝土做出指導。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及其性能

根據 MH 5006—2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》標準規范要求，并考察成都地區現有機制砂種類及特點后，對機場道面混凝土原材料進行了優選，其性能如下：P·O42.5R水泥，基本性能見表 1；Ⅰ級粉煤灰，基本性能見表 2；粗集料選用 5～20mm 和20～40mm 石灰石碎石（簡稱“大石”和“小石”），細集料選用兩種機制砂，其中機制砂Ⅰ（SⅠ）為卵石破碎機制砂，機制砂Ⅱ（SⅡ）為石灰石破碎機制砂，基本性能見表 3。外加劑選用本公司生產的 ZJ-Ⅲ 型聚羧酸減水劑，減水率＞25%。水選用普通自來水。

表1 水泥基本性能

表2 粉煤灰基本性能

表3 機制砂基本性能指標

1.2 試驗方法

混凝土抗壓、抗折試驗參照 GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行，抗壓試件尺寸為 150mm×150mm×150mm。抗折試件尺寸為100mm×100mm×400mm。

2 試驗內容與結果

2.1 水泥用量的影響

參照 MH 5006—2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》中 4.1.3 的規定，水泥混凝土單位水泥用量應不小于 310kg/m3。本次試驗使用兩種機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，采用絕對體積法進行配合比設計，計算出砂、石、水用量，其中 5～20mm/20～40mm碎石比例通過優選法進行試驗，最終確定為 47/53。試驗過程中通過調整外加劑摻量，控制混凝土維勃稠度在 20s 左右。（注：以下試驗均采用此方法。）試驗所用配合比和檢測結果如表 4 所示，水泥用量與混凝土抗折強度曲線見圖 1。

圖1 水泥用量對抗折強度的影響

由圖 1 可以看出，采用機制砂 Ⅱ 配制的混凝土，抗折強度要高于采用機制砂Ⅰ配制的混凝土。混凝土的抗折強度均隨著水泥用量的增大而增大，當水泥用量超過 330kg/m3時，抗折強度的增長趨勢明顯。當水泥用量為 360kg/m3時，采用兩種機制砂配制的混凝土抗折強度分別為 5.6MPa 和 5.9MPa。但考慮到經濟性及其他性能，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《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》中 4.1.3 的規定，混凝土中摻入粉煤灰時，單位水泥用量應不小于 280kg/m3。本次試驗采用兩種機制砂進行配制混凝土，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，調整粉煤灰的摻量，研究其對混凝土性能的影響。試驗所用配合比和檢測結果如表 5 所示，粉煤灰用量與混凝土抗折強度曲線見圖 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 粉煤灰用量對抗折強度的影響

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

2.3 機制砂石粉含量的影響

參照 MH 5006—2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》中 3.3.1 中對機制砂的石粉含量要求≤7%，本次試驗中所用石粉均為兩種機制砂原砂在球磨機中粉磨 40min 所得，將機制砂的石粉含量調整到 8%、10%、15% 和 20%，并配制混凝土。試驗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，對比研究兩種機制砂不同石粉含量對混凝土抗折強度的影響，試驗所用兩種配合比及性能結果分別見表 6，石粉含量與混凝土力學性能曲線關系圖見圖 3 和圖 4。

由圖 3(a) 和 4(a) 所示，機制砂Ⅰ石粉含量低于10% 時，隨著石粉含量的增大，混凝土的抗折強度逐漸增大，抗壓強度也略有提高，當石粉含量超過 10%時，抗折、抗壓強度下降的趨勢較為明顯；同樣，由圖 3(b) 和 4(b) 所示，機制砂Ⅱ隨著石粉含量的增加，抗折強度逐漸增大，但當石粉含量超過一定范圍后（10%），抗折強度增大的趨勢不明顯，抗壓強度逐漸降低。

表6 石粉含量對混凝土力學性能的影響

圖3 石粉含量對抗折強度的影響

圖4 石粉含量對抗壓強度的影響

3 配合比對機場道面混凝土性能的影響

3.1 水膠比的影響

本次試驗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，采用兩種機制砂分別配制不同水膠比的混凝土，通過外加劑摻量控制混凝土的維勃稠度在 20s 左右。試驗所用配合比及抗折強度結果如表 7 所示，水膠比與抗折強度關系圖見圖 5。

圖5 水膠比對抗折強度的影響

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度較高，但是由于水膠比過低，導致混凝土的和易性較差，混凝土試件成型較為困難，在工程應用中也不利于施工。采用機制砂配制機場道面混凝土，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，采用兩種機制砂分別配制不同砂率的混凝土，通過外加劑摻量控制混凝土的維勃稠度在 20s 左右。試驗所用配合比及試驗結果如表 8 所示，砂率與混凝土抗折強度關系曲線圖見圖 6。

圖6 砂率對抗折強度的影響

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度的主要因素。隨著機制砂砂率的提高，混凝土的抗折強度逐漸降低。在砂率較低的情況下（低于 30%），雖然混凝土的抗折強度較高，但是較低的砂率將導致砂漿對粗骨料的包裹性變差，機制砂有別于河砂棱角分明的特性，會將此效應進一步放大，導致混凝土狀態較差，影響混凝土的施工性能。因此在采用機制砂配制機場道面混凝土不宜追求更高抗折強度而采用過低砂率。考慮到混凝土狀態，采用機制砂制備機場道面混凝土，砂率在 35% 左右為宜。

表8 不同砂率的混凝土配合比

4 結論

（1）粉煤灰的摻入會對機場道面混凝土的抗折性能產生不利影響，其等量取代率不宜超過 10%。

（2）不同種類的機制砂其石粉含量對機場道面混凝土力學性能的影響不同，機制砂石粉含量在 10% 范圍內時，石粉均有利于抗壓抗折強度的提高。當石粉含量超過 10% 時，采用機制砂Ⅰ配制的混凝土抗折、抗壓強度逐漸降低。采用機制砂Ⅱ配制的混凝土，抗折強度略有提高，抗壓強度逐漸降低。

（3）采用機制砂制備機場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．機制砂在機場道面混凝土中的應用[C]．“全國特種混凝土技術及工程應用”學術交流會暨混凝土質量專業委員會年會[A]，2008．

[2] 唐尋，宋顯宏，楊和禮．復合高性能混凝土在機場道面工程中的應用[J]．施工技術，2009,38(04): 101-104.

[3] 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(04): 25-28．

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