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摘要:针对传统机场道面混凝土易开裂、耐久性不良的现象,采用在普通道面混凝土中掺加纤维、粉煤灰的技术路线,研究配制适合严寒干旱地区的新型高性能道面混凝土,并进行了抗裂、抗冻、抗渗、耐磨综合性能试验。试验结果表明:单掺粉煤灰或纤维,均能大大提高普通道面混凝土的抗裂性和耐久性,尤其是纤维、粉煤灰复合时,道面混凝土抗裂性和耐久性能进一步得到提高,是一种适合寒冷干旱地区的新型高性能道面混凝土。
关键词:机场道面;纤维;粉煤灰;抗裂性;耐久性
中图分类号:U414 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)27-0008-02
机场道面相比其它建筑物处于更为恶劣复杂的环境条件,尤其是严寒干旱地区,道面经常在施工阶段或在使用中出现裂纹、裂缝、碎裂等现象,在其后的不到3～5年又出现剥蚀、碎裂、脱皮等现象,严重影响了部队的飞行训练安全,传统普通混凝土道面耐久性差、易开裂的问题亟待解决。
目前道面混凝土的传统组分已经很难将混凝土的性能得到更大的提升,难以满足现代新型战机对机场道面的要求,需要增加外掺料对混凝土进行改性。我国已故资深工程院士吴中伟先生认为:“复合化是水泥基材料高性能化的主要途径,纤维增强是其核心。”[1]本文在目前普通道面混凝土常用配合比的基础上研究配制了普通道面混凝土,掺纤维或粉煤灰的混凝土以及纤维、粉煤灰复合的混凝土,并以抗裂、抗冻、抗渗、耐磨为评价指标,寻求适合寒冷干旱地区的新型高性能道面混凝土。
1试验用材料与配合比
1.1原材料
水泥:42.5R普通硅酸盐水泥,28 d抗折强度8.8 MPa,抗压强度48.0 MPa,密度3.10 g/cm3。
粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰,密度2.2 g/cm3,45μm筛余量2%,需水量比86%,烧失量3.0%。
纤维:聚丙烯合成纤维,密度0.91 g/cm3,长度19 mm。
砂子:河砂,细度模数为2.50,含泥量<1.0%,密度2.63g/cm3,堆积密度1.50 kg/l;石子,石灰岩碎石,5～20 mm,20～40 mm两级配,密度2.70 g/cm3,堆积密度1.71 kg/L。
1.2配合比
本文依据机场道面混凝土配合比设计技术标准,通过原材料选择和水泥用量、砂率、石子级配、粉煤灰掺量、纤维掺量的优选,最终确定普通道面混凝土(P)、掺粉煤灰道面混凝土(F)、掺纤维道面混凝土(X)以及纤维与粉煤灰复合的道面混凝土(XF)等四种类型的混凝土配合比,其结果见表1。
从表1可以看出,研究配制的4种类型混凝土的抗折强度等级都在5.0 MPa以上,均满足当前我军机场道面混凝土抗折强度的设计要求,本文在此基础上进行了抗裂性、抗冻性、抗渗性、耐磨性能对比试验,目的是寻求适合寒冷干旱地区的高抗裂、高耐久的高性能道面混凝土。
2试验结果及分析
2.1抗裂性
本文结合机场道面工程的特点,参照美国混凝土协会ACI-544“纤维增强混凝土的性能测试”技术报告中P.P.Kraai提出的试验方法,[2]采用平板法进行混凝土的抗裂试验,试验风速2.5 m/s,温度20±2 ℃,相对湿度60±3%,并参考《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中笠井芳夫的试验评价方法对试验结果进行分析评价,[3]试验结果见表2。结果表明:纤维混凝土(X)和粉煤灰混凝土(F)的4个评价指标均低于普通混凝土(P),抗裂等级为Ⅱ级,而纤维与粉煤灰复合的混凝土(XF)抗裂效果最好,抗裂等级达到了Ⅰ级,明显优于单掺粉煤灰或纤维的混凝土,更适合于干旱地区的机场道面工程。
表1道面混凝土配合比与强度试验结果
水泥
(kg/m3) 纤维
(kg/m3) 粉煤灰(kg/m3) 水
(kg/m3) 砂
(kg/m3) 石子
(kg/m3) 抗折强度
(MPa) 抗压强度
(MPa)
P 320 147 545 1 438 5.83 51.4
X 320 0.91 147 545 1 438 6.09 52.3
F 280 90 147 545 1 438 6.59 60.3
XF 280 0.91 90 147 545 1 438 6.65 63.5
表2抗裂性试验结果
编号 最大裂缝宽度(Wmax/mm) 裂缝平均开裂面积(mm2/条) 单位面积开裂裂缝数目(条/m2) 单位面积上的总裂开面积(mm2/m2) 抗裂等级
P 0.08 1.88 139 261.32 Ⅳ
F 0.05 0.73 27 19.71 Ⅱ
X 0.04 0.49 15 7.35 Ⅱ
XF 0.01 0.31 8 2.48 Ⅰ
2.2抗冻性
本文采用慢冻法,[4]根据混凝土的质量损失和强度损失评定混凝土抗冻等级,试件尺寸为150×150×150 mm,试验结果见表3。结果表明:四种混凝土均达到D300,但普通混凝土300次冻融循环后的质量损失达到3.42%,强度损失达到14%,虽满足国家标准规定,但强度损失已接近空军机场对道面混凝土的要求(≤15%),这样的质量损失和强度损失很可能引起道面冻融脱皮,给机场飞行安全带来隐患。粉煤灰混凝土和纤维混凝土的抗冻性明显提高,其中纤维、粉煤灰复合混凝土抗冻性最好,质量和强度损失最小,冻融循环300次后,质量和强度损失只有1.2和5%,约为单掺纤维或粉煤灰混凝土的50%,完全能够满足严寒地区道面混凝土的抗冻性要求。
表3抗冻性试验结果
编号 质量损失(%) 抗压强度损失(%)
D100 D200 D300 D100 D200 D300
P 0.43 1.92 3.4 2 7 14
F 0.27 1.16 2.0 1.8 4 9
X 0.20 1.59 2.1 2 6 10
FX 0.12 0.88 1.2 1 3 5
2.3抗渗性
本文采用ASTM C1202-05测试方法[5]——将混凝土试件(直径100 mm,厚51 mm的圆柱体)一端浸在NaCl溶液中,另一端浸在NaOH溶液中,试件的两端保持60 V直流电位差,记录6 h内通过试件的电量(库仑),以该电量的大小评价混凝土抗Cl-渗透的能力,试验结果见表4。结果表明:纤维、粉煤灰复合混凝土的抗渗能力最好,Cl-渗透能力为极低,Cl-渗透电量仅为单掺纤维或粉煤灰混凝土的50%左右,抗渗能力得到大大提高。
表4抗渗性试验结果
混凝土类型 P F X XF
通过电量(库仑) 2 700 1 020 1 412 585
Cl-渗透性评价 中 低 低 极低
2.4耐磨性
试验方法:试件尺寸为150×150×150 mm,采用砂轮(d=10 cm,2 500转/min,50 N压力)在混凝土试件表面上磨耗2 min,称量混凝土的质量损失,试验结果见表5。粉煤灰混凝土和纤维混凝土的磨耗率相比普通混凝土都大幅降低,纤维与粉煤灰复合混凝土的耐磨性能最好,相对磨耗率只有普通混凝土的24%,比粉煤灰混凝土和纤维混凝土都有降低,磨耗率只有单掺纤维或粉煤灰混凝土的50%。
表5耐磨试验结果
混凝土类型 P F X XF
28 d磨耗值(g) 42 20 24 10
相对磨耗率(%) 100 48 57 24
3纤维、粉煤灰的超叠加综合效应机理
纤维与粉煤灰共同掺入混凝土,除发挥各自的作用外,还优势互补,产生复合超叠加效应,增强了混凝土的力学性能与耐久性,使混凝土的性能得到了全面的提升。其主要作用机理有3个方面:
3.1粉煤灰增强效应
混凝土中掺入粉煤灰可以大大提高混凝土的强度,主要是粉煤灰在混凝土中发挥了滚珠效应、填充效应和火山灰效应,[6]使得混凝土的内部结构得到改善,变得更为致密,从而提高了混凝土的强度。
3.2聚丙烯纤维阻裂效应
适量合成纤维的掺入,可以在混凝土中产生数以千万计的细小纤维,降低了混凝土表面析水与集料的沉降,使混凝土中有害孔隙量大大降低,同时纤维可以承担部分应力,从而可使混凝土因收缩而引起的应力减小,有着显著的阻裂作用。[7]可以说纤维的掺入减少了混凝土的原生裂缝,改善了混凝土的内部结构,并因而提高了混凝土的抗裂、抗渗、抗冻、耐磨等性能。
3.3聚丙烯纤维与粉煤灰的复合效应
在混凝土工作性方面,纤维有增稠效应,降低了混凝土的流动性,而粉煤灰有减水作用,两者的共同存在可以弥补纤维混凝土流动性差的不足;在混凝土的基材界面方面,聚丙烯纤维—基材界面往往比普通基材界面有更高的水灰比,[8]造成聚丙烯纤维—基材表面呈弱界面,这对强度不利,粉煤灰的掺入可以改善混凝土的界面,提高强度,弥补了纤维对混凝土强度的不足。纤维、粉煤灰复合混凝土充分发挥了纤维、粉煤灰两者的优势,弥补了单方的不足,产生了1+1>2的超叠加综合效应。
4结束语
2008年在西北某机场铺筑的纤维、粉煤灰新型混凝土试验段,道面混凝土抗折强度达到6.3 MPa,实测道面混凝土抗冻性、抗渗性、耐磨性都大大优于普通道面混凝土。跟踪观测道面两个冬夏,道面表观质量良好,至今还未发现裂缝、脱皮现象。
室内试验和现场实践表明,在普通道面混凝土中单掺粉煤灰或纤维,都能提高混凝土的抗裂性和耐久性,而同时掺加粉煤灰和纤维的新型道面混凝土更能有效防止裂缝的发生,明显提高道面使用寿命,具有显著的军事、经济和社会效益。
参考文献
1 吴中伟.纤维增强——水泥基材料的未来.混凝土与水泥制品,1999(1)
2 Parvis Soroushian, Siavosh Ravanbakhsh, p., “Control of Plastic Shrinkage Cracking with Specialty Cellulose Fibers” ACI Materials Journal, 1998(4)
3 CECS38-2004(2005年修订版).混凝土结构耐久性设计与施工指南[S]
4 GBJ82-85.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法[S]
5 ASTM C 1202-05. Standard Test Method for Electrical Indication
of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration[S]
6 王硕太、马国靖、朱志远等.高性能道面混凝土配合比设计[J].公路交通科技,2007(4)
7 徐至钧.纤维混凝土技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2003
8 Henry G.Russell, H.Celik Ozyildirim. “Revising High-Performance
Concrete Classifications” Concrete International, 2006(8):43～49
Study on New Type Airfield Pavement Concrete
Xu Yongkun, Zhu Renxing, Xu Jun
Abstract:In view of the phenomenon that the traditional airfield pavement concrete is easily apt to crack and wreck, this paper mixes fiber or pulverized fuel ash into the common pavement concrete to heighten the performance of anti-crack and durability, meanwhile does the synthesizing experimental study of anti-crack, freeze-thaw, penetration and abrading. The experimental results suggest that the common concrete, if mixed with fiber or pulverized fuel ash, can heighten the performance of anti-crack and durability, especially when mixed both fiber and pulverized fuel ash at the same time, thus greatly heighten the performance of anti-crack and durability. It is the new type of high performance pavement concrete which is adapt to cold and droughty area.
Key words:airfield pavement; fiber; pulverized fuel ash; anti-crack; durability
关键词:机场道面;纤维;粉煤灰;抗裂性;耐久性
中图分类号:U414 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)27-0008-02
机场道面相比其它建筑物处于更为恶劣复杂的环境条件,尤其是严寒干旱地区,道面经常在施工阶段或在使用中出现裂纹、裂缝、碎裂等现象,在其后的不到3～5年又出现剥蚀、碎裂、脱皮等现象,严重影响了部队的飞行训练安全,传统普通混凝土道面耐久性差、易开裂的问题亟待解决。
目前道面混凝土的传统组分已经很难将混凝土的性能得到更大的提升,难以满足现代新型战机对机场道面的要求,需要增加外掺料对混凝土进行改性。我国已故资深工程院士吴中伟先生认为:“复合化是水泥基材料高性能化的主要途径,纤维增强是其核心。”[1]本文在目前普通道面混凝土常用配合比的基础上研究配制了普通道面混凝土,掺纤维或粉煤灰的混凝土以及纤维、粉煤灰复合的混凝土,并以抗裂、抗冻、抗渗、耐磨为评价指标,寻求适合寒冷干旱地区的新型高性能道面混凝土。
1试验用材料与配合比
1.1原材料
水泥:42.5R普通硅酸盐水泥,28 d抗折强度8.8 MPa,抗压强度48.0 MPa,密度3.10 g/cm3。
粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰,密度2.2 g/cm3,45μm筛余量2%,需水量比86%,烧失量3.0%。
纤维:聚丙烯合成纤维,密度0.91 g/cm3,长度19 mm。
砂子:河砂,细度模数为2.50,含泥量<1.0%,密度2.63g/cm3,堆积密度1.50 kg/l;石子,石灰岩碎石,5～20 mm,20～40 mm两级配,密度2.70 g/cm3,堆积密度1.71 kg/L。
1.2配合比
本文依据机场道面混凝土配合比设计技术标准,通过原材料选择和水泥用量、砂率、石子级配、粉煤灰掺量、纤维掺量的优选,最终确定普通道面混凝土(P)、掺粉煤灰道面混凝土(F)、掺纤维道面混凝土(X)以及纤维与粉煤灰复合的道面混凝土(XF)等四种类型的混凝土配合比,其结果见表1。
从表1可以看出,研究配制的4种类型混凝土的抗折强度等级都在5.0 MPa以上,均满足当前我军机场道面混凝土抗折强度的设计要求,本文在此基础上进行了抗裂性、抗冻性、抗渗性、耐磨性能对比试验,目的是寻求适合寒冷干旱地区的高抗裂、高耐久的高性能道面混凝土。
2试验结果及分析
2.1抗裂性
本文结合机场道面工程的特点,参照美国混凝土协会ACI-544“纤维增强混凝土的性能测试”技术报告中P.P.Kraai提出的试验方法,[2]采用平板法进行混凝土的抗裂试验,试验风速2.5 m/s,温度20±2 ℃,相对湿度60±3%,并参考《混凝土结构耐久性设计与施工指南》中笠井芳夫的试验评价方法对试验结果进行分析评价,[3]试验结果见表2。结果表明:纤维混凝土(X)和粉煤灰混凝土(F)的4个评价指标均低于普通混凝土(P),抗裂等级为Ⅱ级,而纤维与粉煤灰复合的混凝土(XF)抗裂效果最好,抗裂等级达到了Ⅰ级,明显优于单掺粉煤灰或纤维的混凝土,更适合于干旱地区的机场道面工程。
表1道面混凝土配合比与强度试验结果
水泥
(kg/m3) 纤维
(kg/m3) 粉煤灰(kg/m3) 水
(kg/m3) 砂
(kg/m3) 石子
(kg/m3) 抗折强度
(MPa) 抗压强度
(MPa)
P 320 147 545 1 438 5.83 51.4
X 320 0.91 147 545 1 438 6.09 52.3
F 280 90 147 545 1 438 6.59 60.3
XF 280 0.91 90 147 545 1 438 6.65 63.5
表2抗裂性试验结果
编号 最大裂缝宽度(Wmax/mm) 裂缝平均开裂面积(mm2/条) 单位面积开裂裂缝数目(条/m2) 单位面积上的总裂开面积(mm2/m2) 抗裂等级
P 0.08 1.88 139 261.32 Ⅳ
F 0.05 0.73 27 19.71 Ⅱ
X 0.04 0.49 15 7.35 Ⅱ
XF 0.01 0.31 8 2.48 Ⅰ
2.2抗冻性
本文采用慢冻法,[4]根据混凝土的质量损失和强度损失评定混凝土抗冻等级,试件尺寸为150×150×150 mm,试验结果见表3。结果表明:四种混凝土均达到D300,但普通混凝土300次冻融循环后的质量损失达到3.42%,强度损失达到14%,虽满足国家标准规定,但强度损失已接近空军机场对道面混凝土的要求(≤15%),这样的质量损失和强度损失很可能引起道面冻融脱皮,给机场飞行安全带来隐患。粉煤灰混凝土和纤维混凝土的抗冻性明显提高,其中纤维、粉煤灰复合混凝土抗冻性最好,质量和强度损失最小,冻融循环300次后,质量和强度损失只有1.2和5%,约为单掺纤维或粉煤灰混凝土的50%,完全能够满足严寒地区道面混凝土的抗冻性要求。
表3抗冻性试验结果
编号 质量损失(%) 抗压强度损失(%)
D100 D200 D300 D100 D200 D300
P 0.43 1.92 3.4 2 7 14
F 0.27 1.16 2.0 1.8 4 9
X 0.20 1.59 2.1 2 6 10
FX 0.12 0.88 1.2 1 3 5
2.3抗渗性
本文采用ASTM C1202-05测试方法[5]——将混凝土试件(直径100 mm,厚51 mm的圆柱体)一端浸在NaCl溶液中,另一端浸在NaOH溶液中,试件的两端保持60 V直流电位差,记录6 h内通过试件的电量(库仑),以该电量的大小评价混凝土抗Cl-渗透的能力,试验结果见表4。结果表明:纤维、粉煤灰复合混凝土的抗渗能力最好,Cl-渗透能力为极低,Cl-渗透电量仅为单掺纤维或粉煤灰混凝土的50%左右,抗渗能力得到大大提高。
表4抗渗性试验结果
混凝土类型 P F X XF
通过电量(库仑) 2 700 1 020 1 412 585
Cl-渗透性评价 中 低 低 极低
2.4耐磨性
试验方法:试件尺寸为150×150×150 mm,采用砂轮(d=10 cm,2 500转/min,50 N压力)在混凝土试件表面上磨耗2 min,称量混凝土的质量损失,试验结果见表5。粉煤灰混凝土和纤维混凝土的磨耗率相比普通混凝土都大幅降低,纤维与粉煤灰复合混凝土的耐磨性能最好,相对磨耗率只有普通混凝土的24%,比粉煤灰混凝土和纤维混凝土都有降低,磨耗率只有单掺纤维或粉煤灰混凝土的50%。
表5耐磨试验结果
混凝土类型 P F X XF
28 d磨耗值(g) 42 20 24 10
相对磨耗率(%) 100 48 57 24
3纤维、粉煤灰的超叠加综合效应机理
纤维与粉煤灰共同掺入混凝土,除发挥各自的作用外,还优势互补,产生复合超叠加效应,增强了混凝土的力学性能与耐久性,使混凝土的性能得到了全面的提升。其主要作用机理有3个方面:
3.1粉煤灰增强效应
混凝土中掺入粉煤灰可以大大提高混凝土的强度,主要是粉煤灰在混凝土中发挥了滚珠效应、填充效应和火山灰效应,[6]使得混凝土的内部结构得到改善,变得更为致密,从而提高了混凝土的强度。
3.2聚丙烯纤维阻裂效应
适量合成纤维的掺入,可以在混凝土中产生数以千万计的细小纤维,降低了混凝土表面析水与集料的沉降,使混凝土中有害孔隙量大大降低,同时纤维可以承担部分应力,从而可使混凝土因收缩而引起的应力减小,有着显著的阻裂作用。[7]可以说纤维的掺入减少了混凝土的原生裂缝,改善了混凝土的内部结构,并因而提高了混凝土的抗裂、抗渗、抗冻、耐磨等性能。
3.3聚丙烯纤维与粉煤灰的复合效应
在混凝土工作性方面,纤维有增稠效应,降低了混凝土的流动性,而粉煤灰有减水作用,两者的共同存在可以弥补纤维混凝土流动性差的不足;在混凝土的基材界面方面,聚丙烯纤维—基材界面往往比普通基材界面有更高的水灰比,[8]造成聚丙烯纤维—基材表面呈弱界面,这对强度不利,粉煤灰的掺入可以改善混凝土的界面,提高强度,弥补了纤维对混凝土强度的不足。纤维、粉煤灰复合混凝土充分发挥了纤维、粉煤灰两者的优势,弥补了单方的不足,产生了1+1>2的超叠加综合效应。
4结束语
2008年在西北某机场铺筑的纤维、粉煤灰新型混凝土试验段,道面混凝土抗折强度达到6.3 MPa,实测道面混凝土抗冻性、抗渗性、耐磨性都大大优于普通道面混凝土。跟踪观测道面两个冬夏,道面表观质量良好,至今还未发现裂缝、脱皮现象。
室内试验和现场实践表明,在普通道面混凝土中单掺粉煤灰或纤维,都能提高混凝土的抗裂性和耐久性,而同时掺加粉煤灰和纤维的新型道面混凝土更能有效防止裂缝的发生,明显提高道面使用寿命,具有显著的军事、经济和社会效益。
参考文献
1 吴中伟.纤维增强——水泥基材料的未来.混凝土与水泥制品,1999(1)
2 Parvis Soroushian, Siavosh Ravanbakhsh, p., “Control of Plastic Shrinkage Cracking with Specialty Cellulose Fibers” ACI Materials Journal, 1998(4)
3 CECS38-2004(2005年修订版).混凝土结构耐久性设计与施工指南[S]
4 GBJ82-85.普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法[S]
5 ASTM C 1202-05. Standard Test Method for Electrical Indication
of Concrete’s Ability to Resist Chloride Ion Penetration[S]
6 王硕太、马国靖、朱志远等.高性能道面混凝土配合比设计[J].公路交通科技,2007(4)
7 徐至钧.纤维混凝土技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2003
8 Henry G.Russell, H.Celik Ozyildirim. “Revising High-Performance
Concrete Classifications” Concrete International, 2006(8):43～49
Study on New Type Airfield Pavement Concrete
Xu Yongkun, Zhu Renxing, Xu Jun
Abstract:In view of the phenomenon that the traditional airfield pavement concrete is easily apt to crack and wreck, this paper mixes fiber or pulverized fuel ash into the common pavement concrete to heighten the performance of anti-crack and durability, meanwhile does the synthesizing experimental study of anti-crack, freeze-thaw, penetration and abrading. The experimental results suggest that the common concrete, if mixed with fiber or pulverized fuel ash, can heighten the performance of anti-crack and durability, especially when mixed both fiber and pulverized fuel ash at the same time, thus greatly heighten the performance of anti-crack and durability. It is the new type of high performance pavement concrete which is adapt to cold and droughty area.
Key words:airfield pavement; fiber; pulverized fuel ash; anti-crack; durability