建三江民用機(jī)場跑道工程水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)

馬耀輝，熊復(fù)慧，葛 贏，趙文博，劉歡歡

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

建三江民用機(jī)場跑道工程水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)

馬耀輝，熊復(fù)慧，葛 贏，趙文博，劉歡歡

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

本文對新建黑龍江省建三江民用機(jī)場工程中跑道工程的水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體試驗(yàn)研究，通過粗集料最大振實(shí)堆積密度法與正交試驗(yàn)等手段，確定對應(yīng)原材料與滿足抗折要求的最終配合比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：碎石合理的級配范圍是水泥混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求的基本保障，砂石的基本特性同樣是影響配合比設(shè)計(jì)的重要因素。

機(jī)場跑道工程；集料合理級配范圍；配合比設(shè)計(jì)；正交試驗(yàn)

新建黑龍江省建三江民用機(jī)場位于建三江管理局西南部，距建三江城區(qū)直線距離14.9 km，為國內(nèi)支線民用機(jī)場，2016年1月中國民用航空局正式將之命名為建三江濕地機(jī)場。建三江民用機(jī)場為國內(nèi)支線機(jī)場，飛行區(qū)等級為4C級，建設(shè)跑道長2500 m，航站樓3000 m2，總投資為6.13億元，2016年開工建設(shè)，預(yù)計(jì)2017年建成通航。民航專業(yè)工程主要包括新建跑道、站坪、聯(lián)絡(luò)道、道肩、排水工程、巡場路工程、圍界工程及飛行區(qū)建筑單體等。黑龍江省建三江民用機(jī)場工程機(jī)場跑道和路肩混凝土采用干硬性混凝土。為了確保黑龍江省建三江民用機(jī)場工程的施工質(zhì)量，黑龍江省建三江農(nóng)墾七星機(jī)場建設(shè)有限責(zé)任公司委托黑龍江省水利科學(xué)研究院對機(jī)場跑道工程的水泥混凝土配合比及力學(xué)技術(shù)指標(biāo)等進(jìn)行試驗(yàn)研究，為機(jī)場工程提供技術(shù)支持和質(zhì)量保障。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

黑龍江省建三江農(nóng)墾七星機(jī)場建設(shè)有限責(zé)任公司根據(jù)東北地區(qū)機(jī)場建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)場的實(shí)地考察初步選定亞泰集團(tuán)哈爾濱水泥有限公司生產(chǎn)的天鵝牌P.O42.5低堿水泥、同江砂場天然砂、13隊(duì)砂場的天然砂、玉林石場生產(chǎn)的碎石、興友石場生產(chǎn)的碎石，以及北京安建世紀(jì)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的AJF-6型引氣緩凝高效減水劑。

1.2 配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案

根據(jù)新建黑龍江省建三江民用機(jī)場飛行區(qū)場道工程設(shè)計(jì)文件要求，該工程需要抗折5.0 MPa、抗凍F300，抗折4.5 MPa、抗凍F300，兩種型號配合比。

黑龍江省水利科學(xué)研究院承擔(dān)的新建黑龍江省建三江民用機(jī)場飛行區(qū)場道工程的配合比設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)是由1種水泥、2種天然砂、2種碎石、2種配合比型號組成的8種配合比，如表1所示。配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案按以下步驟進(jìn)行：

(1)碎石比例的選定。采用“最大振實(shí)堆積密度”法以及合理級配折算，確定每個(gè)料場提供的4種不同粒徑碎石的使用比例。

(2)抗折5.0 MPa、4.5 MPa抗凍F300配合比設(shè)計(jì)。首先根據(jù)原材料的性質(zhì)初步確定配合比，通過正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析確定最終配合比。

2 碎石比例選定

玉林石場四種粒徑碎石的分計(jì)篩余見表2，其中第四種碎石粒徑超過37.5 mm不能用于機(jī)場路面的水泥混凝土工程，其他三種粒徑分別為4.75～9.5 mm單粒級、9.5～19 mm單粒級、16～31.5 mm單粒級級配范圍，但存在個(gè)別級配超遜徑現(xiàn)象。

表1 配合比種類

表2 玉林石場各粒徑碎石分計(jì)篩余

將三種粒徑的碎石以不同的比例適配，合成出幾組近似5～31.5 mm級配碎石，其累計(jì)篩余分布如圖1所示。圖中實(shí)線分別為5～31.5 mm級配碎石上限與下限，圖中標(biāo)明了三種碎石4.75～9.5 mm單粒級、9.5～19 mm單粒級、16～31.5 mm單粒級以及三種碎石按1∶2∶7、1∶6∶3、1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6、1∶7∶2比例適配的累計(jì)篩余分布，從圖中可以看出1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6三種比例的碎石更接近5～31.5 mm級配區(qū)。

興友石場四種粒徑碎石的分計(jì)篩余見表3，其中第四種碎石粒徑超過37.5 mm不能用于機(jī)場路面的水泥混凝土工程，其他三種粒徑分別為4.75～9.5 mm單粒級、9.5～19 mm單粒級、16～26.5 mm單粒級級配范圍，但存在個(gè)別級配超遜徑現(xiàn)象。

圖1 玉林石場各粒徑碎石累計(jì)篩余分布

級配475～95mm單粒級/%95～19mm單粒級/%16～315mm單粒級/%超375mm/%3750000006231500000044126500001383781900077371201600124990095327382000475913130000023651000000<23604010600總計(jì)1000100010001000

將三種粒徑的碎石以不同的比例適配，合成出幾組近似5～26.5 mm級配碎石，其累計(jì)篩余分布如圖2所示。圖中黑實(shí)線為5～26.5 mm級配碎石上限與下限，圖中標(biāo)明了三種碎石4.75～9.5 mm單粒級、9.5～19 mm單粒級、16～26.5 mm單粒級以及三種碎石按1∶2∶7、1∶6∶3、1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6、1∶7∶2比例適配的累計(jì)篩余分布，從圖中可以看出1∶6∶3、1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6四種比例的碎石更接近5～26.5 mm級配區(qū)。

圖2 興友石場各粒徑碎石累計(jì)篩余分布

綜上試驗(yàn)組選定了玉林石場的4.75～9.5 mm單粒級、9.5～19 mm單粒級、16～31.5 mm單粒級碎石的1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6比例與興友石場的4.75～9.5 mm單粒級、9.5～19 mm單粒級、16～26.5 mm單粒級碎石的1∶6∶3、1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6比例。最后測其緊密堆積密度如表4所示，根據(jù)最大緊密堆積密度原則分別從兩個(gè)石場中選定一個(gè)最優(yōu)比例作為水泥混凝土配合比的粗集料部分。

表4 選定碎石比例的緊密堆積密度

由表4可以看出，玉林石場的4.75～9.5 mm單粒級、9.5～19 mm單粒級、16～31.5 mm單粒級碎石的1∶3∶6比例的緊密堆積密度達(dá)到1670 kg/m3，為三組比例的最大值，為最終選定比例；興友石場的4.75～9.5 mm單粒級、9.5～19 mm單粒級、16～26.5 mm單粒級碎石的1∶5∶4、1∶4∶5比例的緊密堆積密度達(dá)到1690 kg/m3，最終選定比例為1∶4.5∶4.5。

3 配合比設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目最終配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)如表1所示，其中每個(gè)配合比的原材料都已確定，變量只有水泥用量、水灰比、砂率三個(gè)因素。其中單位水泥用量應(yīng)不小于330 kg/m3，所以本項(xiàng)目的水泥用量從330 kg/m3起調(diào)配；選用的外加劑為北京安建世紀(jì)科技發(fā)展有限公司提供的AJF-6型引氣緩凝高效減水劑，其減水率為20.9%，所以本項(xiàng)目水灰比在0.35～0.39間調(diào)試；用外加劑摻量調(diào)試混凝土配合比的狀態(tài)，將坍落度控制在20 mm以內(nèi)且保證拌合物振實(shí)后返漿，含氣量控制在3.0%～4.0%范圍內(nèi)。采用L4(23)正交試驗(yàn)分別配制抗折強(qiáng)度為4.5 MPa與5.0 MPa的水泥混凝土配合比。

3.1 同江砂玉林碎石配合比的調(diào)配

同江砂場提供的砂的含泥量為1.4%，所以抗折要求5.0 MPa的配合比水泥用量為335 kg/m3，而抗折要求4.5 MPa的配合比水泥用量為330 kg/m3；玉林石場提供的碎石表觀密度均為2930 kg/m3，所以在配制混凝土?xí)r的理論容重設(shè)為2500 kg/m3；碎石空隙率為43.2%，而砂的堆積密度為1590 kg/m3，故砂率在31%～33%間調(diào)試，其試驗(yàn)方案如表5所示，抗折強(qiáng)度極差分析如表6、表7所示。

表5 L4(23)正交試驗(yàn)配合比

表6 抗折要求5.0 MPa配合比極差分析表

對上述抗折5.0 MPa的配合比驗(yàn)結(jié)果7 d、28 d抗折強(qiáng)度做極差分析如表6所示，正交試驗(yàn)中A因素(2)水平、B因素(2)水平、C因素(1)水平為最優(yōu)比例，經(jīng)調(diào)整最終配合比為水泥335 kg/m3、砂650 kg/m3、碎石1390 kg/m3、水125 kg/m3。

對上述抗折4.5 MPa的配合比驗(yàn)結(jié)果7 d、28 d抗折強(qiáng)度做極差分析如表7所示，正交試驗(yàn)中A因素(1)水平、B因素(2)水平、C因素(2)水平為最優(yōu)比例，經(jīng)調(diào)整最終配合比為水泥330 kg/m3、砂675 kg/m3、碎石1430 kg/m3、水120 kg/m3。

表7 抗折要求4.5 MPa配合比極差分析表

3.2 十三隊(duì)砂玉林碎石配合比的調(diào)配

十三隊(duì)砂場提供的砂的含泥量為0.2%，所以抗折要求4.5 MPa與5.0 MPa的配合比水泥用量均為330 kg/m3；玉林石場提供的碎石表觀密度均為2930 kg/m3，所以在配制混凝土?xí)r的理論容重設(shè)為2500 kg/m3；碎石空隙率為43.2%，而砂的堆積密度為1540 kg/m3，故砂率在29%～31%間調(diào)試，其試驗(yàn)方案如表8所示，抗折強(qiáng)度極差分析如表9、表10所示。

表8 L4(23)正交試驗(yàn)配合比

表9 抗折要求5.0 MPa配合比極差分析表

對上述抗折5.0 MPa的配合比驗(yàn)結(jié)果7 d、28 d 抗折強(qiáng)度做極差分析如表9所示，正交試驗(yàn)中A因素(2)水平、B因素(1)水平、C因素(2)水平為最優(yōu)比例，經(jīng)調(diào)整最終配合比為水泥330 kg/m3、砂600 kg/m3、碎石1450 kg/m3、水120 kg/m3。

表10 抗折要求4.5 MPa配合比極差分析表

對上述抗折4.5 MPa的配合比驗(yàn)結(jié)果7 d、28 d抗折強(qiáng)度做極差分析如表10所示，正交試驗(yàn)中A因素(2)水平、B因素(2)C因素(1)水平為最優(yōu)比例，經(jīng)調(diào)整最終配合比為水泥330 kg/m3、砂630 kg/m3、碎石1420 kg/m3、水120 kg/m3。

3.3 同江砂興友碎石配合比的調(diào)配

同江砂場提供的砂的含泥量為1.4%，所以抗折要求5.0 MPa的配合比水泥用量335 kg/m3，而抗折要求4.5 MPa的配合比水泥用量330 kg/m3；興友石場提供的碎石表觀密度均為2950 kg/m3，所以在配制混凝土?xí)r的理論容重設(shè)為2500 kg/m3；碎石空隙率為44.4%，而砂的堆積密度為1540 kg/m3，故砂率在29%～31%間調(diào)試，其試驗(yàn)方案如表11所示，抗折強(qiáng)度極差分析如表12、表13所示。

表11 L4(23)正交試驗(yàn)配合比

對上述抗折5.0 MPa的配合比驗(yàn)結(jié)果7 d、 28 d抗折強(qiáng)度做極差分析如表12所示，正交試驗(yàn)中A因素(2)水平、B因素(2)水平、C因素(1)水平為最優(yōu)比例，經(jīng)調(diào)整最終配合比為水泥335 kg/m3、砂610 kg/m3、碎石1630 kg/m3、水125 kg/m3。

對上述抗折4.5 MPa的配合比驗(yàn)結(jié)果7 d、28 d抗折強(qiáng)度做極差分析如表13所示，正交試驗(yàn)中A因素(1)水平、B因素(2)C因素(2)水平為最優(yōu)比例，經(jīng)調(diào)整最終配合比為水泥330 kg/m3、砂630 kg/m3、碎石1420 kg/m3、水120 kg/m3。

表12 抗折要求5.0 MPa配合比極差分析表

表13 抗折要求4.5 MPa配合比極差分析表

3.4 十三隊(duì)砂興友碎石配合比的調(diào)配

十三隊(duì)砂場提供的砂的含泥量為0.2%，所以抗折要求4.5 MPa與5.0 MPa的配合比水泥用量330 kg/m3；興友石場提供的碎石表觀密度均為2950 kg/m3，所以在配制混凝土?xí)r的理論容重設(shè)為2500 kg/m3；碎石空隙率為44.4%，而砂的堆積密度為1540 kg/m3，故砂率在29%～31%間調(diào)試，其試驗(yàn)方案如表14所示，抗折強(qiáng)度極差分析如表15、表16所示。

表14 L4(23)正交試驗(yàn)配合比

表15 抗折要求5.0 MPa配合比極差分析表

對上述抗折5.0 MPa的配合比驗(yàn)結(jié)果7 d、28 d抗折強(qiáng)度做極差分析如表15所示，正交試驗(yàn)中A因素(1)水平、B因素(2)水平、C因素(2)水平為最優(yōu)比例，經(jīng)調(diào)整最終配合比為水泥330 kg/m3、砂605 kg/m3、碎石1440 kg/m3、水125 kg/m3。

表16 抗折要求4.5 MPa配合比極差分析表

對上述抗折4.5 MPa的配合比驗(yàn)結(jié)果7 d、28 d抗折強(qiáng)度做極差分析如表16所示，正交試驗(yàn)中A因素(1)水平、B因素(2)C因素(2)水平為最優(yōu)比例，經(jīng)調(diào)整最終配合比為水泥330 kg/m3、砂630 kg/m3、碎石1420 kg/m3、水120 kg/m3。

4 結(jié) 論

從新建黑龍江省建三江民用機(jī)場工程中的水泥混凝土跑道工程的施工狀況以及工程質(zhì)量來看，配合比設(shè)計(jì)小組為該工程提供的水泥混凝土配合比具有一定的優(yōu)越性，在保證設(shè)計(jì)要求的前提下，控制了材料成本。綜合試驗(yàn)結(jié)果可以看出，合理的集料級配是水泥混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求的基本保障，砂石的基本特性同樣是影響配合比設(shè)計(jì)各個(gè)因素的重要指標(biāo)。

[1] 中國民用航空局．民用機(jī)場水泥混凝土面層施工技術(shù)規(guī)范：MH 5006-2015[S]．北京： 中國民航出版社，2015．

[2] 中華人民共和國交通部．公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程：JTGE 42-2005[S]．北京：人民交通出版社，2005．

[3] 中華人民共和國交通部．公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程：JTGE 30-2005[S]．北京：人民交通出版社，2005．

Proportion design of cement concrete for Jiansanjiangcivil airport runway project

MA Yaohui,XIONG Fuhui,GE Ying,ZHAO Wenbo,LIU Huanhuan

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInsitute,Harbin150080,China)

In this paper, we did specific experimental research on the proportion design of cement concrete for the runway at the new Jiansanjang civil airport of Heilongjiang province project and determined the finally proportion that meets the requirement for raw materials and bending strength by the largest vibrated bulk density method of coarse aggregate and orthogonal experiment. The experiment results show that the gravel rational gradation limit is the basic protection for cement concrete to meet the design requirements, and the basic characteristic of sand is also an important factor.

civil airport runway; rational distribution range of aggregate size; project proportion design; orthogonal test

馬耀輝(1979-)，男，黑龍江樺南人，高級工程師，主要從事水利水電工程施工檢測與水工材料科研工作。E-mail：342217820@qq.com。

TU528

A

2096-0506(2017)04-0006-09