北京新機場道面抗凍混凝土配合比設計

楊文平，孫志磊

（民航機場建設工程有限公司，天津 300456）

1 工程概況

本工程場址位于永定河北岸，北京市大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)、禮賢鎮(zhèn)和河北省廊坊市廣陽區(qū)之間。場址北距天安門約46 km，西距京九鐵路約4.3 km，南距永定河北岸大堤約1 km，距首都機場68.4 km。項目標段施工道面為西一、西二飛行區(qū)中間部位。2條跑道的長度均為1 377.5 m。其中西一跑道寬度60 m，兩側(cè)道肩寬為7.5 m。西二跑道寬為45 m，兩側(cè)道肩寬為7.5 m。

機場場道混凝土具有高抗彎拉強度、高耐久性、高平整度控制、高耐磨性、高抗裂性、干硬性等特點[1-3]。本項目道面采用水泥混凝土結(jié)構(gòu)，28 d彎拉強度5.0 MPa。根據(jù)MH5006—2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規(guī)范》[3]要求，年最低月平均氣溫低于0℃的地區(qū)，道面及道肩混凝土抗凍標號不低F300，因此配合比標號確定為抗折5.0F300。

2 原材料技術要求和控制指標

2.1 水泥

道面混凝土應選用收縮性小、耐磨性強、抗凍性好、含堿量低的水泥，應選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或道路硅酸鹽水泥，其強度等級應不低42.5級[2]。水泥混凝土設計強度不小于5.0 MPa時，所選水泥實測28 d抗折強度宜大于8.0 MPa。相關技術指標通過相應的試驗檢測進行驗證。

2.2 細集料

細集料的選取應符合規(guī)范[3]中相關條款要求。宜采用細度模數(shù)為2.6～3.2的細集料，同一配合比用砂的細度模數(shù)變化范圍不應超過0.3，所用的砂應質(zhì)地堅硬，顆粒潔凈，其質(zhì)量技術指標應符合標準規(guī)范要求[3]。

2.3 粗集料

粗集料的選取應符合規(guī)范[3]中相關條款要求。粗集料應采用質(zhì)地堅硬、耐久、耐磨、潔凈的碎石或破碎卵石。粗集料宜選用連續(xù)合成級配，其質(zhì)量要求應符合標準規(guī)范要求。

2.4 拌合用水

水泥混凝土施工拌合用水應符合規(guī)范[3]相關條款要求。符合現(xiàn)行GB 5749—2016《生活飲用水衛(wèi)生標準》的飲用水可用于水泥混凝土拌合、集料沖洗及養(yǎng)護用水。水泥混凝土拌合用水采用非飲用水時，與飲用水進行水泥凝結(jié)時間與水泥膠砂強度的對比試驗[4]，水泥初凝時間差與終凝時間差不應大于30 min；被檢驗水樣配制的水泥膠砂3 d和28 d強度不應低于飲用水配制的水泥膠砂相應齡期強度的90%。

2.5 外加劑

外加劑的質(zhì)量應符合國家和行業(yè)現(xiàn)行相關標準的規(guī)定。外加劑的現(xiàn)場適應性檢驗應采用工程實際使用的膠凝材料、集料和拌合用水進行適配，并確定合理摻量。

3 配合比設計

3.1 配合比設計要求

根據(jù)設計要求，本次水泥混凝土面板配合比設計28 d彎拉強度為5.0 MPa，道面混凝土抗凍標號不低于F300。水泥混凝土道面混凝土為干硬性水泥混凝土，施工擬采用自卸運輸車，人工攤鋪，高頻排式振搗機振搗，面層進行拉毛和刻槽工藝[5]。

道面水泥混凝土采用水泥強度等級為P.O 42.5，單位水泥用量≥330 kg/m3，水泥混凝土最大水灰（膠）比控制為≤0.42，水泥混凝土拌合物的含氣量控制為3.0%±0.5%；水泥混凝土拌合物維勃稠度≥15 s；試驗室配合比按水泥混凝土設計彎拉強度的1.10～1.15倍進行配制。

3.2 影響混凝土強度及抗凍性的因素

3.2.1 粗集料級配對強度的影響

混凝土強度主要影響因素是水泥強度、水膠比及粗集料。干硬性混凝土要求高抗彎拉強度、高耐久性、高平整度控制、高耐磨性、高抗裂性、且表層施工要有2～3 mm的砂漿保護層[6]。依據(jù)當?shù)卦那闆r，在不考慮最大容重的情況下采用相同水膠比時，適當增加16～31.5 mm碎石比例能有效提高混凝凝土的抗折強度，見圖1。

圖1 不同石子比例強度的影響Fig.1 Influence of strength of different proportion of rubble

干硬性混凝土抗折強度從試件斷面觀察分析來看，影響強度主要看碎石斷裂面積、碎石與水泥的握裹情況。強度相同的情況下，碎石斷裂越多抗折強度越高，增大碎石粒徑，可有效利用碎石強度增加混凝土的抗折強度，然而大碎石的增多會導致混凝土的孔隙率增大，需要更多小的碎石、細集料及水泥漿填充，造成砂率變大，水泥用量增多，造成成本的增加。施工過程中表層砂漿保護層增厚又會降低混凝土表面的耐磨性，影響最終面層紋理要求。因此在設計干硬性配合比時，尤其重視砂石集料的質(zhì)量及理想級配。

3.2.2 混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)對混凝土抗凍性能的影響

北京新機場所處環(huán)境年平均氣溫溫差大，溫差是影響混凝土耐久性的最不利因素。溫度升高，水泥水化加快，混凝土強度增長加快，當溫度降至冰點以下，混凝土強度停止發(fā)展，水分結(jié)冰膨脹，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，已經(jīng)獲得的強度受到損失。氣溫變化反復凍融時，混凝土內(nèi)部微裂縫逐漸增長、擴大，使混凝土強度逐漸降低，直至混凝土結(jié)構(gòu)破壞，針對這一問題在混凝土中加入引氣劑。引氣劑可以在混凝土內(nèi)部形成大量微小的穩(wěn)定氣泡，這些氣泡切斷混凝土的毛細管路，增強混凝土的抗凍性能，緩解內(nèi)部水分膨脹時造成的壓力，同時增加混凝土的和易性；從理論上看，摻加引氣劑可大大提高混凝土的抗凍性能[7-8]。

3.3 計算初步配合比

為滿足北京新機場混凝土設計要求，配合比設計采取粗集料雙級配，石子規(guī)格分別為4.75～19 mm、16～31.5 mm，水泥采用P.O42.5，摻加引氣型減水劑，在保證強度及抗凍性的前提下，考慮經(jīng)濟性以節(jié)約成本。初步配合比計算過程如下。

1）計算水泥混凝土配制強度：fc≥5.0×1.15=5.75 MPa。

2）計算水灰比：W/C=0.42。

3）選定水灰（膠）比：W/C=0.39。

4）計算單位用水量：W0=157 kg/m3。

5）選定外加劑減水率β為21%；選定外加劑摻量為1.8%。

6）選定摻外加劑單位用水量：W0ω=W0×（1-β）=157×（1-0.21）=130 kg/m3。

7）計算單位膠凝材料用量：C0=（C/W）W0ω=130×2.564=333 kg/m3。

8）計算單位外加劑用量：ω0=333×1.8%=5.99 kg/m3。

9）計算單位水泥用量絕對體積：C0/ρc=333/3.1=107.4 L。

10）計算單位水用量絕對體積：W0ω/ρw=130/1.0=130.0 L。

11）選定砂率：?s=29%。

12）計算單位粗細集料用量（體積法）：

1 000=130+107.4+（S0/ρs+G0/ρg）+（0.01×3.0×1 000）S0+G0=2 041 kg/m3，則細集料S0=2 041×0.29=592 kg/m3，粗集料G0=2 041×0.71=1 449 kg/m3。

13）確定初步配合比，見表1。

表1 混凝土初步配合比Table 1 Preliminary concrete mixture ratio kg/m3

3.4 混凝土配合比的試配、調(diào)整與確定

按初步配合比拌制水泥混凝土拌和物，檢測其流動性、可塑性、穩(wěn)定性、易密性、維勃稠度、含氣量等技術指標。

在初步配合比的基礎上，通過工作性驗證及調(diào)整，確定基準配合比，并在基準配合比的基礎上，通過調(diào)整水灰比、砂率等技術指標，確定最終試驗室配合比，見表2。

表2 3個不同水膠比的配合比試拌Table 2 Trial mixing of three different water-binder ratio samples

3.5 確定試驗室配合比

在基準配合比的基礎上，上下調(diào)整水灰比，在不同水灰比的條件下，分別成型小梁試件，并進行標準養(yǎng)護，到期進行小梁抗折試驗檢測，記錄其強度。

強度數(shù)據(jù)及過程檢測見表3。

表3 試配檢驗強度Table 3 Check strength for test matches

4 抗凍性能指標控制

4.1 凍融循環(huán)試驗

混凝土拌合物出機時的含氣量宜符合《民用機場水泥混凝土面層施工技術規(guī)范》規(guī)定?；炷恋目箖鲂阅芡ㄟ^抗凍性試驗來檢測，在規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)下，檢測其重量損失率及相對動彈模量。通過試驗得出此配合比下的300次凍融循環(huán)下的具體參數(shù)見表4。試驗前后混凝土抗凍試件對比，凍融前試件狀態(tài)正常，經(jīng)300次凍融循環(huán)后，試件出現(xiàn)麻面，且有表皮脫落，局部粗集料外漏。根據(jù)檢測數(shù)據(jù)分析凍融循環(huán)次數(shù)與重量損失率及相對動彈模量關系，滿足F300要求。

表4 F300凍融循環(huán)檢測結(jié)果Table 4 F300 freeze-thaw cycle test results

4.2 含氣量與抗凍指標和強度的關系

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，得出混凝土隨著含氣量的增加，強度會有所降低，抗凍指標在一定范圍內(nèi)會提高。顯示含氣量在3.1%～4.2%之間滿足抗凍指標要求。根據(jù)強度曲線最終混凝土含氣量選擇3.0%+0.2%范圍內(nèi)[8]，既有效保證了抗凍性，也保證了混凝土強度。

抗凍性含氣量試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 抗凍性含氣量數(shù)據(jù)表Table 5 Data table of gas content and frost resistance index of samples

4.3 堿含量、氯離子含量驗證

針對混凝土原材料中水泥、河砂、碎石、外加劑及水中堿含量及氯離子含量，綜合計算混凝土中總堿含量及氯離子含量，并進行評估，結(jié)果符合設計及規(guī)范要求。

5 確定最終配合比

根據(jù)3個配合比混凝土工作性、配制強度、抗凍性，再綜合考慮經(jīng)濟性，選定水泥用量333 kg/m3、外加劑摻量1.8%、水灰比0.39的配合比作為施工理論基準配合比，具體參數(shù)見表6。

表6 試驗室配合比確定Table 6 Lab mixture ratio determination kg/m3

施工應用期間，根據(jù)氣溫、風速、運輸?shù)瓤勺円蛩兀瑱z測料場細集料（砂）和粗集料（石）含水量（以飽和面干為基準計算細粗集料含水率）以及施工現(xiàn)場混凝土的工作性能，調(diào)整拌合用水量、砂率或外加劑摻量。調(diào)整時，水灰（膠）比不應增大，單位用水量不應減小。

通過北京新機場施工實踐證明，此配合比在工作性能、強度及抗凍性等方面都達到了預期效果。尤其是抗凍性能，施工過程中，根據(jù)規(guī)范要求，共檢測抗凍試件38組（2萬m2/組），重量損失率控制在2.1%～2.8%，相對動彈模量控制在79%～82%，體現(xiàn)了良好的抗凍性能。

6 結(jié)語

本文通過對配合比設計全過程論述，闡明北方寒冷地區(qū)機場道面干硬性抗凍混凝土的相關技術性能要求，加強施工過程中數(shù)據(jù)的收集以及相關技術的歸納總結(jié)，為今后的施工生產(chǎn)提供一定數(shù)據(jù)，有效指導施工并確保工程質(zhì)量。