北方地区机场跑道混凝土配合比设计

泥土杂物含量（冲洗法） （%） 硫化物和硫酸盐含量（折算为 SO 3） （%） 有机物质含量（比色法） 云母与轻物质含量（按重量计%） 其它杂质
1 设计思路
1.1 耐磨性能
随着我国国民经济的快速发展， 我国民用机场的数量及航班密度大幅度增加， 国内的几 个大型机场繁忙时每 3～5min 要起降一架飞机，像波音 747 这类大型飞机，其起飞重量达 350t 之巨。 因此机场跑道的负荷与日剧增， 导致各种混凝土道面在远远低于预期寿命的情况 下大量破损，特别对以混凝土板块为基层的飞机跑道的起降区域板块的损害更为严重。 作为机场跑道用混凝土， 在使用过程中会遭受飞机加速起飞、 减速着陆时轮胎反复的机 械磨损， 因此在配合比设计时须考虑混凝土的耐磨性能。 当混凝土受到飞机轮胎的冲击及摩 擦时，强大的冲击、摩擦力会使表面较薄弱的砂浆层发生磨损、脱落，进而露出粗骨料。部 分粗骨料在冲击、 摩擦作用下又产生破坏或脱落， 形成空穴， 并导致下层砂浆层进一步破坏。 如此周而复始，最终导致混凝土表面产生大小不一的凹穴。 为提高机场跑道混凝土的耐磨性， 防止其过快地因机械磨损而发生破坏， 往往可以采用 以下几种方法： （1）提高混凝土强度：表面磨损是典型的物理破坏，其破坏程度直接取决于混凝土的 强度和硬度。在混凝土配合比设计时，降低水灰比，提高设计强度，可有效提高混凝土的耐 磨性。 （2）粗骨料：应选择耐磨性较好的粗骨料，如铁矿石、玄武岩、花岗岩。骨料的最大 粒径在 25mm 时混凝土耐磨性最好。由于碎石与砂浆的粘结性较好，因此应选用碎石配制 混凝土。 （3）细骨料：应选用耐磨性较好的细骨料，如铁砂、金刚砂或河砂。细骨料应选用级 配良好的中粗砂，同时选择较低的砂率，以提高耐磨性。 （4）矿物掺合料：硅灰能提高混凝土的密实性于强度，有助于提高混凝土的耐磨性。 （5）引气剂：在相同配合比下，引气会降低混凝土强度，使耐磨性有所下降。但由于
引气可使混凝土中多余水形成气泡外的水膜， 大大减少混凝土的离析与泌水， 因此会是混凝 土表面硬度大大提高，极大地提升混凝土的耐磨性。因此，适量引气有助于提高混凝土表面 耐磨性，或在保证配制强度不变的情况下引气，以提高混凝土耐磨性。 （6）施工与养护条件：施工时应控制混凝土的工作性，同时避免过分振捣，防止产生 离析与泌水，使混凝土表面产生薄弱的砂浆层，降低耐磨性。也可采用真空吸水工艺，但该 工艺对抗冻性、抗盐冻性有不利影响。养护时应使表面充分湿养护，以提高表面强度。
北方地区机场跑道混凝土配合比设计
摘要：分析了北方地区机场跑道混凝土使用环境特点， 并提出该混凝土耐久性设计中需要考 虑耐磨性、抗冻性、抗盐冻性、抗冲击性、抗开裂等耐久性问题。根据耐久性问题和相关标 准，选择了合理的原材料并进行了配合比设计。 关键词：机场跑道；混凝土；耐久性；配合比设计
0 问题背景
最近几年我国寒冷地区新建、扩建的机场，以及一些高等级混凝土公路，陆续出现了道 面才使用几年便发生冻胀、碎裂、脱皮等破坏现象。显然，这种破坏并非由荷载引起（依据 结构强度计算，不同等级的混凝土道面最低设计使用年限规定为 20~40 年） ，而是由气候变 化、化学侵蚀、磨损或其他破坏等引起的，我们称之为道面混凝土的耐久性破坏。机场道面 一旦破坏，将严重影响飞机的飞行安全，最终将不得不进行维修甚至翻修，从而造成极大浪 费。因此，研究具有高抗冻性、高抗渗性、高耐磨性的高性能道面混凝土，减少道面的修补 及翻修，延长道面的使用寿命，具有重要的经济和社会意义。 本文将从混凝土使用环境特点、 须考虑的主要耐久性问题、 相关耐久性设计技术指标的 确定和耐久性混凝土原料选择与配比这四个方面进行北方地区机场跑道混凝土耐久性设计。
表 1 水泥的技术要求 水泥性能 铝酸三钙 铁铝酸四钙 游离氧化钙 氧化镁 三氧化硫 混合料种类 28d干缩率 耐磨性 技术要求 ≤5% ≥15.0% ≤1.0% ≤5.0% ≤3.5% 不得掺窑灰、煤矸石、火山灰和粘土；有抗盐冻要求时，不得掺生石灰石粉 ≤0.1% ≤3.6%
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2.2 细集料
为了提高混凝土的耐磨性，应优先选择硬度较高的细集料，如铁砂、金刚砂或河砂。同 时应选用细度模数为 2.65～3.20 的天然中粗砂，质地应坚硬、耐久、洁净，符合下表规定的 技术要求。
1.5 小结
对于北方机场跑道混凝土，在配合比设计过程中应考虑如下细节： （1）使用低水灰比配制混凝土：混凝土配制过程中，水灰比越低，意味着混凝土密实 性越好，其耐腐蚀能力越强。 （2）避免使用矿物掺合料：虽然硅灰对于耐磨性、抗冻性、抗盐冻性都有一定益处， 但会增加混凝土的收缩开裂风险。因此选择不使用矿物掺合料。 （3）使用引气剂：引气剂可提高耐磨性与抗冻性、抗盐冻性。
2 原材料
2.1 水泥
为提高混凝土耐钢筋锈蚀性能，应选用铝酸三钙含量、碱含量较高的水泥。但为了防止 可能发生的碱骨料反应，不应选用碱含量过高的水泥。 根据 MH5006-2002《民用机场飞行区水泥混凝土道面面层施工技术规范》 ，水泥应选用
收缩性小、耐磨性强、抗冻性好、含碱量低的水泥。水泥中碱含量应按 Na2 O+0.658K2 O 计 算值来表示。水泥中碱含量不得大于 0.6%，若同时使用活性集料，每立米水泥混凝土混合 料中总和安全碱含量不得大于 3kg。 水泥应选用旋窑生产的道路硅酸盐水泥、 硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥， 其强度等级应 为 42.5Mpa 以上； 不宜选用快硬早强 R 型水泥。 水泥的各项技术指标应符合国家现行标准。 水泥混凝土面层设计 28d 抗折强度为 5.0MPa 时， 所选水泥实测 28d 抗折强度宜大于 7.5MPa。 飞行区指标为 4C 以上（含 4C）的水泥混凝土道面面层，其水泥化学成份和物理指标 应符合下表的规定。
1.4 抗开裂性能
混凝土在水化过程中会发生化学收缩与自收缩，在使用过程中会发生干燥收缩与热胀 冷缩。因此，混凝土开裂是混凝土使用过程中比较重要的问题之一。对于机场跑道混凝土， 由于飞机起降过程具有一定的危险性， 混凝土一旦发生开裂， 很可能导致受力不稳定造成事 故发生。因此，抗开裂性能是机场跑道混凝土重要的性能指标。 提高混凝土的抗开裂性能，可采取如下方法： （1）使用低热水泥：这主要是针对大体积混凝土，减少水化初期混凝土内部温差，防 止开裂产生。 （2）避免使用矿物掺合料：矿物掺合料——特别是硅灰，在水化过程中会发生较大的 收缩。 （3）使用纤维增韧：纤维可抵抗收缩应力，防止开裂产生。 （4）使用膨胀剂：可使用膨胀剂对混凝土收缩进行补偿，降低开裂风险。 （5）施工与养护条件：施工时可采用冰水，防止水泥水化放热导致内部温度过高。养 护时，养护水温度不可过低，防止内外温差过大。另外，可采用设置收缩缝、内部水管通冷 水等方法降低开裂。
1.2 抗冻性能、抗盐冻性能
我国北方地区横跨温带与亚寒带气候，冬季最低温度达到-10℃~-30℃，冬季时常有降 雪、冰冻出现。因此，在混凝土配合比设计过程中必须考虑抗冻性能。混凝土冻融破坏的机 理是：当外界温度达到混凝土孔隙中水的凝固点时，这一部分水将逐步发生凝固。当水凝固 为冰时，会产生 9.1%的体积膨胀，因此未结冰的溶液将在结冰压力的作用下向外迁移。当 迁移作用受到阻碍时，就会产生一个静水压力，这个压力最大可达 40MPa，会导致混凝土 的冻融破坏。 混凝土的冻融破坏也可以理解为由孔内冰与未冻水之间的自由能差引起的。 当 混凝土长期处于冻结状态时，其造成的破坏并不大。而当混凝土反复进行冻结-融化-冻结的 循环过程时， 混凝土就非常容易破坏。 冻融破坏下， 混凝土内部产生微裂纹， 同时表面变酥、 剥落。 由于冬季下雪、 冰冻对机场飞机起降会造成很大影响， 因此我国北方机场在冬季跑道积 雪、冰冻的情况下，普遍采用除冰盐对机场跑道进行除雪、除冰作业。除冰盐能够降低冰雪 的凝固点，使冰雪融化，同时也使混凝土内的孔隙水凝固点降低，不容易结冰。但除冰盐会 使混凝土孔隙内外浓度差、渗透压大大升高，并产生大量过冷溶液，导致结冰压增大。于此 同时，现场撒盐还会造成短时间内的冻融循环，产生较大的热振冻。因此，混凝土在除冰盐 作用下的盐冻破坏比普通冻融破坏具有更大的杀伤力。 当盐溶液浓度升高时， 混凝土的吸水 速度和保水度提高，盐冻破坏程度提高，同时结冰压和膨胀率下降，盐冻破坏程度会降低。 综合两种因素的影响，当盐溶液浓度适中时，混凝土的盐冻破坏最大。盐冻破坏产生时，混 凝土表面分层剥蚀、骨料暴露，但剥落层下面的混凝土依然保持坚硬完好，采用传统钻芯取 样测强的方法无法查出原因。 为降低冻融、盐冻对混凝土的破坏，可采用以下方法： （1）提高混凝土的强度：混凝土强度越高，在同等膨胀压力作用下混凝土越不易产生 破坏。因此可使用降低水灰比、提高设计强度等级的方法降低冻融、盐冻破坏。 （2）改善混凝土孔结构：在同样的配制强度下，引气混凝土其抗冻性、抗盐冻性能要 大大由于非引气混凝土。这是因为，引气泡不易被水充满，可引气降低混凝土饱水度，同时 在冰冻产生时，毛细管中未冻水可卸入引气泡中，使结冰压得到释放。而在相同的含气量条 件下，气泡越细密，即气泡间距系数越小，抗冻性、抗盐冻性越好。这是因为较小的气泡间 距可使未冻水可更快和更容易进入引气泡。 （3）矿物掺合料：在同样条件下，掺加硅灰可以提高混凝土的抗冻性、抗盐冻性能； 掺加石灰石粉会大大降低高混凝土的抗冻性、抗盐冻性能。因此，应避免使用含有石灰石粉 的水泥，同时在混凝土配合比设计中掺入一定量的硅灰。 （4）骨料：骨料 1d 吸水率越大，混凝土抗冻性、抗盐冻性能越差，因此应该使用 1d 吸水率小于 2%的骨料。 同时， 应使用碎石配制混凝土， 以保证混凝土抗冻性、 抗盐冻性能。 （5）施工与养护条件：施工时应避免过分振捣与抹面导致的气泡结构发生破坏，同时 尽量采用自然养护。采用蒸汽养护时，应采用较低的养护温度，并尽量增加预养时间。
表 2 砂的技术要求 项目 方孔 筛孔尺寸（mm） 颗粒 级配 累计筛余 量（%） Ⅰ区 Ⅱ区 0.16 100～90 100～90 0.315 95～80 92～70 0.63 85～71 70～41 ≤3 ≤1 颜色不应深于标准溶液的颜色 ≤1 不得混有石灰、煤渣、草根、泥团块、贝壳等其它杂物 1.25 65～35 50～10 2.50 35～5 25～0 技术要求 圆孔 5.0 10～0 10～0
1.3 耐冲击性能
机场跑道混凝土的主要受力特征是反复承受各种吨位的飞机加速或减速所带来的荷载， 尤其是对于飞机起降区域的混凝土板块， 反复承受巨大的冲击荷载。 这些承受重复冲击荷载
的特殊板块， 对混凝土材料的动载疲劳特性及耐磨性有很高的要求。 混凝土材料的动载疲劳 过程，实际上是在反复冲击动载的作用下，裂缝引发、扩展、回复、再引发、再扩展、再回 复的循环过程，在每一循环过程中，对不同性能的混凝土材料将不同程度地引起裂宽、裂高 的变化，最终导致结构破坏，这一过程的损伤程度和持续时间(寿命)主要取决于混凝土材料 的结构特性，即原生裂缝的尺度和数量及在反复冲击荷载作用下阻止裂缝引伸发展的能力。 普通混凝土为脆性材料， 其抗压强度要比抗折强度高一个数量级， 因此其在作为结构材 料使用时， 更多地在承受压应力的情况下进行使用。 而机场跑道除了承受飞机较大的质量产 生的压应力外， 还要承受飞机狭小的轮胎作用于地面产生的弯曲应力， 以及飞机由空中降落 到地面产生的冲击荷载。因此，机场跑道混凝土需要较高的抗折强度与冲击韧性，以提供足 够的抗冲击性能。 （1）将抗折强度作为混凝土设计指标：传统的混凝土配制过程中，常常以抗压强度作 为混凝土设计强度。而机场跑道混凝土，由于其使用中须承受较大的弯曲、冲击荷载，因此 应该以抗折强度作为混凝土配合比设计的指标。 （2）采用纤维增韧或铺设钢筋：为了提高混凝土的冲击韧性，可使用纤维增韧技术， 在混凝土中复掺钢纤维或化学纤维。也可在混凝土中预埋钢筋，以提高混凝土的抗拉性能， 防止混凝土在冲击、弯曲荷载下发生破坏。