机场道面再生混凝土的性能与应用

刘庆涛¹，岑国平¹，蔡良才¹，吴永根¹，吴和盛²，陈福年²，黄庆国²，朱志远³

(1. 空军工程大学 工程学院，陕西 西安，710038；

2. 空军第六空防工程处，湖南 衡阳，421001；

3. 兰州军区空军后勤部，甘肃 兰州，730020)

摘 要：

煤灰和高效外加剂的“双掺”技术，进行机场道面再生混凝土的强度、抗冻性、抗渗性和耐磨性等室内试验研究和现场应用。同时通过道面再生混凝土的微观结构分析，揭示其性能机理。研究结果表明：所配制的道面再生混凝土性能比普通道面混凝土的性能优，满足机场道面要求，抗折强度较普通道面混凝土提高4%~11%；抗冻等级高达F250，较普通道面混凝土提高200%以上，可以满足严寒地区道面混凝土抗冻要求；道面再生混凝土静水压力抗渗等级较普通道面混凝土提高300%以上；道面再生混凝土耐磨性较普通道面混凝土提高18%~36%。现场配制的再生混凝土和易性好，易于铺筑施工，28 d抗折强度达到5.5 MPa以上，质量检验项目全部符合规范及设计要求，应用效果较好。

关键词：

机场道面；再生混凝土；性能；微观结构；

中图分类号：TU528.37          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)08-3263-07

Properties and applications of recycled concrete for airport pavement

Liu Qing-tao¹, Cen Guo-ping¹, Cai Liang-cai¹, Wu Yong-gen¹,

WU He-sheng², CHEN Fu-nian², HUANG Qing-guo², Zhu Zhi-yuan³

(1. Engineering College, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;

2. The Sixth Air Defence Engineering Department of Air Force, Hengyang 421001, China;

3. Air Force Logistics Department of Lanzhou Military Area Command, Lanzhou 730020, China)

Abstract: The “double mixing” technique with high quality fly ash and high efficiency admixture was adopted. The strength, the frost resistances, impermeabilities and abrasion resistances of the recycled concrete for airport pavement were tested in laboratory, and then the recycled concrete was applied in field. The mechanism of the pavement recycled concrete’s properties was studied through analyzing it’s microstructure. The results show that the properties of the recycled concrete for airport pavement is superior to the normal pavement concrete, and can meet the requirements of airport pavement, the flexural strength is higher than the ordinary pavement by 4%-11%; the frost resistance grade, which is up to F250, increasing by more than 200 % compared with normal pavement concrete, can fulfill the requirement of pavement in the very chilly area; The impermeability grade by hydrostatic pressure method of the recycled concrete for pavement increases by more than 300 % compared with normal pavement concrete; The abrasion resistances of the recycled concrete for pavement increases by 18%-36% compared with normal pavement concrete. The workability of recycled concrete made in field is well, and can be constructed expediently, with the 28-day flexural strength higher than 5.5 MPa. All the quality items meet the requirements of standard and design, and the application effect is well.

Key words: airport pavement; recycled concrete; properties; microstructure

再生混凝土是将废弃混凝土块经破碎、清洗、分级和按一定比例配合后得到的“再生骨料”，作为部分或全部骨料代替天然骨料配制的混凝土(也称再生骨料混凝土，Recycled aggregate concrete, RAC)，是一种新型绿色环保混凝土^[1-2]。机场道面混凝土属于大面积露天浇筑的混凝土，承受环境和飞机荷载的长期破坏作用，如反复作用的温度应变、干湿循环、冻融循环、飞机除冰液浸泡及机轮磨蚀等，可能产生表面裂缝、剥落、腐蚀与磨蚀等耐久性破坏，影响道面的使用寿命^[3]。在机场道面翻修、改(扩)建工程会产生大量的废弃混凝土，利用这些废弃混凝土配制道面再生混凝土用于机场道面工程，关键要解决耐久性破坏的难题。但目前，对再生混凝土的研究，主要集中在建筑工程和少量低等级道路工程^[1,4-8]，这类工程再生混凝土强度等性能要求较低，在高等级道路，特别是机场工程中研究应用再生混凝土很少。本文作者采用掺加优质粉煤灰和高效外加剂的“双掺”技术，对机场道面再生混凝土的物理力学性能和耐久性进行试验研究，并进行现场应用，以便为在机场道面工程中推广应用再生混凝土提供参考。

1  试验原材料与配合比

1.1  试验原材料

1.1.1  水泥

陕西耀县秦岭牌42.5R普通硅酸盐水泥，密度为3.10 g/cm³，28 d抗折强度、抗压强度分别为8.94和51.7 MPa。

1.1.2  粗骨料

(1) 再生粗骨料：① 空军XN机场旧跑道道面混凝土破碎再生骨料，粒径为5~20 mm和20~40 mm的骨料的质量比为40:60，级配合格，密度为2.51 g/cm³，堆积密度为1 394 kg/m³；② 实验室废弃混凝土试件破碎再生骨料，粒径为5~20 mm和20~40 mm的骨料的质量比为40:60，级配合格，密度为2.54 g/cm³，堆积密度为1 425 kg/m³；

(2) 天然粗骨料：陕西泾阳石灰岩碎石，粒径为5~20 mm和20~40 mm的骨料的质量比为40:60，级配合格，密度为2.75 g/cm³，堆积密度为1 690 kg/m³。

1.1.3  细骨料

陕西灞河中砂，细度模数为2.78，Ⅱ区，级配合格，密度为2.63 g/cm³，堆积密度为1 500 kg/m³，含泥量为1.2%。

1.1.4  粉煤灰

Ⅱ级粉煤灰，细度(45 μm筛余量)为13.7%，密度为2.2 g/cm³，需水量比为91%。

1.1.5  外加剂

(1) FDN高效减水剂，建议掺量为胶凝材料用量的0.5%~1.2%(质量分数，下同)，减水率20%以上；

(2) FAC聚羧酸减水剂，建议掺量为胶凝材料用量的0.7%~1.5%，减水率为20%~40%；

(3) SDJ聚羧酸引气减水剂，建议掺量为胶凝材料用量的0.5%~1.2%，减水率为20%~35%，引气量为3%~5%；

(4) 松香类引气剂，建议掺量为胶凝材料用量的0.3‰~0.6‰，引气量为3%~6%。

1.2  试验配合比

1.2.1  设计指标

维勃稠度为10~15 s，由于再生骨料孔隙多，吸水率大，且大部分水分是在30 min内吸收的，新拌混凝土的工作性在此时间内有较大损失，针对此特点，考虑施工等因素，工作性要求比天然骨料道面混凝土的维勃稠度15~30 s时的要求稍小^[9]。

设计抗折强度等级为5.0 MPa，按施工控制水平优秀考虑，混凝土抗折强度标准差取0.4 MPa，则实验室配制抗折强度为5.66 MPa^[9]。

1.2.2  配合比设计

根据上述试验用材料的有关参数和配合比设计指标，在马国靖等^[10-12]的研究成果的基础上，结合相关的配合比设计规范^[9,13]，考虑到施工方便，结合张亚梅等^[14]的再生骨料预吸水法，采取绝对密实体积法和独立设计法进行道面再生混凝土的配合比设计。通过试拌调整，对水泥用量、水灰比、粉煤灰掺量、砂率和外加剂掺量进行优选，确定道面再生混凝土以及天然骨料混凝土配合比，并测定新拌混凝土的Vb稠度和含气量，如表1所示，其中，Z1FD，Z1FA和Z1S为掺加3种不同减水剂的道面再生混凝土；TFD，TFA和TS为对比试验研究的3个同配比天然骨料混凝土；P为普通道面混凝土；Z2SY为用再生骨料Z2配制再生混凝土。这些配比的混凝土的工作性均满足道面混凝土设计要求，后述道面再生混凝土的性能试验研究与应用均依此进行。
 

表1  道面混凝土试验配合比

Table 1  Test mix proportions of pavement concrete

2  道面再生混凝土的性能

2.1  强度

依据表1所确定的配合比，按规范要求成型试件，标准条件养护，测定28 d强度，结果如表2所示。

表2  道面混凝土的强度

Table 2  Strength of pavement concrete

从表2可以看出：与普通道面混凝土相比，道面再生混凝土抗折强度和抗压强度分别提高4%~11%和1%~7%。这是由于掺加优质粉煤灰和高效外加剂，改善了道面再生混凝土的工作性，降低再生混凝土的水胶比，使道面再生混凝土成型更密实，且由于粉煤灰颗粒的微集料效应提高了水泥浆体的密实度和强度。但与同配比天然骨料混凝土相比，道面再生混凝土抗折强度降低15%左右，抗压强度与同配比天然骨料混凝土基本相同。这是由于抗折强度对再生骨料的裂缝、孔隙等原生缺陷比较敏感，但仍完全满足机场道面设计指标要求。

2.2  抗冻性能

抗冻性是指混凝土在水饱和状态下能经受多次冻融循环作用而不被破坏的性能，常作为衡量混凝土耐久性的重要指标之一。抗冻性试验按照《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》中快速冻融试验方法进行^[15]，试验结果如表3所示。

从表3可以看出：道面再生混凝土抗冻性能比普通道面混凝土提高很多。普通道面混凝土抗冻等级为F75，道面再生混凝土Z1FD，Z1FA，Z1S和Z2SY抗冻等级分别为F100，F100，F150和F250，分别较普通道面混凝土提高33%，33%，100%和233%。特别是道面再生混凝土Z2SY的抗冻性能提高更明显，其抗冻等级高达F250，可以满足严寒地区道面混凝土抗冻要求^[8]。其原因在于掺加优质粉煤灰和外加剂，降低再生混凝土水胶比，改善再生混凝土过渡区，引气剂在混凝土中引入稳定微小匀质独立气泡，缓解了冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水的渗透压力，因而提高了道面再生混凝土的抗冻性能。而道面再生混凝土抗冻性能比同配比天然骨料混凝土稍低。原因是再生骨料含有旧砂浆，生产过程中易产生裂缝，较天然骨料强度低、吸水率大，抵抗冻胀能力稍低。

2.3  抗渗性能

机场道面混凝土大面积铺筑在露天环境之中，主要承受水、除冰盐中的Cl^-等的渗透，故采用了静水压力法与氯离子渗透法相结合的方法，研究分析道面再生混凝土的抗渗性能。静水压力法参照《普通混凝土长期性能与耐久性试验方法标准》规定进行^[15]，氯离子渗透试验依据ASTM C1202-05的快速测试方法规定进行^[16]，试验结果如表4所示。

从表4可以看出：道面再生混凝土抗渗性能比普通道面混凝土好得多。普通道面混凝土在压力为1.1 MPa时试件表面已经渗水，而道面再生混凝土在压力为4.1 MPa时试件表面均无渗水，劈开试件测其渗水高度，分别为37，58和27 mm；道面再生混凝土Cl^-渗透6 h通过电量分别为普通道面混凝土的67%，67%和65%，抗渗性能均较普通混凝土有较大提升，预期可以有效阻止水等侵蚀介质侵入混凝土，提高道面再生混凝土耐久性能。这是由于掺加优质粉煤灰和外加剂，降低再生混凝土水胶比，改善了道面再生混凝土的工作性，提高了道面再生混凝土的密实度，过渡区结构大大改善，因而道面再生混凝土的抗渗性能较普通混凝土大大提高。另外，加入引气减水剂，在混凝土中引入微小匀质气泡，切断了有害液体侵入混凝土内部的路径。与同配比天然骨料混凝土相比，道面再生混凝土抗渗性稍低。其原因是再生骨料含有砂浆，生产过程中易产生裂缝、孔隙率大，但静水压力抗渗等级均在P12以上，二者均具有良好的抗渗性能。

表3  道面混凝土抗冻性能试验结果

Table 3  Test results of pavement concrete’s frost resistances

表4  道面混凝土抗渗试验结果

Table 4  Test results of pavement concrete’s impermeability

2.4  耐磨性能

对于机场道面混凝土，飞机起飞和着陆时高速滑跑，与道面混凝土表面接触产生很大的摩擦力，对混凝土表面有很大的磨损破坏作用，还会导致摩擦因数降低，发生飞行事故，因此，耐磨性能是机场道面混凝土的一个很重要的性能指标。耐磨性能试验依据《混凝土及其制品耐磨性试验方法》的规定^[17]进行，制备边长为150 mm的立方体试件，每组5个，受磨面平整，在标准条件养护28 d后进行试验。采用NS-2型滚珠轴承式耐磨试验机，磨头每转1 000转，耐磨机自动停机，测量磨槽深度。直至磨头转数达5 000转或磨槽深度达1.5 mm以上时，试验结束。

耐磨度按下式计算：

式中：I_a为耐磨度，精确至0.01；R为磨头转数，千转；P为磨槽深度，mm。试验结果如表5所示。

从表5可以看出：道面再生混凝土耐磨性能比普通道面混凝土好，较普通混凝土分别提高了36%，25%和18%。其原因在于掺加优质粉煤灰和外加剂，改善了道面再生混凝土的工作性，使混凝土成型更密实，表面致密。降低了道面再生混凝土的水胶比，且由于粉煤灰颗粒的微集料填充效应提高了水泥浆体的密实度和强度，从而提高道面再生混凝土的耐磨性能。道面再生混凝土耐磨性能比同配比天然骨料混凝土稍差，分别较同配比天然骨料混凝土低7%，8%和10%。这是由于再生骨料存在微裂缝，孔隙率大，含有较软弱的砂浆。

表5  道面混凝土耐磨试验结果

Table 5  Test results of pavement concrete’s abrasion resistances

3  道面混凝土微观分析

为了进一步研究再生道面混凝土性能与普通混凝土、同配比天然骨料混凝土差异的根本原因，有必要对其内部微观结构进行分析。对普通道面混凝土、再生道面混凝土、同配比天然骨料混凝土的内部结构进行电镜扫描和能谱分析，结果如图1~3所示。

由图1可以看出：普通道面混凝土内部有明显的裂缝孔隙。其过渡区中的水化产物Ca(OH)₂晶粒大且集中，比较疏松，对混凝土强度特别是抗折强度极为不利。因为抗折强度对混凝土的微裂缝等内部缺陷比较敏感，同时疏松的过渡区对混凝土的抗冻、抗渗等耐久性能也有很大的影响，为水分迁移提供通道，降低混凝土的抗冻、抗渗性能。

图1  普通道面混凝土内部结构

Fig.1  Inside structure of normal pavement concrete

从图2(a)可以看出：道面再生混凝土内部骨料与旧砂浆界面处有一些明显的裂缝。其原因可能是在再生骨料生产过程中，由于机械作用力，原骨料与旧砂浆的界面是软弱过渡区，界面很容易破坏，产生裂缝，对道面再生混凝土的强度和耐久性产生了一定的不利影响。但由图2(b)可以看出：颗粒很细的粉煤灰对裂缝的填充强化作用。可见：道面再生混凝土性能仍优于普通道面混凝土。

图2  再生道面混凝土内部结构

Fig.2  Inside structure of recycled pavement concrete

同配比天然骨科道面混凝土的内部结构如图3所示。由图3可以看出：同配比天然骨料道面混凝土内部裂缝孔隙很少，骨料与砂浆过渡区比较致密，没有像普通道面混凝土那样有大且集中的Ca(OH)₂晶粒，混凝土内部其他部分也没有大且集中的Ca(OH)₂晶粒，这是因为掺加粉煤灰，其物理或化学作用，很好地改善了混凝土的内部结构。

图3  同配比天然骨料道面混凝土的内部结构

Fig.3  Inside structure of the same mix proportion pavement concrete made by natural aggregates

4  现场应用

2007年7月，空军某空防工程处在空军XN机场备用跑道道面施工中，把拆除的部分机场旧道面混凝土就地破碎、筛分、清洗，用本文实验室配合比经过现场试拌调整配制再生混凝土，铺筑机场备用跑道  10 000 m²。在空军HZ机场翻修工程中，也利用拆除的机场旧道面混凝土，配制再生混凝土1 700 m³，用于拖机道道面的施工，共铺筑道面6 500 m²。

从现场应用效果看，本文所提供的配合比能很好地指导现场施工，所配制的再生混凝土和易性好，易于铺筑，做面、初凝后尽早潮湿养护，养护时间28 d，道面板没有出现收缩裂缝、断板等质量问题，道面28 d抗折强度均达到5.5 MPa以上，满足设计要求。质量检验共检测保证项目8项，全部符合规范及设计要求，合格率100%；允许偏差项目检测了平整度、粗糙度、高程、邻板高差等11个项目，实测714点，其中合格700点，合格率98.0%，完全满足机场道面使用要求^[9]。

从后期道面使用情况看，再生混凝土道面已投入使用4 a，没有出现表面剥落、掉边掉角、龟裂断板等破坏现象，道面状况良好。

5  结论

(1) 道面再生混凝土抗折强度较普通道面混凝土提高4%~11%，抗冻等级提高200%以上，抗渗等级提高300%以上，耐磨性提高18%~36%，所配制的道面再生混凝土为高性能混凝土，完全满足规范和设计要求。

(2) 优质粉煤灰和高效外加剂改善了道面再生混凝土过渡区的孔隙结构，提高了再生混凝土土力学性能和耐久性能。

(3) 所配制的机场道面再生混凝土是一种新型绿色环保混凝土，现场应用效果较好，值得在机场道面工程中推广应用，但其大规模施工技术和效益分析有待进一步研究。

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(编辑 赵俊)

收稿日期：2011-09-12；修回日期：2011-11-05

基金项目：军队科研基金资助项目(KH0706014)

通信作者：刘庆涛(1982-)，男，河南临颍人，博士研究生，讲师，从事机场施工与材料研究；电话：13468660334，E-mail：kgywxlqt@163.com

摘要：采用掺加优质粉煤灰和高效外加剂的“双掺”技术，进行机场道面再生混凝土的强度、抗冻性、抗渗性和耐磨性等室内试验研究和现场应用。同时通过道面再生混凝土的微观结构分析，揭示其性能机理。研究结果表明：所配制的道面再生混凝土性能比普通道面混凝土的性能优，满足机场道面要求，抗折强度较普通道面混凝土提高4%~11%；抗冻等级高达F250，较普通道面混凝土提高200%以上，可以满足严寒地区道面混凝土抗冻要求；道面再生混凝土静水压力抗渗等级较普通道面混凝土提高300%以上；道面再生混凝土耐磨性较普通道面混凝土提高18%~36%。现场配制的再生混凝土和易性好，易于铺筑施工，28 d抗折强度达到5.5 MPa以上，质量检验项目全部符合规范及设计要求，应用效果较好。