溫度場作用下機制砂砂率和石粉含量對機場道面混凝土性能的影響研究*

林喜華，李馨慧，路東義，何凱，趙士豪，何欣，顧青山

（中建西部建設貴州有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，我國航空業也發展迅速，特別是我國西部地區旅游、經濟、文化的快速發展，對現有航空業提出了新的要求；機場的修建逐漸增加，對機場道面混凝土耐久性也提出了新的要求。王圣城[1]、蔡靖[2]研究表明，機場道面混凝土在服役期間受飛機高溫吹蝕和外界溫度的作用，道面混凝土溫度可高達 55℃；鄒偉、陳有亮等[3]研究表明，混凝土的力學性能、彈性模量隨著溫度的升高而逐漸降低；賀智敏[4]研究表明，蒸養可能對混凝土內部孔隙結構產生不利影響，Patel[5]研究表明，高于 46℃ 的溫度明顯加速了水化產物特別是鈣鞏石的生成，同時導致了更粗化的孔結構，在 85℃ 時，混凝土甚至出現了網狀裂紋。Kjellsen[6]研究發現，50℃ 熱養護的混凝土比 20℃ 時的孔隙率高，如在蒸養后置于空氣中養護孔隙率更高。

修建機場道面時，混凝土往往采用河砂作為細骨料。目前采用機制砂混凝土建造機場道面的也僅有貴陽龍洞堡機場這一例，相關的研究文獻也少之又少[7-9]。因此，針對機制砂性能參數，結合道面混凝土服役期間溫度場對道面混凝土的影響，本文重點研究溫度場作用下機制砂石粉含量及砂率對機場道面混凝土性能的影響規律，推動機制砂應用于機場道面混凝土。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及其性能

水泥：海螺 P·O52.5 水泥，基本性能指標見表 1。

表 1 水泥基本性能

集料：粗集料選用 5～10mm 和 10～40mm 石灰石碎石。細集料采用石灰石精品機制砂，基本性能如表 2所示。

表 2 機制砂基本性能指標

外加劑：北京科寧豐外加劑有限公司 ADD-3 緩凝減水劑，減水率為 14%。

水：自來水。

1.2 試驗方法

為了研究溫度場作用下，機制砂石粉、砂率對道面混凝土性能的影響，研究試件 20℃、40℃、60℃ 三個溫度下，機制砂石粉、砂率對混凝土抗折強度、耐磨性能的影響。20℃ 試件為標養 60d 后的試件，40℃ 與60℃ 溫度試件為待試件標養 60d 后，將試件放入溫度40℃、60℃ 的烘箱中加熱到 40℃、60℃ 即可。抗折試驗參照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行；耐磨試驗參照 JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》進行。抗折試驗試件尺寸為 150mm×150mm×550mm，耐磨試驗試件尺寸為 150mm×150mm×150mm。試件均標養 60d。

1.3 配合比設計

為研究溫度場作用下，機制砂石粉、砂率對混凝土抗折強度、耐磨性能的影響，設定水泥固定用量為310kg/m3，水膠比為 0.4，砂率為 29%、32%、35%、38%，石粉含量為 2%、5%、8%、11%，試驗配合比如表 3 所示。

表 3 石粉含量、砂率對混凝土性能影響試驗配合比

2 試驗結果與分析

2.1 溫度場作用下砂率對混凝土性能的影響

2.1.1 溫度場作用下砂率對混凝土抗折強度的影響

按照表 3 進行混凝土試配，砂率為 29%、32%、35%、38% 的混凝土各成型 3 組抗折試件，標準養護60d 后，一組試件在環境溫度為 20℃ 的環境放置 2 小時后直接進行抗折試驗，其余兩組試件分別在 40℃、60℃的烘箱加熱到 40℃、60℃，然后取出直接進行抗折試驗，抗折試驗結果如表 4、圖 1 所示。

表 4 不同砂率混凝土的抗折強度 MPa

圖 1 溫度場作用下砂率對混凝土抗折強度的影響

從圖 1 可以看出，試件溫度一定時，隨著機制砂砂率增加，混凝土抗折強度先增加后減少；試件溫度為 20℃、40℃ 時，最佳砂率均為 35%，混凝土抗折強度分別為 6.98MPa、5.00MPa；試件溫度為 60℃ 時，最佳砂率為 32%，混凝土抗折強度為 4.48MPa。當砂率一定時，混凝土抗折強度隨著試件溫度的增加而降低；以砂率 35% 為例，試件溫度為 20℃ 時，混凝土抗折強度為 6.98MPa，試件溫度為 40℃ 時，混凝土抗折強度為 5.00MPa，試件溫度為 60℃時，混凝土抗折強度為4.28MPa。

2.1.2 溫度場作用下砂率對混凝土耐磨性能的影響

按照表 3 進行混凝土試配，砂率為 29%、32%、35%、38% 的混凝土各成型 3 組耐磨試件，標準養護60d 后，取出擦干表面水分，自然干燥 12h，再放入(60±5)℃烘箱中烘 12h 至恒重；待試件溫度分別降至20℃、40℃、60℃ 時進行耐磨試驗，結果如表 5、圖 2所示。

從圖 2 可以看出，試件溫度為 20℃ 時，存在最佳砂率 35%，混凝土耐磨試驗磨損量最小為 1.440kg/m2，混凝土耐磨性能最優。試件溫度為 40℃、60℃ 時，混凝土耐磨試驗磨損量隨著機制砂砂率的增加而增加。當砂率一定時，混凝土耐磨試驗磨損量隨著試件溫度增加而先減少后增加；以砂率為 35%為例，試件溫度增加到40℃ 時混凝土磨損量為 1.040 kg/m2，試件溫度增加到60℃ 時混凝土磨損量為 2.240kg/m2。

表 5 不同砂率混凝土的磨耗值 kg/m2

圖 2 砂率對混凝土耐磨性能的影響

2.2 溫度場作用下機制砂石粉含量對混凝土性能的影響

2.2.1 溫度場作用下機制砂石粉含量對混凝土抗折強度的影響

按照表 3 進行混凝土試配，機制砂石粉為 2%、5%、8%、11% 的混凝土各成型3組抗折試件，標準養護 60d 后，一組試件在環境溫度為 20℃ 的環境放置 2 小時后直接進行抗折試驗 ，其余兩組試件分別在40℃、60℃ 的烘箱加熱到 40℃、60℃，然后取出進行抗折試驗，抗折試驗結果如表 6、圖 3 所示。

表 6 不同石粉含量混凝土的抗折強度 MPa

從圖 3 可以看出，試件溫度一定時，隨著機制砂石粉含量增加，混凝土抗折強度先增加后減少，機制砂最佳石粉含量均為 5%。當砂率一定時，混凝土抗折強度隨著試件溫度的增加而降低，以石粉含量 5% 為例，試件溫度為 20℃ 時，混凝土抗折強度為 7.30MPa，試件溫度為 40℃ 時，混凝土抗折強度為 5.37MPa，試件溫度為 60℃ 時，混凝土抗折強度為 4.40MPa。

圖 3 石粉含量對混凝土抗折強度的影響

2.2.2 溫度場作用下機制砂石粉含量對混凝土耐磨性能的影響

按照表 3 進行混凝土試配，機制砂石粉含量為2%、5%、8%、11% 的混凝土各成型 3 組耐磨試件，標準養護 60d 后，取出擦干表面水分，自然干燥 12h，再放入 (60±5)℃烘箱中烘 12h 至恒重；待試件溫度分別降至 20℃、40℃、60℃ 時進行耐磨試驗，耐磨試驗結果如表 7、圖 4 所示。

表 7 不同石粉含量混凝土的磨耗值 kg/m2

圖 4 石粉含量對混凝土耐磨性能的影響

從圖 4 可以看出，試件溫度一定時，混凝土耐磨試驗磨損量隨著機制砂石粉含量的增加而先減少后增加，機制砂存在最佳石粉含量 5%，此時混凝土耐磨性能最優。當石粉含量一定時，混凝土耐磨試驗磨損量隨著試件溫度增加而先減少后增加；以石粉含量 5% 為例，試件溫度 20℃ 時混凝土磨損量為 0.88kg/m2，試件溫度增加到 40℃ 時混凝土磨損量為 0.72kg/m2，試件溫度增加到 60℃ 時混凝土磨損量為 1.44kg/m2。

2.3 溫度場對機制砂混凝土性能的影響

綜合溫度場作用下不同砂率及不同石粉含量機制砂混凝土抗折、耐磨性能的表現情況，可以發現 20℃ 時混凝土的性能是最優的，隨著溫度的增加，混凝土的抗折性能逐漸減弱，60℃ 時性能最差。而 40℃ 時混凝土的耐磨性能優于同一配合比的 20℃ 和 60℃ 的混凝土。

當溫度升高時，混凝土內部會發生熱膨脹，產生熱應力。因此，在溫度升高后，混凝土內部的應力會隨之增加，導致混凝土對外部荷載的抵抗作用有所削弱。同時，由于混凝土內部受熱膨脹，混凝土界面間粘接效果得到增強，耐磨性能有所提升；但隨著溫度的持續升高，混凝土內部的溫度應力及溫度應變隨之增加，加快了內部裂縫產生并發展的速度，削弱了混凝土的界面粘接力，導致其耐磨性能減弱。

3 結論

（1）溫度場作用下，隨著機制砂砂率的增加，機制砂機場道面混凝土抗折強度先增加后減少，最佳砂率為 32%～35%，但耐磨性能則表現為砂率越低耐磨性能越好。

（2）溫度場作用下，隨著機制砂石粉含量增加，機制砂機場道面混凝土抗折強度、耐磨性能先增加后減少，石粉最佳含量為 5%。

（3）隨著道面混凝土溫度的增加，混凝土抗折強度逐漸降低，混凝土耐磨性能先增加后降低。混凝土服役期間應采取相應措施，防止機場道面混凝土溫度升高，從而導致混凝土性能劣化。