普通硅酸鹽水泥替代低堿水泥可行性試驗研究

何有善

（甘肅省民航機場集團有限公司）

1 研究背景

蘭州中川機場三期擴建工程，其中除與舊跑道相接的滑行道采用瀝青混凝土道面外，其余道面均采用水泥混凝土道面。根據MH5006-2015《機場飛行區水泥混凝土道面面層施工技術規范》中的相關規定，當道面混凝土設計強度≥5.0MPa 時，水泥中的堿含量≤0.6%，當道面混凝土設計強度為4.5MPa，且集料有潛在堿活性時，水泥中的堿含量≤0.6%[1]。為滿足這一規定，在中川機場一二期建設過程中需從寧夏采購低堿水泥，導致建設成本增加很高。目前中川周邊可以生產低堿水泥廠家較少，產量、質量也隨水泥熟料的變化發生變化，同時中川附近砂、石骨料也存在不同程度的堿活性，所以在機場三期擴建工程中急需解決低堿水泥與骨料堿活性的問題。

針對上述問題，對蘭州中川機場三期擴建工程混凝土工程所需原材料進行試驗篩選，在機場道面混凝土工程中使用普通硅酸鹽水泥替代低堿水泥，在正常的砂、石原材料情況下，控制混凝土中最大堿含量小于3kg/m3，且不發生堿骨料反應；并且道面混凝土性能指標滿足MH5006-2015《機場飛行區水泥混凝土道面面層施工技術規范》及MH5007-2017《民用機場飛行區場道工程質量檢驗評定標準》中的相關規定，混凝土彎拉強度≥5.0MPa、抗凍等級（F）≥300 等指標[2]。最終達到就地取材、施工應用方便、節約開支、降低工程造價成本。實現蘭州中川機場三期擴建工程中，機場道面水泥混凝土采用普通硅酸鹽水泥全面替代低堿水泥，加快施工進度，保證工程質量，進而優化飛行區道面用水泥質量。

2 堿活性骨料反應的抑制研究

2.1 試驗方法

采用砂漿棒快速法（依據GB/T 14685-2011《建設用卵石、碎石》；GB/T 14684-2011《建設用砂》、JGJ53-2006《普通混凝土砂、石量及檢驗方法》）對混凝土粗細骨料堿活性試驗分析[3]，能在14d 內檢測出骨料在砂漿中的潛在有害的堿-硅酸反應，適合檢驗反應緩慢或只有后期反應產生膨脹的骨料，砂漿棒試件14d 的膨脹率大于0.2%，則骨料為具有潛在危害性反應的活性骨料；砂漿棒試件14d的膨脹率小于0.1%，則骨料為具有無潛在危害性反應的骨料。這種方法被認為是比較精確可靠的。

洗除含泥后混凝土粗細骨料破碎、篩分按比例級配組合的骨料如表1所示。

表1 堿集料反應用砂、石級配各粒級的質量

膠凝材料與骨料按1:2.25、水灰比按0.47 的質量比混合制成砂漿棒，膠凝材料有三種，采用強度等級42.5 硅酸鹽低堿水泥、42.5 的普通硅酸鹽水泥；普通硅酸鹽水泥中擬摻入15%粉煤灰等量取代水泥，按上述配比分別成型試件。

2.2 試驗結果及分析

堿活性試驗的結果見表2，低堿水泥和普硅水泥堿-硅酸反應平均膨脹率對比分析如下：

表2 堿活性試驗的結果

⑴低堿水泥、砂平均膨脹率，14d 膨脹率在0.12%～0.14%范圍，按GB/T 14684-2011《建設用砂》標準，不能最終判定有潛在堿-硅酸反應危險，為可疑骨料，需進行其他必要的輔助試驗。普通硅酸鹽水泥砂漿棒平均膨脹率小于0.1%,,可判定砂集料無潛在堿-硅酸反應危險[4]。

⑵低堿水泥碎石集料在14d膨脹率大于0.2%，可判定碎石集料有潛在堿-硅酸反應危險。普通硅酸鹽水泥碎石集料在14d的膨脹率在0.1%～0.15%之間不能最終判定有潛在堿-硅酸反應危險，為可疑骨料，需進行其他必要的輔助試驗。與普通硅酸鹽水泥相比較，低堿水泥碎石集料更易于發生堿-硅酸反應。

⑶普通硅酸鹽水泥摻15%粉煤灰砂漿棒堿-硅酸反應試驗3d、7d、14d齡期的膨脹率均在0.012%左右，比沒有摻復合礦物摻合料膨脹率降低約10 倍，可判定砂集料無潛在堿-硅酸反應危險。

⑷普通硅酸鹽水泥摻15%粉煤灰細碎石集料堿-硅酸反應試驗3d、7d、14d 齡期的膨脹率小于0.03%，可判定碎石集料無潛在堿-硅酸反應危險。沒有摻復合礦物摻合料細碎石集料試件14d 膨脹率在0.1%～0.2%范圍為可疑骨料，需進行其他必要的輔助試驗。按抑制骨料堿活性有效性檢驗規定，試件三個的膨脹率平均值≤0.05%時，各試件膨脹率差值小于0.01%時，不會產生堿-硅酸反應危險，因此，把膨脹率控制值為0.03%更為安全。

⑸經過對該組砂漿試件（摻加粉煤灰）14d 的膨脹率測量，砂集料試件14 d 的膨脹率僅為0.01%左右；碎石集料試件14d的膨脹率僅為0.025%～0.03%之間。由此可見，普通硅酸鹽水泥通過摻入復合礦物摻合料對活性骨料的堿-硅酸反應具有顯著的抑制作用，可以在工程中應用。

3 配合比設計

實驗配合比如表3 所示，同時為增加混凝土施工性，在混凝土中添加0.01%的引氣劑。

表3 三組配比組成 (kg/m3)

4 試驗結果驗證

4.1 強度

按上述配合比成型混凝土試件的彎拉強度、抗壓強度見表4，實驗結果滿足MH 5006-2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》中要求的強度等級為設計強度的1.10～1.15倍[5]。

表4 彎拉強度與抗壓強度實驗

4.2 總堿量

三種配比的總堿量見表5，配比1、配比2 和配比3的混凝土中總減量分別為2.084648kg/m3、1.127648kg/m3、2.109676kg/m3，三組配比總堿量均滿足GB/T 50476《混凝土結構耐久性設計標準》中混凝土總堿量不高于3.0kg/m3的規定。

表5 混凝土總堿量

4.3 抗裂性能

按三組配比進行抗裂實驗，結果見表6，根據GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測定不同配比的早期抗裂性能，配比1、配比3的單位面積裂縫數目與開裂面積均小于配比2。

表6 抗裂性能結果

4.4 氯離子滲透系數

根據GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》測定不同配比混凝土氯離子滲透系數，判定其耐久性年限，配比1，配比2 和配比3 的氯離子滲透系數均值分別為7.55、7.73和6.44，均滿足相關設計標準要求；同時適量增加膠凝材料或摻合料，可以降低氯離子滲透系數[6]。

4.5 抗凍性能

抗凍性能結果見表7，根據MH 5006-2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》中的要求，道面混凝土應滿足300 次凍融循環的要求，對不同配比混凝土進行抗凍實驗（快凍法），根據實驗結果，三組配比混凝土抗凍性能均能滿足300次凍融的要求。

表7 抗凍性能結果

5 結論

⑴混凝土抗折強度滿足設計要求的5MPa 實驗中完成的三組配比強度，均滿足MH5006-2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》飛行區道面混凝土抗折強度5MPa 的要求，且各組配比和易性、施工性均可滿足現場的施工使用要求。

⑵機場道面混凝土由普通硅酸鹽水泥替代低堿水泥使用正常的砂、石原材料情況下，砂、石堿活性試驗符合GB14684-2011《建設用砂》、GB14685-2011《建設用卵石、碎石》的規定，混凝土總堿量小于3kg/m3要求時，混凝土無堿骨料反應風險，同時在膠凝材料中增加適量的粉煤灰，可以有效降低混凝土發生堿骨料的風險。最終證明在機場道面混凝土中的水泥可以采用普通硅酸鹽水泥。

⑶混凝土抗凍融指標滿足F300 三組實驗配比混凝土抗凍性能均滿足MH5006-2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》飛行區道面混凝土經快速凍融試驗F300 后，動彈性模量大于要求的60%以上，其重量損失不超過5%。