引气纤维混凝土的性能及在高原机场中的应用.pdf

2 0 1 2 年 第 9期 f总 第 2 7 5 期 ) Nu mb e r 9 i n 2 0 1 2 ( T o t a l N o 2 7 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 PRACT I CAL TECHNOLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 2 0 9 0 3 8 引气纤维混凝土的性能及在高原机场中的应用 岑国平。李建丰。洪刚 ( 空军工程大学 工程学院，陕西 西安 7 1 0 0 3 8 ) 摘要： 青藏高原气温低 、 温差大 、 大风多， 对机场道面混凝土的性能提出了很高的要求。 通过系统的室内试验， 对引气纤维混凝土的强 度、 早期抗裂性、 抗冻性、 抗渗性和耐磨性等进行了研究 ， 表明同时掺加引气减水剂和合成纤维的引气纤维混凝土性能明显优于普通混凝 土和单掺引气减水剂的混凝土， 能够满足高原地区恶劣的气候环境要求， 在青海玉树机场实际应用后取得了满意的效果。 关键词 ： 引气 ；合成纤 维 ；混凝 土；高原机场 中图分类号 ： T U5 2 8 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 1 1 7 0 4 P er f or manc e of a i r - en t r ai ni ng f i be r con c r e t e an d a ppl i c a t i on a t pl a t e a u ai r por t CEN Gu o - p i n g， LI J i a n f e n g， HONG Ga n g ( E n g i n e e r i n gC o l l e g e ， Ai r F o r c eE n g i n e e r i n gUn i v e r s i t y ， Xi a ll 7 1 0 0 3 8 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： Be c a u s e o fl o w a i r t e mpe r a t u r e， l a r g e d i ffe r e nc e o ft e mp e r a t u r e， a n d mo r e s t r o n g wi n d， t h e h i g h pe r f o r man c e a i r p o r t p a v e me n t c o n c r e t e i s n e e d e d a t Q i n g h a i T i b e t p l a t e a u B y a s e r i e s o f i n d o o r e x p e ri me n t ， thei n t e n s i ty， e a r l y c r a c k r e s i s t a n c e ， f r o s t r e s i s t a n c e ， i mp e r me a b i l i ty， a n d a b r a s i o n r e s i s t a n c e o f a ir e n t r a i n i n g fi b e r c o n c r e t e we r e s t u di e d Th e r e s u l t s i n d i c a t e d t h at the pe r f o rm anc e s o f a i r - e n t r a i n i n g fi b e r c o n c r e we r e b e t t e r tha n c o mmo n c o n c r e t e a n d a i r e n t r a ini n g c o n c r e t e I t c o u l d me e t the r e q u i r e o f p l a t e a u a i r p o r t wh e r e c l i ma t e c o n d i t i o n wa s s e v e r e Th e a p pl i c a t i o n o f the c o n c r e t e Was s a t i s f a c t o r y a t Qi n g h a i Yu s h u Ai r p o r t Ke y wor ds ： a i r - e n tra i n i n g； s y n t h e t i c fi b e r ； c o n c r e t e ； p l a t e a u a i rpo rt 0 引言 青藏高原是世界屋脊， 海拔高， 交通十分不便。 为了改善青 藏高原地区的交通条件， 近年来国家在该地区修建了不少机场， 如西藏阿里机场、 四川康定机场、 青海玉树机场等。 这些机场的 海拔在 3 9 0 0 - 4 3 0 0 m之间， 由于高寒缺氧 、 温差大、 辐射强、 大 风多 ， 气候条件十分恶劣。 在这些地区修建机场 ， 对道面混凝土 的性能是个严峻的考验。 在混凝土中掺加引气减水剂和合成纤 维是提高混凝土抗冻性和早期抗裂性的有效措施， 同时还可提 高混凝土的抗渗性、 耐磨性 、 抗疲劳性等t l - 3 】 ， 对提高道面质量有 很大帮助。 我们在青海玉树机场站坪及停机坪上， 使用同时掺加 引气减水剂和合成纤维的引气纤维混凝土， 取得了比较好的效果。 1 混凝 土材料及 配合比 1 1 原材料 水泥采用青海昆仑山牌 P I 4 2 5级水泥。 粗骨料用青海玉 树地区石灰岩碎石 ， 5 2 0 re a l 和 2 0 ,- 4 0 n l l n两级配， 表观密度 2 7 1 0 k g m3 。 经过优选，得出两级石子的最优配合 比例为4 5 ：5 5 。 细骨料采用玉树河砂 ， 细度模数为 3 4 8 ， 表观密度为 2 6 9 0 k g m3 ， 含泥量为 0 5 。 外加剂选用北京科宁丰外加剂有限公司生产的 AD D 3引气减水剂和北京安建世纪科技有限公司的 A J F 6引 气减水剂。 合成纤维使用北京产改性聚酯纤维和宁波产聚丙烯 纤维 ， 2 种纤维的主要技术性能指标见表 1 。 收稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 3 - 2 1 表 1 不同纤维品种材料技术性能 1 2配 合 比 道面混凝土设计抗折强度为 5 0 V I P a 。 由于玉树机场地处青 藏高原， 海拔 3 9 0 0 m， 自然冻融循环次数很多， 抗冻指标为定为 F 3 5 0 t 。 试验采用配合 比： 水泥 3 2 0 3 3 0 k g m3 ， 水灰比0 4 0 - - 4 5 ， 砂率 3 2 ， 具体配合比根据试验不同有所调整。 2室 内试 验 2 1 含 气量及 强度试 验 由于高原机场道面的抗冻要求较高， 混凝土中必须掺加引 气剂。 为提高抗裂性， 还在部分道面掺加了合成纤维。 在混凝土 试验中， 首先必须满足强度和含气量、 和易性等要求。 为此进行 了 1 O 组试验， 各组的水泥掺量均为 3 2 0 k g m3 ， 水灰比 0 4 2 ， 减 水剂用科宁 A DD 3 ， 掺量 O 8 ( 与水泥重的比值 ) ， 引气剂用十 二烷， 掺量从 0 1 2 8 ， 合成纤维用宁波纤维， 掺量 0 9 k g m3 ， 并与不掺纤维的混凝土对照。 试验结果见表 2 。 从表 2结果可见 ， 随着引气剂掺量的增大， 混凝土含气量 随之增大 ， 除个别点由于试验数据误差外 ， 大部分情况下掺纤 维与不掺纤维时的含气量差异不大( 见图 1 ) 。 掺加引气剂后 ， 混 l l 7 表 2 混凝土试验结果 凝土的流动性增大， 维勃稠度减小。 但掺纤维后维勃稠度有所增 大 ， 尤其是在引气剂掺量较小时， 影响比较明显。 随着含气量的 增大， 混凝土的强度下降明显。 尤其是引气纤维混凝土， 下降幅 度更大( 见图 2 ) 。 因此为保证混凝土强度， 含气量不宜过高。 在 满足抗冻要求的前提下， 尽量用较小的含气量。 引气剂掺量， o 图 1 引气 剂掺量与混凝土含气量的关系 含气 量 ， 图 2 混凝土含气 量与抗折 强度 的关 系 2 2 早期抗裂缝性试验 在混凝土中掺人大量乱向分布的细小纤维， 使混凝土的抗 拉韧性大大提高， 尤其是早期抗裂效果非常明显 ， 减少了混凝 土硬化过程中出现的干缩 、 温缩裂缝， 这是掺加合成纤维的主 要目的。 高原地区昼夜温差大、 湿度小、 大风多， 早期裂缝非常 普遍， 使混凝土耐久性下降。 因此 ， 在高原机场掺加合成纤维尤 其必要。 但纤维品种以及掺量大小对抗裂性的影响， 需要通过试 验确定 。 我们在前期的试验中， 发现用 纤维混凝土结构技术规程 I 5 中的抗裂性评定试验条件( 风速 、 养护方式等) 不适合道面纤维 混凝土抗裂性的评定。 因此对试验条件作了一些改进， 详见文 献 6 。 抗裂模具仍用 6 0 0 mmx 6 0 0 m mx 6 3 mi t t 的平板， 环境温 度( 2 0 2 ) ， 相对湿度不大于 6 0 ， 成型 2 h后表面抹面， 然后 用风扇吹， 风速为 5 m s 。 成型 2 4h后观察裂缝数量、 长度和宽 度 ， 并计算裂缝面积。 纤维混凝土的裂缝降低系数用式( 1 ) 计算 ： = l o 0 ( 1 ) A 式中： A 基准混凝土试件裂缝的总面积 ， mm2 ； 1 】 8 A 自 纤维混凝土试件裂缝的总面积， n l r f l 2 。 混凝土早期抗裂缝试验包括以下 6 组： 普通混凝土 1 组( 基 准) ， 引气混凝土 1 组， 引气纤维混凝土 4 组。 每组作 2次， 求平均 值。 普通混凝土( 基准 ) 的配合比采用水泥 = 3 3 0 k g m3 ， 水灰比： 0 4 4 ， 不掺外加剂和纤维。 引气混凝土的配合比为： 水泥= 3 2 0 k g m3 ， 水灰比= 0 4 2 ， A DD 3减水剂( 0 8 ) ， 十二烷引气剂( 0 6 4 f o o ) ， 不掺纤维。 引气纤维混凝土是在引气混凝土配合比的基础上， 掺加 0 9 1 7 k g m 的合成纤维 ， 试验结果见表 3 。 表 3 抗裂试验结果 混凝土种类 纤维品种 纤维掺量裂缝总面积裂缝降低系数 ( k g m ) mm 试 验结果表明 ： 引气混凝土的裂缝面积比普 通混凝土有 明 显减少 ， 而引气纤维混凝土的裂缝面积又有大幅度减少， 且随 纤维掺量的增大而减少。 主要原因是： 掺入引气减水剂后 ， 混凝 土水灰比降低， 避免了泌水现象 ， 表面收缩减小明显。 在引气混 凝土中进一步加入合成纤维后， 众多乱向分布的纤维在混凝土 中形成三维支撑体系， 减少了体积收缩变形量， 从而阻止了干 缩过程中裂缝的扩展。 纤维掺量越大 ， 这种作用越明显。 但纤维 掺量过大 ， 不但造价提高， 且在搅拌过程中容易成团， 影响混凝 土的性能。 根据纤维混凝土规范 ， 当裂缝降低系数大于 7 0 时， 抗裂等级达到I 级， 即可满足工程要求。 从经济性的角度， 纤维 掺量以 0 9 1 4 k g m 3 为宜 。 2 3 抗 冻性试 验 在高原地区气温低 ， 冻融循环次数多， 对道面混凝土的抗 冻性要求很好。 为此， 对引气纤维混凝土的抗冻性进行了系统的 试验。 抗冻试验采用快冻法， 最大冻融次数达 5 0 0次。 试验共作 1 3组， 其中 1 组为不掺纤维的引气混凝土， 2组是只掺纤维 ， 不 掺引气减水剂的纤维混凝土， 1 O组为同时掺纤维和引气减水剂 的引气纤维混凝土， 各组配合比见表4 ， 相对动弹模量结果见表 5 。 试验结果显示 ， 只掺纤维 ， 不掺引气减水剂的纤维混凝土 ( 编号 l 2 、 1 3 ) ， 抗冻次数仅 1 0 0 1 7 5次， 不能满足高原机场道面 高抗冻性的要求。 在掺引气减水剂的混凝土中， 当引气减水剂 掺量相同， 但掺纤维情况不同( 编号 1 、 2 、 5 ) ， 抗冻性有一定区 别。 编号 1 不掺纤维， 抗冻次数只有 4 0 0次， 而编号 2 、 5 分别掺 两种纤维， 抗冻次数都超过了 5 0 0次， 其他各组同时掺引气减 水剂和纤维的混凝土抗冻次数也都达到了 5 0 0次以上， 说明掺 加合成纤维能提高混凝土的抗冻性， 但引气剂仍是提高抗冻性 的关键 。 2 4 抗渗性及耐磨性试验 混凝土的抗渗性和耐磨性对机场道面也有重要作用。 提高 的耐久性有重要意义。 道面混凝土的耐磨性是保持道面表面纹 理和摩擦力持久 生 的重要参数。 为此， 进行了这两种性能的试验。 抗渗性试验采用静水压力法和氯离子渗透法两种方法， 静 水压力试验时最终压力为 2 MP a 。 耐磨性试验采用滚珠轴承法。 共进行 7组试验， 配合比见表 6 。 其中 1 组为普通混凝土( 编号1 ) ， 2组为引气混凝土( 编号 2 、 3 ) ， 4组为同时引气纤维混凝土( 编 抗渗性可减少外界水分及有害物质侵入混凝土内部， 对混凝土 号 4 7 ) 。 试验结果见表 7 。 表 6 混凝土抗渗和耐磨试验 配合比 试验结果表明， 普通混凝土的抗渗性和耐磨性都较差， 而引 气混凝土的抗渗性和耐磨性都有明显提高， 其中掺水高度下降 近一半 ， 磨槽深度减小约 1 4 。 引气纤维混凝土的抗渗性和耐磨 性比引气混凝土有进一步提高 ， 但提高幅度不大。 3 纤维混凝土在高原机场的应用情况 在青海玉树机场建设中， 应用了引气纤维混凝土修建了民 航站坪和空军停机坪。 其中民航站坪及联络道总面积 1 8 5 0 0 ms ， 采用宁波产聚丙烯纤维， 掺量为0 9 k g ms o 空军停机坪及联络道 总面积 1 5 9 0 0 ， 采用北京产改性聚酯纤维， 掺量为 1 4 k g m 。 而主跑道采用了未掺纤维的引气混凝土。 道面混凝土施工从 2 0 0 8年 6月开始， 9 月结束。 在施工过程中混凝土含气量、 和易 性等都达到了要求。 2 0 0 9 年竣工验收时， 对道面质量进行了检测。 从外观质量看 ， 未掺纤维的主跑道表面有不少发丝裂缝， 而掺 l 1 9 表 7 混凝土抗渗和耐磨试验结果 试验 编号 抗渗试验 耐磨试验 c l 一 离子渗透量 c 渗水高度 m m 磨槽深度 m m 耐磨度 加纤维的民航站坪和空军停机坪基本见不到发丝裂缝， 说明掺 加纤维后对提高早期抗裂性具有明显效果。 对混凝土强度进行 检测 ， 平均抗折强度 5 7 MP a ， 达到了设计要求。 该机场 2 0 0 9年 投入使用 ， 在 2 0 1 0年玉树大地震后的救灾中发挥了重要作用。 该机场已使用近四年， 目前道面质量 良好。 4结 论 通过引气纤维混凝土的性能试验和及在高原机场道面中 的应用 ， 得出如下几点结论： ( 1 ) 引气纤维混凝土含气量对强度影响很大。 为保证强度 ， 在满足抗冻性要求的前提下 ， 尽量不用过大的含气量。 ( 2 ) 引气纤维混凝土的早期抗裂性明显高于普通混凝土和 引气混凝土。 因此对温差大、 大风多的高原机场， 掺加合成纤维 可防止出现混凝土温缩和干缩裂缝 ， 对提高耐久性有较大帮助。 上接第 1 1 6页 度增强效果最明显。 ( 4 ) 糖对砂浆的抗折强度的影响规律类似于抗压强度， 但 没有抗压强度明显 。 从表 2糖对西水水泥的试验数据可以看出： ( 1 ) 糖对西水水泥砂浆强度的影响与对冀东水泥砂浆强度 的影响相似， 糖掺量为0 0 3 时对 3 、 7 、 2 8 d 强度均无影响， 掺量 稍大 O 0 8 时只影响水泥砂浆的早期强度， 到 2 8 d时均较不掺 者有明显提高。 ( 2 ) 白糖对西水水泥砂浆早期强度的影响最为明显 ， 当白糖 掺量为 0 0 8 时其 3 d 抗压强度仅 8 3 MP a ， 是单掺减水剂 U N F 。 5 的 3 3 -2 。 ( 3 ) 葡萄糖酸钠掺量为 0 0 6 时对西水水泥砂浆 2 8 d强度 增强效果最明显。 从表 3糖对乌拉山水泥的试验数据可以看出： ( 1 ) 在乌拉山水泥中只有白糖掺量为 0 0 8 时对早期强度 有影响， 葡萄糖和糖钠在 0 0 8 时均未影响到水泥早期抗压及抗 折强度。 但 7 d时掺 O 0 8 白糖的砂浆抗压强度就 比未掺者明 显 的提高 。 ( 2 ) 在乌拉山水泥中白糖、 葡萄糖酸钠的最佳掺量为 0 0 6 ， 而葡萄糖的最佳掺量则为 0 0 8 。 ( 3 ) 糖钠和白糖掺量为 O 0 6 时对乌拉山水泥砂浆的2 8 d 强度增强效果最明显。 由表 1 3可以看出加入适量的糖后其强度相对单掺萘系 减水剂的强度有不同程度的提高 ， 原因是掺入适量的糖 ， 延缓 了水泥的水化速度， 使得水泥颗粒周围溶液中的水化硅酸钙等 水化产物的分布更加均匀is 1 ， 胶状体网架结构更致密， 从而提高 中后期强度。加入糖可以使内部结构更加密实， 这对提高砂浆 1 20 ( 3 ) 不掺引气减水剂的纤维混凝土抗冻性达不到高原机场 的要求， 引气混凝土和引气纤维混凝土的抗冻性都达到了设计 要求， 且引气纤维混凝土更好， 冻融循环次数可达 5 0 0次以上。 ( 4 ) 7 1 气纤维混凝土的抗渗性和耐磨性明显高于普通混凝 土， 也好于引气混凝土。 ( 5 ) 通过玉树的实际应用 ， 证明引气纤维混凝土抗裂性较 好 ， 同时混凝土抗冻性、 强度等各项指标都达到了设计要求， 道 面质量较高。 参考文献 ： 【 l 1吴中伟 ， 廉慧珍 高性能混凝土【 M 】 北京： 中国铁道出版社， 1 9 9 9 2 2 邓宗才高性能合成纤维混凝土 M 北京： 科学出版社， 2 0 0 3 【 3 】 岑国平， 马国强， 等 机场道面合成纤维混凝土耐久性f J 交通运输工 程学报， 2 0 0 8 ， 8 ( 3 ) ： 4 3 4 5 【 4 王金华， 岑国平， 等 青藏高原机场道面混凝土抗冻指标研究【 J J 混凝 土 。 2 0 0 9 ( 5 ) ： 4 8 5 1 5 】 C E C S 3 8 -2 0 0 4 ， 纤维混凝土结构技术规程【 S 1 【 6 6 马国强， 岑国平， 等 机场道面纤维混凝土早期抗裂性试验方法探 讨 混凝土， 2 0 0 7 ( 8 ) ： 4 7 5 1 作者简 介 联系地址 联 系电话 岑国平( 1 9 6 2 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 从事机场规划设 计、 机场道面材料的研究。 西安市空军工程大学工程学院五系( 7 1 0 0 3 8 ) 02 9 8 4 7 8 7 73 0 耐久性也十分有利。 3结论 ( 1 ) 糖与 UN F 5 复合后在减水剂的激发作用下 ， 表现出了 明显的辅助塑化效应， 即初始流动度和 1 5 rai n流动度均有不同 程度的提高。 3种糖中辅助增塑效应最好的是葡萄糖酸钠， 白糖 次之， 最差的是葡萄糖。 ( 2 ) 不同水泥掺入适量糖后， 砂浆 2 8 d强度均有不同程度 提高。 其中白糖掺量为0 0 6 时对冀东水泥砂浆 2 8 d强度增强 效果最明显， 葡萄糖酸钠掺量为 O 0 6 时对西水水泥砂浆 2 8 d 强度增强效果最明显， 糖钠和白糖掺量为0 0 6 时对乌拉山水泥 砂浆的 2 8 d强度增强效果最明显。 参 考文献 ： 1 】何廷树混凝土外加剂 M 西安： 陕西科学技术出版社， 2 0 0 3 2 】 冯浩， 朱清江 混凝土外加剂工程应用手册【 M 】 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 5 f 3 13 韩越 混凝土缓凝剂辅助塑化效应的试验研究 D 1 西安建筑科技大 学 ， 2 0 0 6 f 4 】 熊大玉， 王小红 混凝土外加剂【 M 】 E 京 ： 化学工业出版社， 2 0 0 2 5 5 黄政宇 土木工程材料【 M 】 北京： 高等教育出版社， 2 0 0 9 作者简介 联 系地址 ： 联 系电话 ： 杭美艳( 1 9 6 4 一 ) ， 硕士研究生导师， 教授级高级工程师， 从 事教学、 科研、 科技服务工作。 包头青年路 1 4 号 街坊钢院建研所( o 1 4 o l o ) O 4 7 2 21 4 0 8 3 3