论材料组成对机场道面水泥混凝土耐久性的影响性研究的意义及研究

所属栏目：公路工程类论文
发布时间：2012-03-31 11:48:02  更新时间：2012-03-31 11:17:02

巩喜彪[]

摘要：耐久性破坏是机场道面混凝土最为常见和难以防治的病害形式之一。与大多数混凝土结构物相比，高寒地区机场道面在使用期内通常承受着更为严酷的环境条件和荷载作用。而且耐久性主要涉及破坏因素的作用力和混凝土本身对破坏的抵抗力，破坏因素又有内因和外因两个方面，而影响或决定这两个因素的内涵又十分复杂。
关键词：机场道面、水泥混凝土、耐久性
Abstract: the durability of concrete pavement failure is the most common form of the disease prevention and control and difficult one. And most of the concrete structure than content, high altitude airport pavement in use period usually bear the more severe environmental conditions and load. And durability mainly involves destroying factors the force and concrete itself to destroy the resistance, destroying factors and internal and external aspects, and affect or decided that the two factors connotation and very complex.
Keywords: airport pavement, cement concrete, durability


中图分类号：  TU528.45           文献标识码：A             文章编号：
1.研究的目的和意义
耐久性破坏是机场道面混凝土最为常见和难以防治的病害形式之一。与大多数混凝土结构物相比，高寒地区机场道面在使用期内通常承受着更为严酷的环境条件和荷载作用。正负温交替的冻融破坏，外界水分和腐蚀性离子的渗透和溶蚀，飞机轮胎的反复冲击、磨耗和空蚀，都会使机场道面混凝土的内部结构性能和表面构造功能过早丧失，导致道面承载力与抗滑力迅速降低，甚至过早出现严重破坏。
导致机场道面混凝土耐久性不足的原因，通常可分为外因和内因，外因有环境、荷载和人为因素等，如冻融、磨耗、应力、腐蚀、风化和其他腐蚀类污染等；内因则包括混凝土材料设计不良、原材料选取失当等，如碱骨料反应、渗透性、骨料与水泥浆热工性质的差异引起的体积变化等。从破坏因素看，可分为物理因素、化学因素、机械因素。物理因素如温度、风化、渗透；化学因素如腐蚀、碱骨料反应等；机械因素如荷载、磨损等。高寒地区机场道面长期服务在严酷恶劣的使用环境下，目前很难通过经济实用的措施降低外界不良因素的影响，因此材料优化设计才是改善其耐久性的最有效途径之一。
尽管耐久性几十年来成为混凝土技术研究的热点，建筑和水工领域的很多单位从上世纪50年代起便对其进行研究，很多成果对机场道面混凝土的耐久性设计也具有参考价值。但至今对于耐久性这一名词的认识还没有一个统一标准。而且耐久性主要涉及破坏因素的作用力和混凝土本身对破坏的抵抗力，破坏因素又有内因和外因两个方面，而影响或决定这两个因素的内涵又十分复杂。以最常见的也是迄今研究得最多的抗冻性为例，混凝土自身的强度与变形性能是抵抗破坏力的主要因素，而影响这两种性能的因素又很多，混凝土内部结构特别是孔结构决定着混凝土内部的冻结破坏作用，不同的孔结构起着不同的作用，而孔结构本身就很复杂，水泥石中的孔与集料中的孔又完全不同，界面附近又不同于水泥石中，外界温度的变化，冻融循环的发生，水的变化，暴露条件不同等等，这些外在因素产生的破坏力也不尽相同。而冰冻作用又常与其它破坏作用同时存在，这些都充分说明混凝土耐久性问题的复杂性。据此可以认为耐久性是指混凝土抵抗各种损伤因素长期作用的能力。但目前对于混凝土耐久性研究单因素研究比较多，其各因素交互作用研究不充分，夏河机场道面建成后一定面临多因素的交叉作用，因此对此展开研究非常必要。
2.国内外研究现状
水泥混凝土道面刚性大、强度高、稳定性好，日常养护工作量小。近年来推广使用水泥混凝土道面是我国机场建设的一个重要策略，但水泥混凝土道面存在的耐久性问题十分突出。我国寒冷地区飞机场，尤其是70年代中期以后修建（包括新建及扩建）的机场，陆续出现了混凝土道面才使用3~5年便发生混凝土破坏的现象，然而依据结构强度计算，机场混凝土道面最低设计使用年限规定为20~30a。提高寒冷地区道面混凝土耐久性，保证新建机场或新修公路道面修补工程具有足够的预期使用寿命，是混凝土施工单位及科研部门必须尽快解决的问题。目前，国内对于寒区机场到面混凝土耐久性方面研究还没有得到足够的重视。
因机场道面在使用年限内，受轮胎和气候等因素长期反复作用，道面结构的整体或某一组成部分表面功能逐步丧失，内部结构损伤不断加剧使之使用性能迅速下降。道面使用很短的时间就需要修复或改建，既干扰正常飞行，又造成巨大的浪费。导致水泥混凝土道面耐久性不足的原因除了道面要承受温度应力、干湿循环、冻融循环、化学侵蚀等外在因素外，还有水泥混凝土材料质量控制不严、道面设计抗折强度不高、施工密实度不够、接缝性能不强等内在的因素。
为此，水泥混凝土耐久性引起人们的普遍关注，许多国家投入大量的人力财力进行研究。早在1940年，美国学者T.E.Stanton正式提出碱-集料反应（Alkali-Aggregate-Reaction，AAR）问题，随后各国学者开始重视碱-集料反应。T.E.Stanton认为碱-集料反应的原因是：在外界水分供应的情况下或相对湿度较高的环境中，混凝土中的某些集料中的无定形二氧化硅与含碱量高的水泥中的碱产生反应，致使混凝土体积膨胀，导致混凝土开裂。目前，在世界范围内已经发现了三种类型的碱-集料反应：碱-硅反应(Alkali-Silica-Reaction，ASR)，碱-碳酸盐反应(Alkali-Carbonate-Reaction，ACR)，碱-硅酸盐反应(Alkali-Silicate-Reaction，ＡSＲ)。美国混凝土学会（ACI）早在1957年就成立了“ ACI—201 委员会”，负责统筹安排有关混凝土耐久性的研究工作。1960年国际材料与结构试验研究联合会 ( RILEM）专门成立了“混凝土中钢筋锈蚀”技术委员会( CRC)，国际建筑研究与文献协会（CIB）于1979年成立W-70委员会（已有建筑物维修和现代化委员会），并提出一个有4 大类12个项目的计划，其中B类即为有关建筑物维修和鉴定方面的项目。1980年国际标准化委员会预应力混凝土委员会ISO/TC-71提出了混凝土环境条件分级标准。 RILEM和CIB于1982年联合成立工作委员会 RILEM-71 PSL/CIB W80进行结构寿命预测研究，并且三年举行一次有关建筑材料与结构耐久性国际会议；1983 年混凝土耐久性会议在哥本哈根召开，1984年在日本筑波召开。1989年“结构耐久性”国际会议由IABSE组织在里斯本召开，“耐久混凝土结构设计指南”由欧洲混凝土学会（CEB）颁布，1990年耐久性列入欧洲CEB的示范准则（Model Code）。1994年在法国召开了“第三届国际混凝土耐久性会议”，出版了论文集SP-145 。1991年加拿大与美国联合召开了“混凝土结构耐久性国际会议”。 ACI-201委员会于1992 年编制了“耐久性混凝上指南”。
在抗冻性方面，国际上比较通用的评价标准是以美国 ASTMC 666-86A 标准试验方法为基础的快速冻融试验法。这一标准规定对混凝土试件进行 300 次快速冻融循环，定义 300 次循环后的动弹性模量的损失为抗冻耐久性指数 DF。在北美认为有抗冻要求的混凝土，DF 值须大于或等于 60%。国内外的学者一致认为适当的引气能改善混凝土的抗冻性，在欧美等国的标准中都对混凝土的引气量、气泡间距系数等指标都有规定。国际上通常采用氯离子扩散系数来评价混凝土的抗渗性。瑞典的唐路平提出了 CTH 法或 RCM 法，测定氯离子扩散系数，后来被定为北欧的标准（NT Build 492）。但是，国外最常用的抗渗性评价方法是美国 ASTM C1202 快速电量测定方法为基础的标准试验方法。上世纪80年代，美国公路战略研究计划（简称 SHRP）系统的研究了混凝土路面耐久性问题产生的原因及解决方法，特别是研究了硫酸盐侵蚀及氯离子侵蚀的机理，并提出了评价方法。与此同时，美国联邦公路管理局也制定计划，研究桥面板耐久性检测和钢筋锈蚀的防护问题。欧洲也投入了大量人力财力研究混凝土的耐久性。1992 年，欧洲混凝土委员会颁布了《耐久性混凝土结构设计指南》等。
国内对于水泥混凝土耐久性的研究主要集中在建筑混凝土和公路混凝土。如2001 年由长沙理工大学和清华大学作为主编单位，交通部公路规划设计院、国家工业建筑诊断与改造工程技术研究中心和广东虎门大桥有限公司作为参编单位，组成了《公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范》编制组。该规范充分考虑了结构使用过程中可能遇到的大气及环境污染、氯盐、硫酸盐、冰冻和除冰盐等化学与物理侵蚀作用，根据各种环境作用对混凝土结构的腐蚀程度，把环境腐蚀作用分为六个等级，并且规定了各种环境腐蚀等级下混凝土结构设计和施工的基本要求。2003年版《公路水泥混凝土路面施工技术规范》中，对公路工程混凝土结构中经常出现的钢筋锈蚀、冰（盐）冻、碱-集料反应、酸雨和路面磨损等病害的防治都做了规定。长沙理工大学张宇等人采用平板试验法(plant test method )测试混凝土的抗裂性，用冲压冲击试验法（drop-weight method）测试混凝土的抗冲击性能，并研究了水灰比、砂率、粗集料类型、集料的级配、粉煤灰和硅粉的掺量对混凝土的抗冲击性能和早期抗裂性的影响，以分析原材料及配置参数对混凝土耐久性的影响规律和作用机理。同济大学的施惠生教授研究了混凝土早期开裂的原因，论述了混凝土裂缝的形成机理。
在耐久性混凝土配合比设计中，吴中伟等人提出简易绝对体积法，按照最大密室性原则设计路面混凝土。曹双寅对硫酸盐侵蚀环境下的混凝土进行了室内模拟试验，试验结果表明，随着时间的增长,硫酸盐侵蚀对混凝土的腐蚀起主导作用，其腐蚀加速了混凝土力学性能的劣化；慕儒对荷载作用下的高强混凝土的性能变化规律进行了实验研究，结果表明，在硫酸盐作用下，混凝土性能下降速度很快荷载的作用使得硫酸盐侵蚀有加剧的趋势；曲立清等对硫酸盐侵蚀环境下的高性能混凝土应用技术研究表明，海水中的硫酸盐与水泥石中引起交换作用而生成石膏，在水位变化区域，石膏在水泥石中的毛细孔内沉积、结晶，引起体积膨胀，使水泥石开裂，最后材料转变成糊状物或无粘结力的物质。而处于水下的混凝土，所生成的石膏会与水泥石固态单硫型水化硫铝酸钙和水化铝酸钙作用生成三硫型水化硫铝酸钙(钙矾石)，引起膨胀性开裂。陈建奎等则对路面混凝土耐久性设计，提出一种全计算方法，修正了传统的绝对体积法。按照其提出的全计算法，对混凝上拌合物的设计，可以由公式计算得到。吴中伟等人认为：使配合比选择和施工质量控制计算机化，是路面混凝土科学的发展方向之一。王德怀、陈肇元等研究了配合比设计和质量控制的计算机系统，提出了由两个设计指标（强度和工作度）和三个设计方程（强度方程，工作度方程，组成方程）进行高性能路面混凝土配合比设计的方法。张继先提出一种单目标的非线性规划模型，以路面混凝土价格为目标函数、各种原材料的用量为设计变量，通过对数学模型的优化，在路面混凝土的一些性能符合用户需要的前提下，使成本最低。李容湘等进行了路面混凝土配合比多目标优化和实时控制的研究，应用多目标规划方法，求出各种材料的最优用量和相应的技术指标。有人甚至以冻融循环对水泥混凝土道面的破坏作为水泥混凝土冻融耐久性设计的依据，并根据冻融循环的随机性特点，运用数学方法对混凝土的冻融循环进行可靠度分析，提出混凝土抗冻性方面道面结构的耐久性设计方案等等。
在原材料的选择上，许多研究表明，在混凝土中掺加适量粉煤灰后，混凝土在硫酸盐溶液中长期浸泡的膨胀率、抗蚀系数等性能指标均有所提高，但也有不同的结论，认为粉煤灰改善抗硫酸盐的性能并不明显。同时，还有丹麦等地研究认为，含 15%硅粉的混凝土的抗硫酸盐腐蚀效果最好，但抗硫酸氨腐蚀较差。还有的在设计中通过降低混凝土水胶比，提高其密实度，降低水泥中铝酸三钙含量和使用矿物质混合材可以提高混凝土抗硫酸盐腐蚀，同时可以降低 Cl-在混凝土中的扩散系数。为了抑制碱集料反应，碱骨料反应造成的破坏，已引起人们的广泛关注，目前，抑制碱骨料反应可使用非活性集料；用低碱水泥或控制混凝土中的碱含量；控制混凝土相对湿度，避免混凝土与水的直接接触；或使用矿物掺合料和化学外加剂等。除此而外，还有各种合成纤维混凝土，例如单丝聚丙烯、网状聚丙烯、聚丙烯青纤维混凝土等都能提高混凝土的抗渗性、抗冻性和耐磨性。
在结构物混凝土耐久性研究快速发展的同时，机场道面混凝土的耐久性研究也受到了关注，现行规范在依据多年实践和参考其他行业经验的基础上，采用含气量、水灰比和水泥用量三个指标来控制水泥路面的抗冻性与耐磨性，对混凝土的耐久性设计起到了启蒙性的作用，但相关研究仍不够系统完整，对强度设计只起到了补充和验证的作用，未能形成独立体系。研究人员针对混凝土涉及到的各种耐久性指标进行了大量研究，混凝土的渗透性是重要的输运性质指标，与混凝土多个耐久性过程密切相关。相关文献研究了混凝土孔结构与渗透性、材料组成与渗透性、混凝土制备与渗透性、混凝土表面处理与渗透性、荷载作用与渗透性及耐久性与渗透性的关系，加深了对渗透性及耐久性的认识。
纵观国内外混凝土的耐久性研究的现状，目前国内机场道面混凝土的耐久性设计研究还存在许多不足：
（1）我国机场道面混凝土的耐久性研究仍较滞后，存在的诸多问题没有得到充分的解决，针对性的研究不足，现有的设计方法仍主要基于强度而非耐久性设计，设计指标和控制参数的取值大多参考其他行业经验，是否适合机场道面混凝土仍有待研究。
（2）混凝土抗侵入性能够充分反映混凝土抵抗外界侵蚀破坏的能力，被公认为最能够综合体现混凝土的耐久性，其研究对机场道面混凝土耐久性设计体系的完善具有重要意义，但目前相关研究的缺失限制了其实际应用。
（3）机场道面混凝土的抗冻性乃至抗盐冻性设计的相关研究较少，所参考的其他行业成果往往针对于高强和高性能混凝土，未必适合于使用条件更加恶劣但水泥用量较低的机场道面混凝土，材料组成参数取用不适当的现象较为普遍。
（4）耐磨性作为机场道面混凝土最重要的表面功能指标，已有研究仅针对水灰比和含气量进行了试验分析，对其他材料组成参数的影响研究并不充分。微观抗滑力设计则更未见规范和其他文献提出。因此，道路混凝土的抗滑性设计体系仍未完全建立，需要更加深入全面的研究。
（5）由于机场道面混凝土的耐久性评价体系欠完整、研究尚不充分，因此难以在其基础上，综合强度和抗裂性等路用性能要求，提出不同使用条件下道路混凝土材料组成参数的合理取值范围，致使相关设计方法的完善和修正缺乏依据。
以上分析表明，混凝土的耐久性是一项复杂的系统工程，涉及到设计、施工、材料等诸多方面，而且不同的项目环境与原材料供应条件，提高水泥混凝土耐久性的技术措施也各不相同。为此，对于高寒地区机场道面混凝土耐久性而言，应结合当地的具体环境气候特点，原材料情况等针对性展开研究，从基于耐久性要求的水泥混凝土配合比设计、耐久性性能评价与现场施工质量控制等方面开展研究，以提出一套经济、合理的耐久性水泥混凝土设计、施工方案显得非常重要。

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