建三江民用机场跑道工程水泥混凝土配合比设计

马耀辉，熊复慧，葛 赢，赵文博，刘欢欢

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

建三江民用机场跑道工程水泥混凝土配合比设计

马耀辉，熊复慧，葛 赢，赵文博，刘欢欢

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

本文对新建黑龙江省建三江民用机场工程中跑道工程的水泥混凝土配合比设计进行了具体试验研究，通过粗集料最大振实堆积密度法与正交试验等手段，确定对应原材料与满足抗折要求的最终配合比。实验结果表明：碎石合理的级配范围是水泥混凝土达到设计要求的基本保障，砂石的基本特性同样是影响配合比设计的重要因素。

机场跑道工程；集料合理级配范围；配合比设计；正交试验

新建黑龙江省建三江民用机场位于建三江管理局西南部，距建三江城区直线距离14.9 km，为国内支线民用机场，2016年1月中国民用航空局正式将之命名为建三江湿地机场。建三江民用机场为国内支线机场，飞行区等级为4C级，建设跑道长2500 m，航站楼3000 m2，总投资为6.13亿元，2016年开工建设，预计2017年建成通航。民航专业工程主要包括新建跑道、站坪、联络道、道肩、排水工程、巡场路工程、围界工程及飞行区建筑单体等。黑龙江省建三江民用机场工程机场跑道和路肩混凝土采用干硬性混凝土。为了确保黑龙江省建三江民用机场工程的施工质量，黑龙江省建三江农垦七星机场建设有限责任公司委托黑龙江省水利科学研究院对机场跑道工程的水泥混凝土配合比及力学技术指标等进行试验研究，为机场工程提供技术支持和质量保障。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

黑龙江省建三江农垦七星机场建设有限责任公司根据东北地区机场建设的经验以及现场的实地考察初步选定亚泰集团哈尔滨水泥有限公司生产的天鹅牌P.O42.5低碱水泥、同江砂场天然砂、13队砂场的天然砂、玉林石场生产的碎石、兴友石场生产的碎石，以及北京安建世纪科技发展有限公司生产的AJF-6型引气缓凝高效减水剂。

1.2 配合比设计试验方案

根据新建黑龙江省建三江民用机场飞行区场道工程设计文件要求，该工程需要抗折5.0 MPa、抗冻F300，抗折4.5 MPa、抗冻F300，两种型号配合比。

黑龙江省水利科学研究院承担的新建黑龙江省建三江民用机场飞行区场道工程的配合比设计的总体目标是由1种水泥、2种天然砂、2种碎石、2种配合比型号组成的8种配合比，如表1所示。配合比设计试验方案按以下步骤进行：

(1)碎石比例的选定。采用“最大振实堆积密度”法以及合理级配折算，确定每个料场提供的4种不同粒径碎石的使用比例。

(2)抗折5.0 MPa、4.5 MPa抗冻F300配合比设计。首先根据原材料的性质初步确定配合比，通过正交设计试验数据分析确定最终配合比。

2 碎石比例选定

玉林石场四种粒径碎石的分计筛余见表2，其中第四种碎石粒径超过37.5 mm不能用于机场路面的水泥混凝土工程，其他三种粒径分别为4.75～9.5 mm单粒级、9.5～19 mm单粒级、16～31.5 mm单粒级级配范围，但存在个别级配超逊径现象。

表1 配合比种类

表2 玉林石场各粒径碎石分计筛余

将三种粒径的碎石以不同的比例适配，合成出几组近似5～31.5 mm级配碎石，其累计筛余分布如图1所示。图中实线分别为5～31.5 mm级配碎石上限与下限，图中标明了三种碎石4.75～9.5 mm单粒级、9.5～19 mm单粒级、16～31.5 mm单粒级以及三种碎石按1∶2∶7、1∶6∶3、1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6、1∶7∶2比例适配的累计筛余分布，从图中可以看出1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6三种比例的碎石更接近5～31.5 mm级配区。

兴友石场四种粒径碎石的分计筛余见表3，其中第四种碎石粒径超过37.5 mm不能用于机场路面的水泥混凝土工程，其他三种粒径分别为4.75～9.5 mm单粒级、9.5～19 mm单粒级、16～26.5 mm单粒级级配范围，但存在个别级配超逊径现象。

图1 玉林石场各粒径碎石累计筛余分布

级配475～95mm单粒级/%95～19mm单粒级/%16～315mm单粒级/%超375mm/%3750000006231500000044126500001383781900077371201600124990095327382000475913130000023651000000<23604010600总计1000100010001000

将三种粒径的碎石以不同的比例适配，合成出几组近似5～26.5 mm级配碎石，其累计筛余分布如图2所示。图中黑实线为5～26.5 mm级配碎石上限与下限，图中标明了三种碎石4.75～9.5 mm单粒级、9.5～19 mm单粒级、16～26.5 mm单粒级以及三种碎石按1∶2∶7、1∶6∶3、1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6、1∶7∶2比例适配的累计筛余分布，从图中可以看出1∶6∶3、1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6四种比例的碎石更接近5～26.5 mm级配区。

图2 兴友石场各粒径碎石累计筛余分布

综上试验组选定了玉林石场的4.75～9.5 mm单粒级、9.5～19 mm单粒级、16～31.5 mm单粒级碎石的1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6比例与兴友石场的4.75～9.5 mm单粒级、9.5～19 mm单粒级、16～26.5 mm单粒级碎石的1∶6∶3、1∶5∶4、1∶4∶5、1∶3∶6比例。最后测其紧密堆积密度如表4所示，根据最大紧密堆积密度原则分别从两个石场中选定一个最优比例作为水泥混凝土配合比的粗集料部分。

表4 选定碎石比例的紧密堆积密度

由表4可以看出，玉林石场的4.75～9.5 mm单粒级、9.5～19 mm单粒级、16～31.5 mm单粒级碎石的1∶3∶6比例的紧密堆积密度达到1670 kg/m3，为三组比例的最大值，为最终选定比例；兴友石场的4.75～9.5 mm单粒级、9.5～19 mm单粒级、16～26.5 mm单粒级碎石的1∶5∶4、1∶4∶5比例的紧密堆积密度达到1690 kg/m3，最终选定比例为1∶4.5∶4.5。

3 配合比设计

本项目最终配合比设计目标如表1所示，其中每个配合比的原材料都已确定，变量只有水泥用量、水灰比、砂率三个因素。其中单位水泥用量应不小于330 kg/m3，所以本项目的水泥用量从330 kg/m3起调配；选用的外加剂为北京安建世纪科技发展有限公司提供的AJF-6型引气缓凝高效减水剂，其减水率为20.9%，所以本项目水灰比在0.35～0.39间调试；用外加剂掺量调试混凝土配合比的状态，将坍落度控制在20 mm以内且保证拌合物振实后返浆，含气量控制在3.0%～4.0%范围内。采用L4(23)正交试验分别配制抗折强度为4.5 MPa与5.0 MPa的水泥混凝土配合比。

3.1 同江砂玉林碎石配合比的调配

同江砂场提供的砂的含泥量为1.4%，所以抗折要求5.0 MPa的配合比水泥用量为335 kg/m3，而抗折要求4.5 MPa的配合比水泥用量为330 kg/m3；玉林石场提供的碎石表观密度均为2930 kg/m3，所以在配制混凝土时的理论容重设为2500 kg/m3；碎石空隙率为43.2%，而砂的堆积密度为1590 kg/m3，故砂率在31%～33%间调试，其试验方案如表5所示，抗折强度极差分析如表6、表7所示。

表5 L4(23)正交试验配合比

表6 抗折要求5.0 MPa配合比极差分析表

对上述抗折5.0 MPa的配合比验结果7 d、28 d抗折强度做极差分析如表6所示，正交试验中A因素(2)水平、B因素(2)水平、C因素(1)水平为最优比例，经调整最终配合比为水泥335 kg/m3、砂650 kg/m3、碎石1390 kg/m3、水125 kg/m3。

对上述抗折4.5 MPa的配合比验结果7 d、28 d抗折强度做极差分析如表7所示，正交试验中A因素(1)水平、B因素(2)水平、C因素(2)水平为最优比例，经调整最终配合比为水泥330 kg/m3、砂675 kg/m3、碎石1430 kg/m3、水120 kg/m3。

表7 抗折要求4.5 MPa配合比极差分析表

3.2 十三队砂玉林碎石配合比的调配

十三队砂场提供的砂的含泥量为0.2%，所以抗折要求4.5 MPa与5.0 MPa的配合比水泥用量均为330 kg/m3；玉林石场提供的碎石表观密度均为2930 kg/m3，所以在配制混凝土时的理论容重设为2500 kg/m3；碎石空隙率为43.2%，而砂的堆积密度为1540 kg/m3，故砂率在29%～31%间调试，其试验方案如表8所示，抗折强度极差分析如表9、表10所示。

表8 L4(23)正交试验配合比

表9 抗折要求5.0 MPa配合比极差分析表

对上述抗折5.0 MPa的配合比验结果7 d、28 d 抗折强度做极差分析如表9所示，正交试验中A因素(2)水平、B因素(1)水平、C因素(2)水平为最优比例，经调整最终配合比为水泥330 kg/m3、砂600 kg/m3、碎石1450 kg/m3、水120 kg/m3。

表10 抗折要求4.5 MPa配合比极差分析表

对上述抗折4.5 MPa的配合比验结果7 d、28 d抗折强度做极差分析如表10所示，正交试验中A因素(2)水平、B因素(2)C因素(1)水平为最优比例，经调整最终配合比为水泥330 kg/m3、砂630 kg/m3、碎石1420 kg/m3、水120 kg/m3。

3.3 同江砂兴友碎石配合比的调配

同江砂场提供的砂的含泥量为1.4%，所以抗折要求5.0 MPa的配合比水泥用量335 kg/m3，而抗折要求4.5 MPa的配合比水泥用量330 kg/m3；兴友石场提供的碎石表观密度均为2950 kg/m3，所以在配制混凝土时的理论容重设为2500 kg/m3；碎石空隙率为44.4%，而砂的堆积密度为1540 kg/m3，故砂率在29%～31%间调试，其试验方案如表11所示，抗折强度极差分析如表12、表13所示。

表11 L4(23)正交试验配合比

对上述抗折5.0 MPa的配合比验结果7 d、 28 d抗折强度做极差分析如表12所示，正交试验中A因素(2)水平、B因素(2)水平、C因素(1)水平为最优比例，经调整最终配合比为水泥335 kg/m3、砂610 kg/m3、碎石1630 kg/m3、水125 kg/m3。

对上述抗折4.5 MPa的配合比验结果7 d、28 d抗折强度做极差分析如表13所示，正交试验中A因素(1)水平、B因素(2)C因素(2)水平为最优比例，经调整最终配合比为水泥330 kg/m3、砂630 kg/m3、碎石1420 kg/m3、水120 kg/m3。

表12 抗折要求5.0 MPa配合比极差分析表

表13 抗折要求4.5 MPa配合比极差分析表

3.4 十三队砂兴友碎石配合比的调配

十三队砂场提供的砂的含泥量为0.2%，所以抗折要求4.5 MPa与5.0 MPa的配合比水泥用量330 kg/m3；兴友石场提供的碎石表观密度均为2950 kg/m3，所以在配制混凝土时的理论容重设为2500 kg/m3；碎石空隙率为44.4%，而砂的堆积密度为1540 kg/m3，故砂率在29%～31%间调试，其试验方案如表14所示，抗折强度极差分析如表15、表16所示。

表14 L4(23)正交试验配合比

表15 抗折要求5.0 MPa配合比极差分析表

对上述抗折5.0 MPa的配合比验结果7 d、28 d抗折强度做极差分析如表15所示，正交试验中A因素(1)水平、B因素(2)水平、C因素(2)水平为最优比例，经调整最终配合比为水泥330 kg/m3、砂605 kg/m3、碎石1440 kg/m3、水125 kg/m3。

表16 抗折要求4.5 MPa配合比极差分析表

对上述抗折4.5 MPa的配合比验结果7 d、28 d抗折强度做极差分析如表16所示，正交试验中A因素(1)水平、B因素(2)C因素(2)水平为最优比例，经调整最终配合比为水泥330 kg/m3、砂630 kg/m3、碎石1420 kg/m3、水120 kg/m3。

4 结 论

从新建黑龙江省建三江民用机场工程中的水泥混凝土跑道工程的施工状况以及工程质量来看，配合比设计小组为该工程提供的水泥混凝土配合比具有一定的优越性，在保证设计要求的前提下，控制了材料成本。综合试验结果可以看出，合理的集料级配是水泥混凝土达到设计要求的基本保障，砂石的基本特性同样是影响配合比设计各个因素的重要指标。

[1] 中国民用航空局．民用机场水泥混凝土面层施工技术规范：MH 5006-2015[S]．北京： 中国民航出版社，2015．

[2] 中华人民共和国交通部．公路工程集料试验规程：JTGE 42-2005[S]．北京：人民交通出版社，2005．

[3] 中华人民共和国交通部．公路工程水泥及水泥混凝土试验规程：JTGE 30-2005[S]．北京：人民交通出版社，2005．

Proportion design of cement concrete for Jiansanjiangcivil airport runway project

MA Yaohui,XIONG Fuhui,GE Ying,ZHAO Wenbo,LIU Huanhuan

(HeilongjiangProvincialHydraulicResearchInsitute,Harbin150080,China)

In this paper, we did specific experimental research on the proportion design of cement concrete for the runway at the new Jiansanjang civil airport of Heilongjiang province project and determined the finally proportion that meets the requirement for raw materials and bending strength by the largest vibrated bulk density method of coarse aggregate and orthogonal experiment. The experiment results show that the gravel rational gradation limit is the basic protection for cement concrete to meet the design requirements, and the basic characteristic of sand is also an important factor.

civil airport runway; rational distribution range of aggregate size; project proportion design; orthogonal test

马耀辉(1979-)，男，黑龙江桦南人，高级工程师，主要从事水利水电工程施工检测与水工材料科研工作。E-mail：342217820@qq.com。

TU528

A

2096-0506(2017)04-0006-09