北京新机场道面抗冻混凝土配合比设计

2021-03-27杨文平孙志磊

中国港湾建设 2021年3期

杨文平，孙志磊

（民航机场建设工程有限公司，天津 300456）

1 工程概况

本工程场址位于永定河北岸，北京市大兴区榆垡镇、礼贤镇和河北省廊坊市广阳区之间。场址北距天安门约46 km，西距京九铁路约4.3 km，南距永定河北岸大堤约1 km，距首都机场68.4 km。项目标段施工道面为西一、西二飞行区中间部位。2条跑道的长度均为1 377.5 m。其中西一跑道宽度60 m，两侧道肩宽为7.5 m。西二跑道宽为45 m，两侧道肩宽为7.5 m。

机场场道混凝土具有高抗弯拉强度、高耐久性、高平整度控制、高耐磨性、高抗裂性、干硬性等特点[1-3]。本项目道面采用水泥混凝土结构，28 d弯拉强度5.0 MPa。根据MH5006—2015《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》[3]要求，年最低月平均气温低于0℃的地区，道面及道肩混凝土抗冻标号不低F300，因此配合比标号确定为抗折5.0F300。

2 原材料技术要求和控制指标

2.1 水泥

道面混凝土应选用收缩性小、耐磨性强、抗冻性好、含碱量低的水泥，应选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或道路硅酸盐水泥，其强度等级应不低42.5级[2]。水泥混凝土设计强度不小于5.0 MPa时，所选水泥实测28 d抗折强度宜大于8.0 MPa。相关技术指标通过相应的试验检测进行验证。

2.2 细集料

细集料的选取应符合规范[3]中相关条款要求。宜采用细度模数为2.6～3.2的细集料，同一配合比用砂的细度模数变化范围不应超过0.3，所用的砂应质地坚硬，颗粒洁净，其质量技术指标应符合标准规范要求[3]。

2.3 粗集料

粗集料的选取应符合规范[3]中相关条款要求。粗集料应采用质地坚硬、耐久、耐磨、洁净的碎石或破碎卵石。粗集料宜选用连续合成级配，其质量要求应符合标准规范要求。

2.4 拌合用水

水泥混凝土施工拌合用水应符合规范[3]相关条款要求。符合现行GB 5749—2016《生活饮用水卫生标准》的饮用水可用于水泥混凝土拌合、集料冲洗及养护用水。水泥混凝土拌合用水采用非饮用水时，与饮用水进行水泥凝结时间与水泥胶砂强度的对比试验[4]，水泥初凝时间差与终凝时间差不应大于30 min；被检验水样配制的水泥胶砂3 d和28 d强度不应低于饮用水配制的水泥胶砂相应龄期强度的90%。

2.5 外加剂

外加剂的质量应符合国家和行业现行相关标准的规定。外加剂的现场适应性检验应采用工程实际使用的胶凝材料、集料和拌合用水进行适配，并确定合理掺量。

3 配合比设计

3.1 配合比设计要求

根据设计要求，本次水泥混凝土面板配合比设计28 d弯拉强度为5.0 MPa，道面混凝土抗冻标号不低于F300。水泥混凝土道面混凝土为干硬性水泥混凝土，施工拟采用自卸运输车，人工摊铺，高频排式振捣机振捣，面层进行拉毛和刻槽工艺[5]。

道面水泥混凝土采用水泥强度等级为P.O 42.5，单位水泥用量≥330 kg/m3，水泥混凝土最大水灰（胶）比控制为≤0.42，水泥混凝土拌合物的含气量控制为3.0%±0.5%；水泥混凝土拌合物维勃稠度≥15 s；试验室配合比按水泥混凝土设计弯拉强度的1.10～1.15倍进行配制。

3.2 影响混凝土强度及抗冻性的因素

3.2.1 粗集料级配对强度的影响

混凝土强度主要影响因素是水泥强度、水胶比及粗集料。干硬性混凝土要求高抗弯拉强度、高耐久性、高平整度控制、高耐磨性、高抗裂性、且表层施工要有2～3 mm的砂浆保护层[6]。依据当地原材情况，在不考虑最大容重的情况下采用相同水胶比时，适当增加16～31.5 mm碎石比例能有效提高混凝凝土的抗折强度，见图1。

图1 不同石子比例强度的影响Fig.1 Influence of strength of different proportion of rubble

干硬性混凝土抗折强度从试件断面观察分析来看，影响强度主要看碎石断裂面积、碎石与水泥的握裹情况。强度相同的情况下，碎石断裂越多抗折强度越高，增大碎石粒径，可有效利用碎石强度增加混凝土的抗折强度，然而大碎石的增多会导致混凝土的孔隙率增大，需要更多小的碎石、细集料及水泥浆填充，造成砂率变大，水泥用量增多，造成成本的增加。施工过程中表层砂浆保护层增厚又会降低混凝土表面的耐磨性，影响最终面层纹理要求。因此在设计干硬性配合比时，尤其重视砂石集料的质量及理想级配。

3.2.2 混凝土内部结构对混凝土抗冻性能的影响

北京新机场所处环境年平均气温温差大，温差是影响混凝土耐久性的最不利因素。温度升高，水泥水化加快，混凝土强度增长加快，当温度降至冰点以下，混凝土强度停止发展，水分结冰膨胀，使混凝土内部结构遭到破坏，已经获得的强度受到损失。气温变化反复冻融时，混凝土内部微裂缝逐渐增长、扩大，使混凝土强度逐渐降低，直至混凝土结构破坏，针对这一问题在混凝土中加入引气剂。引气剂可以在混凝土内部形成大量微小的稳定气泡，这些气泡切断混凝土的毛细管路，增强混凝土的抗冻性能，缓解内部水分膨胀时造成的压力，同时增加混凝土的和易性；从理论上看，掺加引气剂可大大提高混凝土的抗冻性能[7-8]。

3.3 计算初步配合比

为满足北京新机场混凝土设计要求，配合比设计采取粗集料双级配，石子规格分别为4.75～19 mm、16～31.5 mm，水泥采用P.O42.5，掺加引气型减水剂，在保证强度及抗冻性的前提下，考虑经济性以节约成本。初步配合比计算过程如下。

1）计算水泥混凝土配制强度：fc≥5.0×1.15=5.75 MPa。

2）计算水灰比：W/C=0.42。

3）选定水灰（胶）比：W/C=0.39。

4）计算单位用水量：W0=157 kg/m3。

5）选定外加剂减水率β为21%；选定外加剂掺量为1.8%。

6）选定掺外加剂单位用水量：W0ω=W0×（1-β）=157×（1-0.21）=130 kg/m3。

7）计算单位胶凝材料用量：C0=（C/W）W0ω=130×2.564=333 kg/m3。

8）计算单位外加剂用量：ω0=333×1.8%=5.99 kg/m3。

9）计算单位水泥用量绝对体积：C0/ρc=333/3.1=107.4 L。

10）计算单位水用量绝对体积：W0ω/ρw=130/1.0=130.0 L。

11）选定砂率：ßs=29%。

12）计算单位粗细集料用量（体积法）：

1 000=130+107.4+（S0/ρs+G0/ρg）+（0.01×3.0×1 000）S0+G0=2 041 kg/m3，则细集料S0=2 041×0.29=592 kg/m3，粗集料G0=2 041×0.71=1 449 kg/m3。

13）确定初步配合比，见表1。

表1 混凝土初步配合比Table 1 Preliminary concrete mixture ratio kg/m3

3.4 混凝土配合比的试配、调整与确定

按初步配合比拌制水泥混凝土拌和物，检测其流动性、可塑性、稳定性、易密性、维勃稠度、含气量等技术指标。

在初步配合比的基础上，通过工作性验证及调整，确定基准配合比，并在基准配合比的基础上，通过调整水灰比、砂率等技术指标，确定最终试验室配合比，见表2。

表2 3个不同水胶比的配合比试拌Table 2 Trial mixing of three different water-binder ratio samples

3.5 确定试验室配合比

在基准配合比的基础上，上下调整水灰比，在不同水灰比的条件下，分别成型小梁试件，并进行标准养护，到期进行小梁抗折试验检测，记录其强度。

强度数据及过程检测见表3。

表3 试配检验强度Table 3 Check strength for test matches

4 抗冻性能指标控制

4.1 冻融循环试验

混凝土拌合物出机时的含气量宜符合《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》规定。混凝土的抗冻性能通过抗冻性试验来检测，在规定冻融循环次数下，检测其重量损失率及相对动弹模量。通过试验得出此配合比下的300次冻融循环下的具体参数见表4。试验前后混凝土抗冻试件对比，冻融前试件状态正常，经300次冻融循环后，试件出现麻面，且有表皮脱落，局部粗集料外漏。根据检测数据分析冻融循环次数与重量损失率及相对动弹模量关系，满足F300要求。