温度场作用下机制砂砂率和石粉含量对机场道面混凝土性能的影响研究*

林喜华，李馨慧，路东义，何凯，赵士豪，何欣，顾青山

（中建西部建设贵州有限公司，贵州 贵阳 550000）

0 引言

随着我国经济的快速发展，我国航空业也发展迅速，特别是我国西部地区旅游、经济、文化的快速发展，对现有航空业提出了新的要求；机场的修建逐渐增加，对机场道面混凝土耐久性也提出了新的要求。王圣城[1]、蔡靖[2]研究表明，机场道面混凝土在服役期间受飞机高温吹蚀和外界温度的作用，道面混凝土温度可高达 55℃；邹伟、陈有亮等[3]研究表明，混凝土的力学性能、弹性模量随着温度的升高而逐渐降低；贺智敏[4]研究表明，蒸养可能对混凝土内部孔隙结构产生不利影响，Patel[5]研究表明，高于 46℃ 的温度明显加速了水化产物特别是钙巩石的生成，同时导致了更粗化的孔结构，在 85℃ 时，混凝土甚至出现了网状裂纹。Kjellsen[6]研究发现，50℃ 热养护的混凝土比 20℃ 时的孔隙率高，如在蒸养后置于空气中养护孔隙率更高。

修建机场道面时，混凝土往往采用河砂作为细骨料。目前采用机制砂混凝土建造机场道面的也仅有贵阳龙洞堡机场这一例，相关的研究文献也少之又少[7-9]。因此，针对机制砂性能参数，结合道面混凝土服役期间温度场对道面混凝土的影响，本文重点研究温度场作用下机制砂石粉含量及砂率对机场道面混凝土性能的影响规律，推动机制砂应用于机场道面混凝土。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料及其性能

水泥：海螺 P·O52.5 水泥，基本性能指标见表 1。

表 1 水泥基本性能

集料：粗集料选用 5～10mm 和 10～40mm 石灰石碎石。细集料采用石灰石精品机制砂，基本性能如表 2所示。

表 2 机制砂基本性能指标

外加剂：北京科宁丰外加剂有限公司 ADD-3 缓凝减水剂，减水率为 14%。

水：自来水。

1.2 试验方法

为了研究温度场作用下，机制砂石粉、砂率对道面混凝土性能的影响，研究试件 20℃、40℃、60℃ 三个温度下，机制砂石粉、砂率对混凝土抗折强度、耐磨性能的影响。20℃ 试件为标养 60d 后的试件，40℃ 与60℃ 温度试件为待试件标养 60d 后，将试件放入温度40℃、60℃ 的烘箱中加热到 40℃、60℃ 即可。抗折试验参照 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行；耐磨试验参照 JTG E 30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行。抗折试验试件尺寸为 150mm×150mm×550mm，耐磨试验试件尺寸为 150mm×150mm×150mm。试件均标养 60d。

1.3 配合比设计

为研究温度场作用下，机制砂石粉、砂率对混凝土抗折强度、耐磨性能的影响，设定水泥固定用量为310kg/m3，水胶比为 0.4，砂率为 29%、32%、35%、38%，石粉含量为 2%、5%、8%、11%，试验配合比如表 3 所示。

表 3 石粉含量、砂率对混凝土性能影响试验配合比

2 试验结果与分析

2.1 温度场作用下砂率对混凝土性能的影响

2.1.1 温度场作用下砂率对混凝土抗折强度的影响

按照表 3 进行混凝土试配，砂率为 29%、32%、35%、38% 的混凝土各成型 3 组抗折试件，标准养护60d 后，一组试件在环境温度为 20℃ 的环境放置 2 小时后直接进行抗折试验，其余两组试件分别在 40℃、60℃的烘箱加热到 40℃、60℃，然后取出直接进行抗折试验，抗折试验结果如表 4、图 1 所示。

表 4 不同砂率混凝土的抗折强度 MPa

图 1 温度场作用下砂率对混凝土抗折强度的影响

从图 1 可以看出，试件温度一定时，随着机制砂砂率增加，混凝土抗折强度先增加后减少；试件温度为 20℃、40℃ 时，最佳砂率均为 35%，混凝土抗折强度分别为 6.98MPa、5.00MPa；试件温度为 60℃ 时，最佳砂率为 32%，混凝土抗折强度为 4.48MPa。当砂率一定时，混凝土抗折强度随着试件温度的增加而降低；以砂率 35% 为例，试件温度为 20℃ 时，混凝土抗折强度为 6.98MPa，试件温度为 40℃ 时，混凝土抗折强度为 5.00MPa，试件温度为 60℃时，混凝土抗折强度为4.28MPa。

2.1.2 温度场作用下砂率对混凝土耐磨性能的影响

按照表 3 进行混凝土试配，砂率为 29%、32%、35%、38% 的混凝土各成型 3 组耐磨试件，标准养护60d 后，取出擦干表面水分，自然干燥 12h，再放入(60±5)℃烘箱中烘 12h 至恒重；待试件温度分别降至20℃、40℃、60℃ 时进行耐磨试验，结果如表 5、图 2所示。

从图 2 可以看出，试件温度为 20℃ 时，存在最佳砂率 35%，混凝土耐磨试验磨损量最小为 1.440kg/m2，混凝土耐磨性能最优。试件温度为 40℃、60℃ 时，混凝土耐磨试验磨损量随着机制砂砂率的增加而增加。当砂率一定时，混凝土耐磨试验磨损量随着试件温度增加而先减少后增加；以砂率为 35%为例，试件温度增加到40℃ 时混凝土磨损量为 1.040 kg/m2，试件温度增加到60℃ 时混凝土磨损量为 2.240kg/m2。

表 5 不同砂率混凝土的磨耗值 kg/m2

图 2 砂率对混凝土耐磨性能的影响

2.2 温度场作用下机制砂石粉含量对混凝土性能的影响

2.2.1 温度场作用下机制砂石粉含量对混凝土抗折强度的影响

按照表 3 进行混凝土试配，机制砂石粉为 2%、5%、8%、11% 的混凝土各成型3组抗折试件，标准养护 60d 后，一组试件在环境温度为 20℃ 的环境放置 2 小时后直接进行抗折试验 ，其余两组试件分别在40℃、60℃ 的烘箱加热到 40℃、60℃，然后取出进行抗折试验，抗折试验结果如表 6、图 3 所示。

表 6 不同石粉含量混凝土的抗折强度 MPa

从图 3 可以看出，试件温度一定时，随着机制砂石粉含量增加，混凝土抗折强度先增加后减少，机制砂最佳石粉含量均为 5%。当砂率一定时，混凝土抗折强度随着试件温度的增加而降低，以石粉含量 5% 为例，试件温度为 20℃ 时，混凝土抗折强度为 7.30MPa，试件温度为 40℃ 时，混凝土抗折强度为 5.37MPa，试件温度为 60℃ 时，混凝土抗折强度为 4.40MPa。

图 3 石粉含量对混凝土抗折强度的影响

2.2.2 温度场作用下机制砂石粉含量对混凝土耐磨性能的影响

按照表 3 进行混凝土试配，机制砂石粉含量为2%、5%、8%、11% 的混凝土各成型 3 组耐磨试件，标准养护 60d 后，取出擦干表面水分，自然干燥 12h，再放入 (60±5)℃烘箱中烘 12h 至恒重；待试件温度分别降至 20℃、40℃、60℃ 时进行耐磨试验，耐磨试验结果如表 7、图 4 所示。

表 7 不同石粉含量混凝土的磨耗值 kg/m2

图 4 石粉含量对混凝土耐磨性能的影响

从图 4 可以看出，试件温度一定时，混凝土耐磨试验磨损量随着机制砂石粉含量的增加而先减少后增加，机制砂存在最佳石粉含量 5%，此时混凝土耐磨性能最优。当石粉含量一定时，混凝土耐磨试验磨损量随着试件温度增加而先减少后增加；以石粉含量 5% 为例，试件温度 20℃ 时混凝土磨损量为 0.88kg/m2，试件温度增加到 40℃ 时混凝土磨损量为 0.72kg/m2，试件温度增加到 60℃ 时混凝土磨损量为 1.44kg/m2。

2.3 温度场对机制砂混凝土性能的影响

综合温度场作用下不同砂率及不同石粉含量机制砂混凝土抗折、耐磨性能的表现情况，可以发现 20℃ 时混凝土的性能是最优的，随着温度的增加，混凝土的抗折性能逐渐减弱，60℃ 时性能最差。而 40℃ 时混凝土的耐磨性能优于同一配合比的 20℃ 和 60℃ 的混凝土。

当温度升高时，混凝土内部会发生热膨胀，产生热应力。因此，在温度升高后，混凝土内部的应力会随之增加，导致混凝土对外部荷载的抵抗作用有所削弱。同时，由于混凝土内部受热膨胀，混凝土界面间粘接效果得到增强，耐磨性能有所提升；但随着温度的持续升高，混凝土内部的温度应力及温度应变随之增加，加快了内部裂缝产生并发展的速度，削弱了混凝土的界面粘接力，导致其耐磨性能减弱。

3 结论

（1）温度场作用下，随着机制砂砂率的增加，机制砂机场道面混凝土抗折强度先增加后减少，最佳砂率为 32%～35%，但耐磨性能则表现为砂率越低耐磨性能越好。

（2）温度场作用下，随着机制砂石粉含量增加，机制砂机场道面混凝土抗折强度、耐磨性能先增加后减少，石粉最佳含量为 5%。

（3）随着道面混凝土温度的增加，混凝土抗折强度逐渐降低，混凝土耐磨性能先增加后降低。混凝土服役期间应采取相应措施，防止机场道面混凝土温度升高，从而导致混凝土性能劣化。