機(jī)場(chǎng)水泥工程混凝土道面堿集料反應(yīng)預(yù)防

　　摘要：本文從目前國(guó)內(nèi)外研究情況出發(fā)，闡述了水泥混凝土道面堿集料反應(yīng)的形成過(guò)程及對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的危害，結(jié)合機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)和施工的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了預(yù)防機(jī)場(chǎng)道面堿集料反應(yīng)的措施。

　　關(guān)鍵詞：機(jī)場(chǎng)道面 水泥混凝土 堿集料反應(yīng) 預(yù)防

　　1、概述??

　　機(jī)場(chǎng)道面是供飛機(jī)起飛、著陸、停放和組織并保障飛行活動(dòng)的場(chǎng)所，是機(jī)場(chǎng)的重要設(shè)施。目前我國(guó)軍用機(jī)場(chǎng)和民用機(jī)場(chǎng)道面，絕大部分是水泥混凝土道面，水泥混凝土道面以其強(qiáng)度高、耐久性好、維護(hù)費(fèi)用低而受青睞。然而，70年代中期新建的機(jī)場(chǎng)道面使用3-5年開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)了水泥混凝土材料本身的破壞現(xiàn)象，這種破壞不同于荷載作用引起道面結(jié)構(gòu)破壞，而是在道面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，在正常荷載和環(huán)境條件下，道面混凝土過(guò)早地失去了其良好的品質(zhì)和優(yōu)良性能，這種破壞稱(chēng)為道面水泥混凝土的耐久性破壞。水泥混凝土道面發(fā)生耐久性破壞的主要原因有三種：干縮、溫度應(yīng)力和凍融;化學(xué)腐蝕(主要是硫酸鹽侵蝕和鹽析);堿集料反應(yīng)。其中主要的和危害最大的是堿集料反應(yīng)。?

　　早在30年代人們對(duì)堿集料反應(yīng)就有所認(rèn)識(shí)，自美國(guó)T.E.Stoan在1941年發(fā)表了第一篇有關(guān)堿集料反應(yīng)以來(lái)，堿集料反應(yīng)引起了世界各國(guó)的重視。我國(guó)從建國(guó)初期到70年代由于水泥的生產(chǎn)工藝和品種單一，水泥的含堿量低，再加上混凝土的水泥用量低，混凝土中堿的含量相應(yīng)降低。正是由于這個(gè)原因，在80年代前我國(guó)工程界中沒(méi)有堿集料反應(yīng)引起破壞的工程實(shí)例。80年代開(kāi)始陸續(xù)發(fā)生了一些堿集料反應(yīng)的工程實(shí)例，其中有××個(gè)機(jī)場(chǎng)的水泥混凝土道面發(fā)生了不同程度的堿集料反應(yīng)，發(fā)生堿集料反應(yīng)的機(jī)場(chǎng)大部分是70年代中期以后修建的，從地理位置上看均位于長(zhǎng)江以北的三北地區(qū)。研究表明，這與三北地區(qū)水泥含堿量大、鹽堿土多和三北地區(qū)的氣候特征有關(guān)，特別是這個(gè)時(shí)期生產(chǎn)的水泥含堿量大都在1.2%以上，有的高達(dá)1.6%，加上高含堿量外加劑的使用，使單位混凝土中的含堿量增大，提供了生產(chǎn)堿集料反應(yīng)的內(nèi)在條件。

　　進(jìn)入90年代以來(lái)，人們普遍認(rèn)識(shí)到堿集料反應(yīng)的嚴(yán)重后果，對(duì)提高混凝土耐久性的要求日益迫切。1992年第九屆國(guó)際混凝土堿集料反應(yīng)會(huì)議在倫敦召開(kāi)，同年在新德里召開(kāi)了國(guó)際水泥化學(xué)會(huì)議，把水泥混凝土的耐久性列為重要議題，其中包括對(duì)混凝土堿集料反應(yīng)的研究成果，把堿集料反應(yīng)的研究推向了一個(gè)新階段。80年代末，在發(fā)現(xiàn)多起堿集料反應(yīng)的情況下我國(guó)也開(kāi)始視此項(xiàng)研究，長(zhǎng)江科學(xué)院和南京化工學(xué)院進(jìn)行了大量的研究工作。1993重年設(shè)部修訂的建混凝土細(xì)、粗集料標(biāo)準(zhǔn)(JGJ52-92、JGJ53-92)和1994年交通部發(fā)布的《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程(JTJ058-94)》，都增加了集料堿活性的檢測(cè)方法，使我國(guó)在堿集料反應(yīng)的預(yù)防有章可循。在80年代末空軍就開(kāi)展了預(yù)防機(jī)場(chǎng)道面堿集料反應(yīng)的研究工作，空軍在1992年8月發(fā)布《空軍機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面預(yù)防腐蝕的技術(shù)措施(試行)》，對(duì)預(yù)防機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面堿集料反應(yīng)起了積極的作用，證明是行之有效的。?本文從目前國(guó)內(nèi)外研究情況出發(fā)，闡述了水泥混凝土道面堿集料反應(yīng)的形成過(guò)程及對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的危害，結(jié)合機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)和施工的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出了預(yù)防機(jī)場(chǎng)道面堿集料反應(yīng)的措施。??

　　2、機(jī)場(chǎng)道面堿集料反應(yīng)的形成和對(duì)機(jī)場(chǎng)道面的危害??

　　水泥混凝土中的堿集料反應(yīng)有堿—硅酸反應(yīng)和堿—碳酸鹽反應(yīng)兩種形式。堿—硅酸反應(yīng)是混凝土粗集料中含有非晶質(zhì)的活性二氧化硅(SiO2)，水泥中存在的堿性氧化物(Na2O、K2O)或可以由其它途徑得到堿(堿含量大于0.6%)，在潮濕的環(huán)境中水泥漿中的堿性氧化物水解后生成的氫氧化納、氫氧化鉀與集料中的活性二氧化硅反應(yīng)，在集料表面生成堿—硅酸凝膠體，這種膠體物質(zhì)遇水膨脹后引起混凝土破壞;堿—碳酸鹽反應(yīng)是水泥中的堿與粗集料中的白云石之間在水的作用下反應(yīng)，體積也會(huì)膨脹，使混凝土開(kāi)裂，與堿—硅酸反應(yīng)不同的是，堿—碳酸鹽反應(yīng)繼續(xù)產(chǎn)生堿，繼續(xù)反復(fù)與白云石反應(yīng)。?

　　堿集料反應(yīng)的機(jī)場(chǎng)道面有以下特征：堿—碳酸鹽反應(yīng)表現(xiàn)為混凝土集料的周?chē)涂p隙間有硅酸凝膠存在或滲出;堿—碳酸鹽反應(yīng)表現(xiàn)為有白色的碳酸鈣和碳酸鈉析出。道面的外觀表現(xiàn)為道面表面出現(xiàn)樹(shù)枝狀、網(wǎng)狀裂縫(龜裂)，在集料處膨脹、開(kāi)裂。盡管這些裂縫并不會(huì)使道面完全破壞，卻降低了機(jī)場(chǎng)道面的其它使用功能、降低道面的服務(wù)水平，加速道面破壞，縮短道面的使用壽命。機(jī)場(chǎng)道面混凝土通常采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，這類(lèi)水泥特別是三北地區(qū)生產(chǎn)的水泥含堿量一般較高;機(jī)場(chǎng)道面混凝土的水泥用量一般都在300kg/m3以上，且經(jīng)常處在地面的潮濕環(huán)境中，因而發(fā)生堿集料反應(yīng)的可能性較大，采取預(yù)防措施尤為必要。

　　3、水泥混凝土堿集料反應(yīng)的預(yù)防??

　　混凝土發(fā)生堿集料反應(yīng)的條件是集料的堿活性、水泥的含堿量大或由其它途徑得到堿以及潮濕的外部環(huán)境，預(yù)防堿集料反應(yīng)也應(yīng)圍繞這三個(gè)方面采取相應(yīng)的措施。

　　3.1　選擇集料?集料的堿活性成分和反應(yīng)性大小與材料來(lái)源密切相關(guān)。在選擇集料時(shí)應(yīng)展開(kāi)廣泛的調(diào)查和試驗(yàn)，選擇和開(kāi)采沒(méi)有堿活性或堿活性較低的料源。能與堿反應(yīng)的礦物巖石是普遍的，選擇完全沒(méi)有堿活性的集料是困難的，堿活性的高低是相對(duì)的，而不是絕對(duì)的。

　　3.2　采用低堿水泥

　　目前常用的硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥含堿量較高。為了減少堿集料反應(yīng)，應(yīng)盡量使用含堿量(以氧化鈉計(jì))不大于0.6%的低堿水泥。然而目前國(guó)內(nèi)外水泥生產(chǎn)為節(jié)省能源、保護(hù)環(huán)境，改濕法生產(chǎn)為干法生產(chǎn)，并回收利用含堿的窯爐廢氣和含堿量較高的窯灰，低堿水泥較難獲得，必要時(shí)可聯(lián)系廠家組織專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)。

　　3.3　加入火山灰類(lèi)材料?在混凝土混合料中摻入某些水硬性材料如粉煤灰、礦渣、硅灰等礦物混合材料既可節(jié)省部分水泥又可有效抑制堿集料反應(yīng)，其中粉煤灰是最容易得到的材料。在混凝土中摻加粉煤灰能及時(shí)吸收混凝土中的堿，并且能提高混凝土的抗?jié)B性，阻滯水分和堿離子進(jìn)入混凝土內(nèi)部和向集料附近的遷移，是技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的方法。在摻入粉煤灰時(shí)應(yīng)盡量使用低堿(小于1.5%)、低鈣(小于10%)粉煤灰，并控制摻入劑量，一般來(lái)說(shuō)粉煤灰的最佳摻量占膠凝材料總重量的25%-30%，在最佳摻量的條件下，混凝土的強(qiáng)度、和易性以及抑制堿集料反應(yīng)的效果均較好。?

　　3.4　為混凝土創(chuàng)造相對(duì)干燥的外部環(huán)境?有關(guān)文獻(xiàn)指出，當(dāng)相對(duì)濕度低于80%時(shí)，混凝土不會(huì)發(fā)生堿集料反應(yīng)?；炷两Y(jié)構(gòu)特別是機(jī)場(chǎng)道面或公路路面在完全干燥的環(huán)境下使用是不可能的，美國(guó)加利福利亞南部沙漠公路的實(shí)測(cè)表明，即使在夏天大多數(shù)混凝土路面5cm以下的相對(duì)濕度也大于80%，但創(chuàng)造相對(duì)干燥的外部環(huán)境對(duì)防止或減輕堿集料反應(yīng)是有利的。主要措施有：通過(guò)道(路)面和排水設(shè)計(jì)迅速有效的排除道(路)面上的雨水;加強(qiáng)道基排水防止道基過(guò)濕;隔絕土基毛細(xì)水上升，特別是在鹽漬土地區(qū);提高混凝土密實(shí)度和抗?jié)B性;加強(qiáng)道(路)面接縫的日常維護(hù)，提高道(路)面接縫的密封程度。

　　3.5　已鋪筑混凝土道(路)面堿集料反應(yīng)的抑制美國(guó)的戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)提出了一種使用化學(xué)阻制劑來(lái)抑制堿集料反應(yīng)的方法。即在混凝土道(路)面上噴灑鋰鹽，尤其是氫氧化鋰溶液最好，它對(duì)于新舊混凝土中的堿集料反應(yīng)有很好的抑制效果，可以限制混凝土的進(jìn)一步膨脹，延長(zhǎng)(路)面的使用壽命?？傊?，要預(yù)防混凝土的堿集料反應(yīng)需要采取一系列綜合措施，步步設(shè)防，才能有效地預(yù)防堿集料反應(yīng)。

　　4、預(yù)防堿集料反應(yīng)的實(shí)踐??

　　空軍為防止堿集料反應(yīng)制定了一系列措施，涉及道面材料、道面設(shè)計(jì)和施工等方面，現(xiàn)結(jié)合機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)和施工的工程實(shí)踐，給出預(yù)防堿集料反應(yīng)的具體做法。

　　4.1　環(huán)境調(diào)查與材料選擇

　　4.1.1　環(huán)境調(diào)查?

　　環(huán)境調(diào)查是調(diào)查機(jī)場(chǎng)附近5年以上的水泥混凝土工程，判斷是否有堿集料反應(yīng)現(xiàn)象，分析產(chǎn)生堿集料反應(yīng)原因，以便在工程中采取有效的預(yù)防措施。

　　4.1.2　材料選擇

　　(1)水泥：當(dāng)混凝土集料中含有堿活性成分時(shí)，嚴(yán)格水泥的含堿量，水泥的含堿量以當(dāng)量氧化鈉(Na2O+0.658K2O)計(jì)，不得超過(guò)0.6%.

　　(2)砂：當(dāng)工程所在地出現(xiàn)過(guò)堿集料反應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，對(duì)混凝土用砂要進(jìn)行堿活性試驗(yàn)，當(dāng)測(cè)定含有活性二氧化硅和活性碳酸鹽成分時(shí)不得使用。

　　(3)石料：當(dāng)工程所在地出現(xiàn)過(guò)堿集料反應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，對(duì)混凝土用石料要進(jìn)行堿活性試驗(yàn)，當(dāng)測(cè)定含有活性二氧化硅(如蛋白石、玉髓、磷石英、應(yīng)變石英、玻璃體等)和活性碳酸鹽成分(如泥質(zhì)白云石質(zhì)石灰石、蛭石)等堿活性成分時(shí)不得使用。?

　　當(dāng)砂、石料含有堿活性成分，在特殊情況下需使用時(shí)，控制混凝土的堿含量，每m3混凝土的含堿量應(yīng)不超過(guò)2kg(計(jì)算方法參見(jiàn)《混凝土堿含量限定標(biāo)準(zhǔn)》)。當(dāng)超過(guò)時(shí)應(yīng)采用低堿水泥，并進(jìn)行堿集料反應(yīng)試驗(yàn)，確?；炷敛粫?huì)發(fā)生堿集料反應(yīng)。

　　(4)外加劑：在混凝土摻加外加劑時(shí)要防止導(dǎo)致堿集料反應(yīng)和其它副作用，嚴(yán)格限制使用高堿外加劑。

　　4.2　設(shè)計(jì)地勢(shì)、排水設(shè)計(jì)，要盡快排除道面雨水徑流，跑道道面盡量采用8‰-10‰雙向橫坡，兩側(cè)道肩坡度適當(dāng)加大，跑道兩側(cè)土質(zhì)地區(qū)為15‰-20‰，土質(zhì)表面要比道面低2-3cm，道坪中不宜采用V形溝、集水井的排水方案。

　　道基處在地下水位較高時(shí)，應(yīng)做好道基的排水;當(dāng)土質(zhì)為鹽漬土或土中硫酸鹽、堿性鹽含量大時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況采取換土、降低地下水位、做隔離層等措施;土質(zhì)為粉砂、地下水位較高時(shí)，應(yīng)采取隔離毛細(xì)水等措施。?舊道面修建加鋪層時(shí)，不應(yīng)采用松散材料作隔離層，可用油氈、塑料布、瀝青砂等作隔離層。舊道面凹陷的處理不能采用材料找平，宜采用低標(biāo)號(hào)混凝土(或貧混凝土)等不透水材料找平。

　　4.3　施工?

　　水泥混凝土配合設(shè)計(jì)控制混凝土的堿含量，即每m3混凝土的含堿量應(yīng)不超過(guò)2kg.當(dāng)超過(guò)時(shí)應(yīng)進(jìn)行堿集料反應(yīng)，如試驗(yàn)發(fā)生堿—硅酸反應(yīng)，應(yīng)采用低堿水泥、低活性或非活性集料;如試驗(yàn)發(fā)生堿—碳酸鹽反應(yīng)，應(yīng)嚴(yán)禁使用堿活性集料。?

　　施工準(zhǔn)備階段做好全場(chǎng)臨時(shí)排水，防洪排澇;做好道基施工，防止出現(xiàn)不均勻沉陷，造成道面和道基積水?；炷恋陌韬陀盟?，應(yīng)嚴(yán)格按配合比控制。嚴(yán)格遵守規(guī)范進(jìn)行混凝土的攪拌和振搗，確保混凝土充分拌和、水泥充分水化，提高混凝土的密實(shí)性和均勻性;采用真空吸水工藝時(shí)，采用吸水時(shí)間和吸水量雙重控制，以期保證吸水效果同時(shí)帶走混凝土中部分已溶于水的堿。積極采用新工藝、新技術(shù)和新材料，提高混凝土的質(zhì)量，主要有在道面混凝土中摻粉煤灰、推廣真空吸水工藝等。

　　近幾年來(lái)，由于我們?cè)跈C(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面的設(shè)計(jì)和施工時(shí)始終把預(yù)防堿集料反應(yīng)放在重要地位，在工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)和施工的各個(gè)環(huán)節(jié)都給予充分重視，新建和翻建的機(jī)場(chǎng)中沒(méi)有再發(fā)生堿集料反應(yīng)，證明這些措施是行之有效的。

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