劉慶濤，岑國平，蔡良才，吳永根，吳和盛，陳福年，黃慶國，朱志遠

(1.空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院，陜西 西安，710038；2.空軍第六空防工程處，湖南 衡陽，421001；3.蘭州軍區(qū)空軍后勤部，甘肅 蘭州，730020)

再生混凝土是將廢棄混凝土塊經(jīng)破碎、清洗、分級和按一定比例配合后得到的“再生骨料”，作為部分或全部骨料代替天然骨料配制的混凝土(也稱再生骨料混凝土，Recycled aggregate concrete, RAC)，是一種新型綠色環(huán)?；炷羀1-2]。機場道面混凝土屬于大面積露天澆筑的混凝土，承受環(huán)境和飛機荷載的長期破壞作用，如反復(fù)作用的溫度應(yīng)變、干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、飛機除冰液浸泡及機輪磨蝕等，可能產(chǎn)生表面裂縫、剝落、腐蝕與磨蝕等耐久性破壞，影響道面的使用壽命[3]。在機場道面翻修、改(擴)建工程會產(chǎn)生大量的廢棄混凝土，利用這些廢棄混凝土配制道面再生混凝土用于機場道面工程，關(guān)鍵要解決耐久性破壞的難題。但目前，對再生混凝土的研究，主要集中在建筑工程和少量低等級道路工程[1,4-8]，這類工程再生混凝土強度等性能要求較低，在高等級道路，特別是機場工程中研究應(yīng)用再生混凝土很少。本文作者采用摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效外加劑的“雙摻”技術(shù)，對機場道面再生混凝土的物理力學(xué)性能和耐久性進行試驗研究，并進行現(xiàn)場應(yīng)用，以便為在機場道面工程中推廣應(yīng)用再生混凝土提供參考。

1 試驗原材料與配合比

1.1 試驗原材料

1.1.1 水泥

陜西耀縣秦嶺牌42.5R普通硅酸鹽水泥，密度為3.10 g/cm3，28 d抗折強度、抗壓強度分別為8.94和51.7 MPa。

1.1.2 粗骨料

(1)再生粗骨料：① 空軍XN機場舊跑道道面混凝土破碎再生骨料，粒徑為5～20 mm和20～40 mm的骨料的質(zhì)量比為40:60，級配合格，密度為2.51 g/cm3，堆積密度為1 394 kg/m3；② 實驗室廢棄混凝土試件破碎再生骨料，粒徑為5～20 mm和20～40 mm的骨料的質(zhì)量比為40:60，級配合格，密度為2.54 g/cm3，堆積密度為1 425 kg/m3；

(2)天然粗骨料：陜西涇陽石灰?guī)r碎石，粒徑為5～20 mm和20～40 mm的骨料的質(zhì)量比為40:60，級配合格，密度為2.75 g/cm3，堆積密度為1 690 kg/m3。

1.1.3 細骨料

陜西灞河中砂，細度模數(shù)為2.78，Ⅱ區(qū)，級配合格，密度為2.63 g/cm3，堆積密度為1 500 kg/m3，含泥量為1.2%。

1.1.4 粉煤灰

Ⅱ級粉煤灰，細度(45 μm篩余量)為13.7%，密度為2.2 g/cm3，需水量比為91%。

1.1.5 外加劑

(1)FDN高效減水劑，建議摻量為膠凝材料用量的0.5%～1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，減水率20%以上；

(2)FAC聚羧酸減水劑，建議摻量為膠凝材料用量的0.7%～1.5%，減水率為20%～40%；

(3)SDJ聚羧酸引氣減水劑，建議摻量為膠凝材料用量的0.5%～1.2%，減水率為20%～35%，引氣量為3%～5%；

(4)松香類引氣劑，建議摻量為膠凝材料用量的0.3‰～0.6‰，引氣量為3%～6%。

1.2 試驗配合比

1.2.1 設(shè)計指標(biāo)

維勃稠度為10～15 s，由于再生骨料孔隙多，吸水率大，且大部分水分是在30 min內(nèi)吸收的，新拌混凝土的工作性在此時間內(nèi)有較大損失，針對此特點，考慮施工等因素，工作性要求比天然骨料道面混凝土的維勃稠度15～30 s時的要求稍小[9]。

設(shè)計抗折強度等級為5.0 MPa，按施工控制水平優(yōu)秀考慮，混凝土抗折強度標(biāo)準(zhǔn)差取0.4 MPa，則實驗室配制抗折強度為5.66 MPa[9]。

1.2.2 配合比設(shè)計

根據(jù)上述試驗用材料的有關(guān)參數(shù)和配合比設(shè)計指標(biāo)，在馬國靖等[10-12]的研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)的配合比設(shè)計規(guī)范[9,13]，考慮到施工方便，結(jié)合張亞梅等[14]的再生骨料預(yù)吸水法，采取絕對密實體積法和獨立設(shè)計法進行道面再生混凝土的配合比設(shè)計。通過試拌調(diào)整，對水泥用量、水灰比、粉煤灰摻量、砂率和外加劑摻量進行優(yōu)選，確定道面再生混凝土以及天然骨料混凝土配合比，并測定新拌混凝土的Vb稠度和含氣量，如表1所示，其中，Z1FD，Z1FA和Z1S為摻加3種不同減水劑的道面再生混凝土；TFD，TFA和TS為對比試驗研究的3個同配比天然骨料混凝土；P為普通道面混凝土；Z2SY為用再生骨料Z2配制再生混凝土。這些配比的混凝土的工作性均滿足道面混凝土設(shè)計要求，后述道面再生混凝土的性能試驗研究與應(yīng)用均依此進行。

表1 道面混凝土試驗配合比Table1 Test mix proportions of pavement concrete

2 道面再生混凝土的性能

2.1 強度

依據(jù)表1所確定的配合比，按規(guī)范要求成型試件，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護，測定28 d強度，結(jié)果如表2所示。

表2 道面混凝土的強度Table2 Strength of pavement concrete

從表2可以看出：與普通道面混凝土相比，道面再生混凝土抗折強度和抗壓強度分別提高4%～11%和1%～7%。這是由于摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效外加劑，改善了道面再生混凝土的工作性，降低再生混凝土的水膠比，使道面再生混凝土成型更密實，且由于粉煤灰顆粒的微集料效應(yīng)提高了水泥漿體的密實度和強度。但與同配比天然骨料混凝土相比，道面再生混凝土抗折強度降低15%左右，抗壓強度與同配比天然骨料混凝土基本相同。這是由于抗折強度對再生骨料的裂縫、孔隙等原生缺陷比較敏感，但仍完全滿足機場道面設(shè)計指標(biāo)要求。

2.2 抗凍性能

抗凍性是指混凝土在水飽和狀態(tài)下能經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用而不被破壞的性能，常作為衡量混凝土耐久性的重要指標(biāo)之一?？箖鲂栽囼灠凑铡镀胀ɑ炷灵L期性能與耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中快速凍融試驗方法進行[15]，試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：道面再生混凝土抗凍性能比普通道面混凝土提高很多。普通道面混凝土抗凍等級為F75，道面再生混凝土Z1FD，Z1FA，Z1S和Z2SY抗凍等級分別為F100，F(xiàn)100，F(xiàn)150和F250，分別較普通道面混凝土提高33%，33%，100%和233%。特別是道面再生混凝土Z2SY的抗凍性能提高更明顯，其抗凍等級高達F250，可以滿足嚴(yán)寒地區(qū)道面混凝土抗凍要求[8]。其原因在于摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和外加劑，降低再生混凝土水膠比，改善再生混凝土過渡區(qū)，引氣劑在混凝土中引入穩(wěn)定微小勻質(zhì)獨立氣泡，緩解了凍融過程中產(chǎn)生的冰脹壓力和毛細孔水的滲透壓力，因而提高了道面再生混凝土的抗凍性能。而道面再生混凝土抗凍性能比同配比天然骨料混凝土稍低。原因是再生骨料含有舊砂漿，生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生裂縫，較天然骨料強度低、吸水率大，抵抗凍脹能力稍低。

2.3 抗?jié)B性能

機場道面混凝土大面積鋪筑在露天環(huán)境之中，主要承受水、除冰鹽中的Cl-等的滲透，故采用了靜水壓力法與氯離子滲透法相結(jié)合的方法，研究分析道面再生混凝土的抗?jié)B性能。靜水壓力法參照《普通混凝土長期性能與耐久性試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進行[15]，氯離子滲透試驗依據(jù)ASTM C1202-05的快速測試方法規(guī)定進行[16]，試驗結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：道面再生混凝土抗?jié)B性能比普通道面混凝土好得多。普通道面混凝土在壓力為1.1 MPa時試件表面已經(jīng)滲水，而道面再生混凝土在壓力為4.1 MPa時試件表面均無滲水，劈開試件測其滲水高度，分別為37，58和27 mm；道面再生混凝土Cl-滲透6 h通過電量分別為普通道面混凝土的67%，67%和65%，抗?jié)B性能均較普通混凝土有較大提升，預(yù)期可以有效阻止水等侵蝕介質(zhì)侵入混凝土，提高道面再生混凝土耐久性能。這是由于摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和外加劑，降低再生混凝土水膠比，改善了道面再生混凝土的工作性，提高了道面再生混凝土的密實度，過渡區(qū)結(jié)構(gòu)大大改善，因而道面再生混凝土的抗?jié)B性能較普通混凝土大大提高。另外，加入引氣減水劑，在混凝土中引入微小勻質(zhì)氣泡，切斷了有害液體侵入混凝土內(nèi)部的路徑。與同配比天然骨料混凝土相比，道面再生混凝土抗?jié)B性稍低。其原因是再生骨料含有砂漿，生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生裂縫、孔隙率大，但靜水壓力抗?jié)B等級均在P12以上，二者均具有良好的抗?jié)B性能。

表3 道面混凝土抗凍性能試驗結(jié)果Table3 Test results of pavement concrete’s frost resistances

表4 道面混凝土抗?jié)B試驗結(jié)果Table4 Test results of pavement concrete’s impermeability

2.4 耐磨性能

對于機場道面混凝土，飛機起飛和著陸時高速滑跑，與道面混凝土表面接觸產(chǎn)生很大的摩擦力，對混凝土表面有很大的磨損破壞作用，還會導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低，發(fā)生飛行事故，因此，耐磨性能是機場道面混凝土的一個很重要的性能指標(biāo)。耐磨性能試驗依據(jù)《混凝土及其制品耐磨性試驗方法》的規(guī)定[17]進行，制備邊長為150 mm的立方體試件，每組5個，受磨面平整，在標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護28 d后進行試驗。采用NS-2型滾珠軸承式耐磨試驗機，磨頭每轉(zhuǎn)1 000轉(zhuǎn)，耐磨機自動停機，測量磨槽深度。直至磨頭轉(zhuǎn)數(shù)達5 000轉(zhuǎn)或磨槽深度達1.5 mm以上時，試驗結(jié)束。

耐磨度按下式計算：

式中：Ia為耐磨度，精確至0.01；R為磨頭轉(zhuǎn)數(shù)，千轉(zhuǎn)；P為磨槽深度，mm。試驗結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出：道面再生混凝土耐磨性能比普通道面混凝土好，較普通混凝土分別提高了36%，25%和18%。其原因在于摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和外加劑，改善了道面再生混凝土的工作性，使混凝土成型更密實，表面致密。降低了道面再生混凝土的水膠比，且由于粉煤灰顆粒的微集料填充效應(yīng)提高了水泥漿體的密實度和強度，從而提高道面再生混凝土的耐磨性能。道面再生混凝土耐磨性能比同配比天然骨料混凝土稍差，分別較同配比天然骨料混凝土低7%，8%和10%。這是由于再生骨料存在微裂縫，孔隙率大，含有較軟弱的砂漿。

表5 道面混凝土耐磨試驗結(jié)果Table5 Test results of pavement concrete’s abrasion resistances

3 道面混凝土微觀分析

為了進一步研究再生道面混凝土性能與普通混凝土、同配比天然骨料混凝土差異的根本原因，有必要對其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進行分析。對普通道面混凝土、再生道面混凝土、同配比天然骨料混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行電鏡掃描和能譜分析，結(jié)果如圖1～3所示。

圖1 普通道面混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Inside structure of normal pavement concrete

由圖1可以看出：普通道面混凝土內(nèi)部有明顯的裂縫孔隙。其過渡區(qū)中的水化產(chǎn)物Ca(OH)2晶粒大且集中，比較疏松，對混凝土強度特別是抗折強度極為不利。因為抗折強度對混凝土的微裂縫等內(nèi)部缺陷比較敏感，同時疏松的過渡區(qū)對混凝土的抗凍、抗?jié)B等耐久性能也有很大的影響，為水分遷移提供通道，降低混凝土的抗凍、抗?jié)B性能。

從圖2(a)可以看出：道面再生混凝土內(nèi)部骨料與舊砂漿界面處有一些明顯的裂縫。其原因可能是在再生骨料生產(chǎn)過程中，由于機械作用力，原骨料與舊砂漿的界面是軟弱過渡區(qū)，界面很容易破壞，產(chǎn)生裂縫，對道面再生混凝土的強度和耐久性產(chǎn)生了一定的不利影響。但由圖2(b)可以看出：顆粒很細的粉煤灰對裂縫的填充強化作用?？梢姡旱烂嬖偕炷列阅苋詢?yōu)于普通道面混凝土。

圖2 再生道面混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.2 Inside structure of recycled pavement concrete

同配比天然骨科道面混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖3可以看出：同配比天然骨料道面混凝土內(nèi)部裂縫孔隙很少，骨料與砂漿過渡區(qū)比較致密，沒有像普通道面混凝土那樣有大且集中的Ca(OH)2晶粒，混凝土內(nèi)部其他部分也沒有大且集中的Ca(OH)2晶粒，這是因為摻加粉煤灰，其物理或化學(xué)作用，很好地改善了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖3 同配比天然骨料道面混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Inside structure of the same mix proportion pavement concrete made by natural aggregates

4 現(xiàn)場應(yīng)用

2007年7月，空軍某空防工程處在空軍XN機場備用跑道道面施工中，把拆除的部分機場舊道面混凝土就地破碎、篩分、清洗，用本文實驗室配合比經(jīng)過現(xiàn)場試拌調(diào)整配制再生混凝土，鋪筑機場備用跑道10 000 m2。在空軍HZ機場翻修工程中，也利用拆除的機場舊道面混凝土，配制再生混凝土1 700 m3，用于拖機道道面的施工，共鋪筑道面6 500 m2。

從現(xiàn)場應(yīng)用效果看，本文所提供的配合比能很好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，所配制的再生混凝土和易性好，易于鋪筑，做面、初凝后盡早潮濕養(yǎng)護，養(yǎng)護時間28 d，道面板沒有出現(xiàn)收縮裂縫、斷板等質(zhì)量問題，道面28 d抗折強度均達到5.5 MPa以上，滿足設(shè)計要求。質(zhì)量檢驗共檢測保證項目8項，全部符合規(guī)范及設(shè)計要求，合格率100%；允許偏差項目檢測了平整度、粗糙度、高程、鄰板高差等11個項目，實測714點，其中合格700點，合格率98.0%，完全滿足機場道面使用要求[9]。

從后期道面使用情況看，再生混凝土道面已投入使用4 a，沒有出現(xiàn)表面剝落、掉邊掉角、龜裂斷板等破壞現(xiàn)象，道面狀況良好。

5 結(jié)論

(1)道面再生混凝土抗折強度較普通道面混凝土提高4%～11%，抗凍等級提高200%以上，抗?jié)B等級提高300%以上，耐磨性提高18%～36%，所配制的道面再生混凝土為高性能混凝土，完全滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

(2)優(yōu)質(zhì)粉煤灰和高效外加劑改善了道面再生混凝土過渡區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了再生混凝土土力學(xué)性能和耐久性能。

(3)所配制的機場道面再生混凝土是一種新型綠色環(huán)保混凝土，現(xiàn)場應(yīng)用效果較好，值得在機場道面工程中推廣應(yīng)用，但其大規(guī)模施工技術(shù)和效益分析有待進一步研究。

[1]劉數(shù)華, 冷發(fā)光.再生混凝土技術(shù)[M].北京: 中國建材工業(yè)出版社, 2007: 7-17.LIU Shu-hua, LENG Fa-guang.Technology of recycled aggregate concrete[M].Beijing: China Building Materials Industry Press, 2007: 7-17.

[2]肖建清, 丁德馨, 駱行文, 等.再生混凝土疲勞損傷演化的定量描述[J].中南大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2011, 42(1): 170-176.XIAO Jian-qing, DING De-xin, LUO Xing-wen, et al.Quantitative analysis of damage evolution as recycled concrete approaches fatigue failure[J].Journal of Central South University: Science and Technology, 2011, 42(1): 170-176.

[3]岑國平, 馬國強, 王碩太, 等.機場道面合成纖維混凝土的耐久性[J].交通運輸工程學(xué)報, 2008, 8(3): 43-45, 51.CEN Guo-ping, MA Guo-qiang, WANG Shuo-tai, et al.Durability of synthetic fiber reinforced concrete for airport pavement[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2008, 8(3): 43-45, 51.

[4]Khalaf F M, DeVenny A S.Recycling of demolished masonry rubble as coarse aggregate in concrete: Review[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2004, 16(4): 331-340.

[5]Salem R M, Burdette E G, Jackson N M.Resistance to freezing and thawing of recycled aggregate concrete[J].ACI Materials Journal, 2003, 100(3): 216-220.

[6]Salem R M, Burdette E G.Role of chemical and mineral admixtures on physical properties and frost-resistance of recycled aggregate concrete[J].ACI Materials Journal, 1998,95(5): 558-563.

[7]Ahmad S H, Fisher D G, Sackett K W.Properties of concrete made with North Carolina recycled coarse and fine aggregates[R].Raleigh: Department of Civil Engineering North Carolina State University, 1996: 10-20.

[8]Levy S M, Helene P.Durability of recycled aggregates concrete:A safe way to sustainable development[J].Cement and Concrete Research, 2004, 34(11): 1975-1980.

[9]GJB 1112A—2004, 軍用機場場道工程施工及驗收規(guī)范[S].GJB 1112A—2004, Construction and acceptance specification for flying area engineering of the military airfield[S].

[10]馬國靖, 王碩太, 吳永根, 等.高性能道面混凝土[J].混凝土,2000(6): 3-6, 21.MA Guo-jing, WANG Shuo-tai, WU Yong-gen, et al.High performance pavement concrete[J].Concrete, 2000(6): 3-6, 21.

[11]王碩太, 馬國靖, 朱志遠, 等.高性能道面混凝土配合比設(shè)計[J].公路交通科技, 2007(4): 25-28.WANG Shuo-tai, MA Guo-jing, ZHU Zhi-yuan, et al.Mix design of high performance pavement concrete[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2007(4): 25-28.

[12]GJB 1578—92, 機場道面水泥混凝土配合比設(shè)計技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].GJB 1578—92, Specification for mix proportion design of airfield pavement cement concrete[S].

[13]JGJ 55—2000, 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S].JGJ 55—2000, Specification for mix proportion design of ordinary concrete[S].

[14]張亞梅, 秦鴻根, 孫偉, 等.再生混凝土配合比設(shè)計初探[J].混凝土與水泥制品, 2002(1): 7-9.ZHANG Ya-mei, QIN Hong-gen, SUN Wei, et al.Elementary research of recycled aggregate concrete mix design[J].China Concrete and Cement Products, 2002(1): 7-9.

[15]GB/T 50082—2009, 普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].GB/T 50082—2009, Standard for test methods of long-term performance and durability of ordinary concrete[S].

[16]ASTM C 1202—05, Standard test method for electrical indication of concrete’s ability to resist chloride ion penetration[S].

[17]GB/T 16925—1997, 混凝土及其制品耐磨性試驗方法(滾珠軸承法)[S].GB/T 16925—1997, Test method for abrasion resistances of concrete and it’s products[S].