機場水泥混凝土道面堿集料反應的預防

1　概述

　　機場道面是供飛機起飛、著陸、停放和組織并保障飛行活動的場所，是機場的重要設施。目前我國軍用機場和民用機場道面，絕大部分是水泥混凝土道面，水泥混凝土道面以其強度高、耐久性好、維護費用低而受青睞。然而，70年代中期新建的機場道面使用3～5年開始陸續(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構破壞，而是在道面設計使用年限內(nèi)，在正常荷載和環(huán)境條件下，道面混凝土過早地失去了其良好的品質(zhì)和優(yōu)良性能，這種破壞稱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、溫度應力和凍融；化學腐蝕(主要是硫酸鹽侵蝕和鹽析)；堿集料反應。其中主要的和危害最大的是堿集料反應。

　　早在30所代人們對堿集料反應就有所認識，自美國T.E.Stoan在1941年發(fā)表了第一篇有關堿集料反應以來，堿集料反應引起了世界各國的重視。我國從建國初期到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降低。正是由于這個原因，在80年代前我國工程界中沒有堿集料反應引起破壞的工程實例。80年代開始陸續(xù)發(fā)生了一些堿集料反應的工程實例，其中有××個機場的水泥混凝土道面發(fā)生了不同程度的堿集料反應，發(fā)生堿集料反應的機場大部分是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，特別是這個時期生產(chǎn)的水泥含堿量大都在1.2%以上，有的高達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)堿集料反應的內(nèi)在條件。

　　進入90年代以來，人們普遍認識到堿集料反應的嚴重后果，對提高混凝土耐久性的要求日益迫切。1992年第九屆國際混凝土堿集料反應會議在倫敦召開，同年在新德里召開了國際水泥化學會議，把水泥混凝土的耐久性列為重要議題，其中包括對混凝土堿集料反應的研究成果，把堿集料反應的研究推向了一個新階段。80年代末，在發(fā)現(xiàn)多起堿集料反應的情況下我國也開始視此項研究，長江科學院和南京化工學院進行了大量的研究工作。1993重年設部修訂的建混凝土細、粗集料標準(JGJ52-92、JGJ53-92)和1994年交通部發(fā)布的《公路工程集料試驗規(guī)程(JTJ058-94)》，都增加了集料堿活性的檢測方法，使我國在堿集料反應的預防有章可循。在80年代末空軍就開展了預防機場道面堿集料反應的研究工作，空軍在1992年8月發(fā)布《空軍機場水泥混凝土道面預防腐蝕的技術措施(試行)》，對預防機場水泥混凝土道面堿集料反應起了積極的作用，證明是行之有效的。
 
　　本文從目前國內(nèi)外研究情況出發(fā)，闡述了水泥混凝土道面堿集料反應的形成過程及對機場道面的危害，結合機場道面設計和施工的工程實踐經(jīng)驗，提出了預防機場道面堿集料反應的措施。

2　機場道面堿集料反應的形成和對機場道面的危害

　　水泥混凝土中的堿集料反應有堿—硅酸反應和堿—碳酸鹽反應兩種形式。堿—硅酸反應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，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，體積也會膨脹，使混凝土開裂，與堿—硅酸反應不同的是，堿—碳酸鹽反應繼續(xù)產(chǎn)生堿，繼續(xù)反復與白云石反應。

　　堿集料反應的機場道面有以下特征：堿—碳酸鹽反應表現(xiàn)為混凝土集料的周圍和縫隙間有硅酸凝膠存在或滲出；堿—碳酸鹽反應表現(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)樹枝狀、網(wǎng)狀裂縫(龜裂)，在集料處膨脹、開裂。盡管這些裂縫并不會使道面完全破壞，卻降低了機場道面的其它使用功能、降低道面的服務水平，加速道面破壞，縮短道面的使用壽命。

　　機場道面混凝土通常采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，這類水泥特別是三北地區(qū)生產(chǎn)的水泥含堿量一般較高；機場道面混凝土的水泥用量一般都在300kg/m3以上，且經(jīng)常處在地面的潮濕環(huán)境中，因而發(fā)生堿集料反應的可能性較大，采取預防措施尤為必要。

3　水泥混凝土堿集料反應的預防

　　混凝土發(fā)生堿集料反應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，預防堿集料反應也應圍繞這三個方面采取相應的措施。

3.1　選擇集料

　　集料的堿活性成分和反應性大小與材料來源密切相關。在選擇集料時應展開廣泛的調(diào)查和試驗，選擇和開采沒有堿活性或堿活性較低的料源。能與堿反應的礦物巖石是普遍的，選擇完全沒有堿活性的集料是困難的，堿活性的高低是相對的，而不是絕對的。

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，應盡量使用含堿量(以氧化鈉計)不大于0.6%的低堿水泥。然而目前國內(nèi)外水泥生產(chǎn)為節(jié)省能源、保護環(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，必要時可聯(lián)系廠家組織專門生產(chǎn)。
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3.3　加入火山灰類材料

　　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，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入混凝土內(nèi)部和向集料附近的遷移，是技術上可行、經(jīng)濟上合理的方法。在摻入粉煤灰時應盡量使用低堿(小于1.5%)、低鈣(小于10%)粉煤灰，并控制摻入劑量，一般來說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，混凝土的強度、和易性以及抑制堿集料反應的效果均較好。

3.4　為混凝土創(chuàng)造相對干燥的外部環(huán)境

　　有關文獻指出，當相對濕度低于80%時，混凝土不會發(fā)生堿集料反應。混凝土結構特別是機場道面或公路路面在完全干燥的環(huán)境下使用是不可能的，美國加利福利亞南部沙漠公路的實測表明，即使在夏天大多數(shù)混凝土路面5cm以下的相對濕度也大于80%，但創(chuàng)造相對干燥的外部環(huán)境對防止或減輕堿集料反應是有利的。主要措施有：通過道(路)面和排水設計迅速有效的排除道(路)面上的雨水；加強道基排水防止道基過濕；隔絕土基毛細水上升，特別是在鹽漬土地區(qū)；提高混凝土密實度和抗?jié)B性；加強道(路)面接縫的日常維護，提高道(路)面接縫的密封程度。
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3.5　已鋪筑混凝土道(路)面堿集料反應的抑制

　　美國的戰(zhàn)略公路研究計劃(SHRP)提出了一種使用化學阻制劑來抑制堿集料反應的方法。即在混凝土道(路)面上噴灑鋰鹽，尤其是氫氧化鋰溶液最好，它對于新舊混凝土中的堿集料反應有很好的抑制效果，可以限制混凝土的進一步膨脹，延長(路)面的使用壽命。

　　總之，要預防混凝土的堿集料反應需要采取一系列綜合措施，步步設防，才能有效地預防堿集料反應。

4　預防堿集料反應的實踐

　　空軍為防止堿集料反應制定了一系列措施，涉及道面材料、道面設計和施工等方面，現(xiàn)結合機場道面設計和施工的工程實踐，給出預防堿集料反應的具體做法。

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)查機場附近5年以上的水泥混凝土工程，判斷是否有堿集料反應現(xiàn)象，分析產(chǎn)生堿集料反應原因，以便在工程中采取有效的預防措施。

4.1.2　材料選擇

　　(1)水泥：當混凝土集料中含有堿活性成分時，嚴格水泥的含堿量，水泥的含堿量以當量氧化鈉(Na2O+0.658K2O)計，不得超過0.6%。

　　(2)砂：當工程所在地出現(xiàn)過堿集料反應現(xiàn)象時，對混凝土用砂要進行堿活性試驗，當測定含有活性二氧化硅和活性碳酸鹽成分時不得使用。

　　(3)石料：當工程所在地出現(xiàn)過堿集料反應現(xiàn)象時，對混凝土用石料要進行堿活性試驗，當測定含有活性二氧化硅(如蛋白石、玉髓、磷石英、應變石英、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)等堿活性成分時不得使用。

　　當砂、石料含有堿活性成分，在特殊情況下需使用時，控制混凝土的堿含量，每m3混凝土的含堿量應不超過2kg(計算方法參見《混凝土堿含量限定標準》)。當超過時應采用低堿水泥，并進行堿集料反應試驗，確?；炷敛粫l(fā)生堿集料反應。
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　　(4)外加劑：在混凝土摻加外加劑時要防止導致堿集料反應和其它副作用，嚴格限制使用高堿外加劑。

4.2　設計

　　地勢、排水設計，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，兩側道肩坡度適當加大，跑道兩側土質(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，應做好道基的排水；當土質(zhì)為鹽漬土或土中硫酸鹽、堿性鹽含量大時，應根據(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，應采取隔離毛細水等措施。

　　舊道面修建加鋪層時，不應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，宜采用低標號混凝土(或貧混凝土)等不透水材料找平。

4.3　施工

　　水泥混凝土配合設計控制混凝土的堿含量，即每m3混凝土的含堿量應不超過2kg。當超過時應進行堿集料反應，如試驗發(fā)生堿—硅酸反應，應采用低堿水泥、低活性或非活性集料；如試驗發(fā)生堿—碳酸鹽反應，應嚴禁使用堿活性集料。
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　　施工準備階段做好全場臨時排水，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。

　　混凝土的拌和用水量，應嚴格按配合比控制。嚴格遵守規(guī)范進行混凝土的攪拌和振搗，確?；炷脸浞职韬汀⑺喑浞炙?，提高混凝土的密實性和均勻性；采用真空吸水工藝時，采用吸水時間和吸水量雙重控制，以期保證吸水效果同時帶走混凝土中部分已溶于水的堿。
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　　積極采用新工藝、新技術和新材料，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，由于我們在機場水泥混凝土道面的設計和施工時始終把預防堿集料反應放在重要地位，在工程可行性研究、初步設計、施工圖設計和施工的各個環(huán)節(jié)都給予充分重視，新建和翻建的機場中沒有再發(fā)生堿集料反應，證明這些措施是行之有效的。