機場水泥混凝土道面堿集料反應(yīng)的預(yù)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(shè)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(jié)構(gòu)破壞，而是在道面設(shè)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(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所代人們對堿集料反應(yīng)就有所認識，自美國T.E.Stoan在1941年發(fā)表了第一篇有關(guān)堿集料反應(yīng)以來，堿集料反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，發(fā)生堿集料反應(yīng)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(guān)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)會議在倫敦召開，同年在新德里召開了國際水泥化學(xué)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(yīng)的研究成果，把堿集料反應(yīng)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(yīng)的情況下我國也開始視此項研究，長江科學(xué)院和南京化工學(xué)院進行了大量的研究工作。1993重年設(shè)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(yīng)的預(yù)防有章可循。在80年代末空軍就開展了預(yù)防機場道面堿集料反應(yīng)的研究工作，空軍在1992年8月發(fā)布《空軍機場水泥混凝土道面預(yù)防腐蝕的技術(shù)措施(試行)》，對預(yù)防機場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)的形成過程及對機場道面的危害，結(jié)合機場道面設(shè)計和施工的工程實踐經(jīng)驗，提出了預(yù)防機場道面堿集料反應(yīng)的措施。

2　機場道面堿集料反應(yīng)的形成和對機場道面的危害

　　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)，體積也會膨脹，使混凝土開裂，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)的機場道面有以下特征：堿—碳酸鹽反應(yīng)表現(xiàn)為混凝土集料的周圍和縫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(wù)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(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)性大小與材料來源密切相關(guān)。在選擇集料時應(yīng)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(yīng)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(yīng)，應(yīng)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(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(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的方法。在摻入粉煤灰時應(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(yīng)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(guān)文獻指出，當(dāng)相對濕度低于80%時，混凝土不會發(fā)生堿集料反應(yīng)?；炷两Y(jié)構(gòu)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(yīng)是有利的。主要措施有：通過道(路)面和排水設(shè)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(yīng)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(xué)阻制劑來抑制堿集料反應(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一步膨脹，延長(路)面的使用壽命。

　　總之，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)計和施工等方面，現(xiàn)結(jié)合機場道面設(shè)計和施工的工程實踐，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(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，嚴格水泥的含堿量，水泥的含堿量以當(dāng)量氧化鈉(Na2O+0.658K2O)計，不得超過0.6%。

　　(2)砂：當(dāng)工程所在地出現(xiàn)過堿集料反應(yīng)現(xiàn)象時，對混凝土用砂要進行堿活性試驗，當(dāng)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(dāng)工程所在地出現(xiàn)過堿集料反應(yīng)現(xiàn)象時，對混凝土用石料要進行堿活性試驗，當(dāng)測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，控制混凝土的堿含量，每m3混凝土的含堿量應(yīng)不超過2kg(計算方法參見《混凝土堿含量限定標準》)。當(dāng)超過時應(yīng)采用低堿水泥，并進行堿集料反應(yīng)試驗，確?；炷敛粫l(fā)生堿集料反應(yīng)。
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　　(4)外加劑：在混凝土摻加外加劑時要防止導(dǎo)致堿集料反應(yīng)和其它副作用，嚴格限制使用高堿外加劑。

4.2　設(shè)計

　　地勢、排水設(shè)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(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，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，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，應(yīng)采取隔離毛細水等措施。

　　舊道面修建加鋪層時，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(shè)計控制混凝土的堿含量，即每m3混凝土的含堿量應(yīng)不超過2kg。當(dāng)超過時應(yīng)進行堿集料反應(yīng)，如試驗發(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；如試驗發(fā)生堿—碳酸鹽反應(yīng)，應(yīng)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(yīng)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?、水泥充分水化，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(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，由于我們在機場水泥混凝土道面的設(shè)計和施工時始終把預(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、施工圖設(shè)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(yīng)，證明這些措施是行之有效的。