高抗裂性水泥在北京大兴机场建设中的应用

陈琪，杨文科

（1.福州理工学院 应用科学与工程学院，福建 福州 350003；2.中国民航机场建设集团公司，北京 100101）

0 引言

美国地质调查局（USGS）统计数据显示，近年我国的水泥产量占全球水泥总产量的60%左右，是名副其实的全球水泥制造第一大国。目前，混凝土结构依旧主导我国土木工程结构。混凝土发生裂缝难免，是困扰工程界的难题，影响着结构承载力和安全性、防水性、耐久性，缩短了工程使用寿命。研制一种高抗裂性能的水泥，结合施工工艺和管理，将材料对混凝土裂缝产生的不良影响降到最低，达到控制和消灭裂缝病害，成为必然选择。

1 水泥产品

1.1 水泥产品对工程质量的影响

在现代混凝土结构中，从结构设计、原材料加工、配合比选用、施工过程到施工现场的环境，都存在产生裂缝的因素。施工现场要保证施工质量，必须对进场的砂石料、配合比、施工和养护流程进行严格的质量把控。但水泥的品质，作为上游的工厂产品不在施工现场掌控的能力范围内，也就是说，水泥自身存在的裂缝因素是无法克服的。高性能混凝土不是只要有配合比就能生产出来，而是由包括原材料控制、拌和物生产制备与整个施工过程来实现的[1]。

1.2 高抗裂性优化水泥

北京大兴国际机场的建设，要做到百年工程的要求，就要具备百年耐久性的混凝土，才能确保整体工程质量达到新水平、新高度。对水泥生产过程的每个环节进行精心的研究和设计，生产高抗裂性优化水泥，大幅度降低工程结构裂缝，是确保百年工程的一个关键措施。以GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》中P·O42.5 级水泥为基准，开展了P·O42.5 级高抗裂性硅酸盐优化水泥（以下简称为P·O42.5 级高抗裂优化水泥）的研究。

1.3 硅酸盐水泥生产流程及控制节点

硅酸盐水泥以石灰石作为主要原料，经过破碎及预均化进行生料制备、均化、预热分解，然后喂入窑中煅烧成熟料，再将熟料加适量石膏（有时还掺加混合材料或外加剂）粉磨至适宜的粒度，形成一定的颗粒级配，增大其水化面积，加速水化速度，满足水泥浆体凝结、硬化要求。所以，高抗裂优化水泥在生料制备、均化，熟料的研制烧成、粉磨等节点上进行控制，是研制的控制节点。

1.4 混凝土裂缝成因的水泥因素分析

在混凝土裂缝成因分析中，关于水泥的主要因素有：熟料中C3S 含量越来越高、C3A 的含量影响很大、C2S 的含量越来越少；混合材掺量越来越大，品种越来越多；闭路磨和高效选粉机，并且普遍使用助磨剂；水泥的细度越来越细，颗粒级配不合理；3 d 强度越来越高；出厂存放日期普遍不够等[2]。这些因素成为研究和控制的主要方向。

2 P·O42.5 级高抗裂优化水泥试制过程

2.1 水泥主要原材料的质量指标（见表1）

表1 P·O42.5 级高抗裂优化水泥主要原材料的质量指标

2.2 生料的配合比

经过实验优化的生料配合比见表2。

表2 P·O42.5 级高抗裂优化水泥优化生料配合比%

2.3 煅烧控制

煅烧过程中重点控制项目主要有碱含量、游离氧化钙、硅酸二钙和铝酸三钙，P·O42.5 级高抗裂优化水泥煅烧过程中的重点控制项目指标见表3。

表3 P·O42.5 级高抗裂优化水泥煅烧过程中重点控制项目指标 %

2.4 水泥熟料

水泥熟料是水泥的半成品。硅酸盐水泥熟料中主要氧化物含量一般为：CaO 62%～67%，SiO220%～24%，Al2O34%～7%，Fe2O32.5%～6.0%。P·O42.5 级高抗裂优化水泥熟料的主要化学成分见表4。

表4 P·O42.5 级高抗裂优化水泥熟料的主要化学成分 %

2.5 熟料率值及矿物成分控制

水泥生产中不仅要控制各氧化物含量，还应控制各氧化物之间的比例，即率值。在一定工艺条件下，率值是质量控制的基本要素。作为控制生产的主要指标，我国主要采用石灰饱和系数（KH）、硅率（n）、铝率（p）3 个率值，通常硅酸三钙（C3S）含量为37%～60%；硅酸二钙（C2S）含量为15%～37%；铝酸三钙（C3A）含量为7%～15%；铁铝酸四钙（C4AF）含量为10%～18%。P·O42.5 级高抗裂优化水泥的熟料率值及矿物成分见表5。

表5 P·O42.5 级高抗裂优化水泥熟料率值及矿物成分

2.6 优化后的熟料物理性能

经过实验获得的P·O42.5 级高抗裂优化水泥熟料（过程产品）的物理性能如表6所示。

表6 P·O42.5 级高抗裂优化水泥熟料的物理性能

2.7 水泥粉磨过程中重点控制指标（见表7）

表7 P·O42.5 级高抗裂优化水泥粉磨过程中控制指标

2.8 比较实验

将P·O42.5 级高抗裂优化水泥与普通水泥（P·O42.5 水泥）进行了同等条件下的对比实验，结果如表8所示。

表8 P·O42.5 级高抗裂优化水泥与普通水泥的主要技术性能对比

由表8 可见，P·O42.5 级高抗裂优化水泥与普通水泥相比较，在满足90 d 的抗折和抗压强度的前提下，降低了用水量（稠度），3 d、7 d 水化热均小于普通水泥，干缩率约为普通水泥的50%，使得P·O42.5 级高抗裂优化水泥的抗裂性能得以提高。

2.9 P·O42.5 级高抗裂优化水泥和普通水泥配制C30混凝土的强度比较

分别采用P·O42.5 级高抗裂优化水泥和普通水泥，按照相同配合比配制C30 混凝土，测试其抗压强度。结果表明，普通水泥的水化能力约1 个月内就消耗殆尽，之后抗压强度不再提高；而P·O42.5 级高抗裂优化水泥由于水化热与干缩率低，其抗压强度在28 d 后依旧持续缓慢提高。

通过对水泥生产流程的精心设计，所研制的P·O42.5 级高抗裂优化水泥大幅度降低了C3S、C3A 含量和比表面积，在优化了水泥颗粒的级配和掺合料的掺量后，实验结果表明，在大幅度降低混凝土前3 d 强度的情况下，也大幅度降低了工程结构裂缝。同时，所研制的P·O42.5 级高抗裂优化水泥符合GB 175—2007 对P·O42.5 级水泥的要求。

3 工程试验

3.1 P·O42.5 级高抗裂优化水泥的C30 水泥混凝土配合比试验

为了验证P·O42.5 级高抗裂优化水泥对减少混凝土收缩裂缝的作用，2016年1月北京金隅集团采用P·O42.5 级高抗裂优化水泥进行C30 混凝土配合比试验（采用P·O42.5 级高抗裂优化水泥280 kg/m3，水155 kg/m3，外加剂5.6%，砂960 kg/m3，碎石385 kg/m3，卵石575 kg/m3）。测试项目为3、14、28、60 d 抗压强度，28、60 d 抗折强度，结果表明：与普通水泥相比，优化水泥的水化热和干缩率低，并有较高的后期强度增长率，达到了预期目标。

3.2 P·O42.5 级高抗裂优化水泥的C30 水泥混凝土收缩裂缝路面试验

为了验证P·O42.5 级高抗裂优化水泥对减少混凝土收缩裂缝的作用，2016年3月6日，在北京房山浩然搅拌站内进行了实体工程试验。选择2 块各约300 m2的路面进行混凝土浇筑，路面厚度为20 cm，混凝土强度等级为C30。P·O42.5 级高抗裂优化水泥和普通水泥混凝土（配合比见表9）同步进行浇筑，温度-2～6 ℃，风力4 级。为在极端条件下进行效果对比，所浇筑混凝土采取不养护、不盖布、不切缝的施工措施。混凝土浇筑完后的2、7、14、20、34 d 对开裂情况进行观察，采用P·O42.5 级高抗裂优化水泥浇筑的试验段表面颜色正常，有镜面光泽，无任何裂缝；采用普通水泥浇筑的试验段表面颜色发白，裂缝不断发展并越来越严重。37 d 现场进行了简单的回弹试验，采用P·O42.5 级高抗裂优化水泥的试验段回弹强度为41 MPa，采用普通水泥的试验段回弹强度为32 MPa。

表9 C30 水泥混凝土路面配合比及实测坍落度

3.3 P·O42.5 级高抗裂优化水泥C40 混凝土干缩裂缝实体工程试验

为了验证P·O42.5 级高抗裂优化水泥对减少混凝土干缩裂缝的作用，2016年7月4日，在北京大兴新机场中心实验室和金港项目部的院内进行了实体工程试验。由于只进行干缩试验，采用常规的震捣、抹面、拉毛、养护等道路施工措施。试验选择2 块各约4000 m2的路面同步进行混凝土浇筑，路面厚度为20 cm，混凝土强度等级为C40，试验时温度为24～31 ℃，风力4 级，养护结束后对比干缩情况。实体试验表明，采用普通水泥养护结束后第3 天开始出现干缩裂缝，并发展很快，而采用P·O42.5 级高抗裂优化水泥无任何干缩裂缝出现，证明了其有很好的抗干缩性能。试验所采用的混凝土配合比机实测坍落度见表10。

表10 C40 水泥混凝土干缩裂缝试验配合比及实测坍落度

3.4 道路破坏比较试验

2016年9月14日，在北京大兴新机场建设指挥部、监理、试验和施工等单位的技术人员与专家共同监督下，在北京大兴新机场一条长约6 km 的临时道路上，采用琉璃河水泥厂生产的P·O42.5 级普通水泥，与P·O42.5 级高抗裂优化水泥进行道路破坏的比较试验。在采用相同配合比和施工工艺下，进行混凝土路面的同步浇筑；养护完成后，历经长达8 个月的重车（200 t）反复碾压，再进行道路路面的状态对比，试验结果充分显示出了P·O42.5 级高抗裂优化水泥的强度和优越性，试验后的路面效果见图1、图2。

图1 P·O42.5 级高抗裂优化水泥路面道路破坏试验结果

图2 普通水泥路面道路破坏试验结果

4 P·O42.5 级高抗裂优化水泥使用的其它要求

为了检验P·O42.5 级高抗裂优化水泥在实际工程中的适应性，在北京不同的搅拌站，采用搅拌站实际使用的原材料进行了大量的配合比试验，总结出P·O42.5 级高抗裂优化水泥使用中的注意事项，主要包括：含泥量对混凝土裂缝影响比较大，必须对砂子的含泥量进行严格要求；在不掺其它胶凝材料的前提下，P·O42.5 级高抗裂优化水泥混凝土的各项性能指标完全满足工程使用要求，经济指标良好，所以不提倡再掺其它胶凝材料；外加剂有增加收缩的负面作用，尽可能地降低配合比中外加剂的掺量，并对所用外加剂进行相关收缩试验，选择采用收缩量最小的外加剂。

5 P·O42.5级高抗裂优化水泥混凝土拌合物制备过程控制

5.1 把水泥生产纳入混凝土的质量管理体系

通过实验总结出防止混凝土裂缝的重要因素：把水泥生产纳入混凝土质量管理体系，选用优质的水泥原材料，选用合适的三率值和煅烧、粉磨工艺，严格控制混凝土用砂中的含泥量。

5.2 配合比设计原则

凡是增加混凝土收缩的因素都必须降低甚至排除。（1）坍落度越小，裂缝越少、抗碳化能力及耐久性越好；（2）在满足强度和施工工艺要求的前提下，尽可能增加粗骨料用量，减少浆体体积，同时也会减少水泥用量；（3）在满足强度和施工工艺要求的前提下，尽可能减少水泥用量；（4）在满足工作性能要求的前提下，尽量减少减水剂用量；（5）矿粉会增加混凝土收缩，尽量少用或不用；（6）适当加粉煤灰，以降低水化热，增加和易性。

6 P·O42.5级高抗裂优化水泥混凝土成型施工过程控制

6.1 机场跑道混凝土施工要求

为了尽最大可能减少收缩，确保无裂缝，要求禁止使用矿物掺合料；除引气剂外，不提倡使用其它外加剂；运输的混凝土不能变形，确保是无坍落度混凝土；废浆必须清除；气温28℃以上，风力4 级以上禁止施工；实行多次抹面制度，白天至少4 次抹面，夜间6 次抹面；及时养护。

6.2 地下管廊、桥泵送混凝土施工要求

气温28 ℃以上，风力5 级以上禁止施工；混凝土必须搅足60 s；确保泵车的接续时间不超过20 min；浇筑过程中，从底部到顶部不超过30 min；一般情况下不搞对头浇注；顶部浮浆必须全部清除；顶部抹面至少3 次，并及早覆盖养护；在满足工期的前提下，尽可能带模养护；气温28 ℃以上，风力4 级以上禁止拆模，并根据天气预报，尽可能保证2 d 以上的低温方可拆模，拆模后立即湿养护。

7 混凝土养护

混凝土养护要注意温度和湿度2 个方面，不仅浇水保湿，还要注意控制混凝土温度变化，其目的主要是为了防止温差过大引起混凝土产生裂缝[3]。采用混凝土节水保湿养护膜（见图3），这是一种以新型可控高分子吸水材料为核心，以塑料薄膜为载体，通过设备加工复合而成的卷材产品。通常混凝土养护过程中要不断洒水保湿，而新型养护膜既解决了工人难以做到位的工作，也克服了多风地区风吹后覆盖物容易露风而导致养护不到位的问题，做到一次洒水、长期保湿（经实际现场测试，最长可达到2 个月），确保混凝土表面相对湿度在92%～99%。

图3 机场道面使用养护膜养护

8 工程实际效果

8.1 北京大兴国际机场的机场道面

机场跑道对裂缝控制要求很高，成型后只要发现有裂缝（行内叫做“断板”），就必须砸掉重做，过去主要依靠加强施工作业来进行控制，断板率约为每10000 块中出现3～4 块。北京大兴国际机场的机场道面采用P·O42.5 级高抗裂优化水泥，并对施工工艺进行严格把控，在相同条件下，共成型约50万块板，断板只有13 块，断板率非常低。

8.2 技术成果推广项目

在P·O42.5 级高抗裂优化水泥技术成果推广项目的工程中，实现了北京大兴国际机场地下汽车通道墙体1000 m 无裂缝施工，在京张高铁八达岭长城站地下火车站、北京市政地下管廊工程、北京市政大兴水厂水塔工程中也都达到了无裂缝施工的实际效果，使得高抗裂优化水泥的社会和经济效益得到进一步的提升（见图4～图7）。

图4 北京大兴国际机场地下汽车通道墙体1000 m无裂缝施工

图5 高铁八达岭地下车站的无裂缝施工

图6 北京市政地下管廊工程的无裂缝施工

图7 北京市政大兴水厂水塔的无裂缝施工