机场跑道超薄层修复用磷酸盐基材料性能和机理

2022-06-28杨全兵吴方政孙娜峰

建筑材料学报 2022年5期

杨全兵，王薇，吴方政，孙娜峰

（1.同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 201804；2.杭州修路人科技股份有限公司，浙江杭州310013）

由于常年受气温变化、飞机引擎高温尾气，以及飞机起降和滑行的影响，机场道面尤其是表层材料容易遭受温度应力和动载应力疲劳、轮胎磨损等频繁作用而破坏［1］.为了防止冰雪致滑影响飞机和车辆的安全营运，常通过撒除冰盐或融雪剂来清除道面或飞机上的冰雪.然而，经撒盐服役1～2 a 后，混凝土道面就经常出现严重的剥落破坏，从而严重影响道面使用寿命和交通安全［2］.研究表明，盐冻引起的剥蚀破坏往往仅涉及混凝土表层，其剥蚀层下的基体混凝土依然保持坚固完好［2‑4］，且刚开始的剥蚀深度较小，因此只要对表层进行超薄层（厚度不大于5 mm）修补就可以实现道面修复.大量研究也表明［5‑9］，修补材料应具有高抗盐冻性、耐磨性和体积稳定性，与道面混凝土保持良好的黏结性能，且两者的弹性模量和热膨胀系数等有良好匹配.机场道面薄层修复是一个病害处置的难题，且一般认为传统纯无机类特种抢修材料不适用于这类工程的修复.

无机类磷酸铵镁水泥基材料的综合性能良好，被广泛应用于机场道面、公路、桥梁等交通基础设施的快速抢修［10‑12］.然而，至今尚未见到其用于机场道面超薄层修复的报道.为此，本科研团队先后在山东省烟台市、威海市和济南市等机场，以及内蒙古呼和浩特市、满洲里市和包头市等机场，开展了MPC 在机场道面超薄层修复工程中的示范应用.数年工程实践和现场严酷使用环境的考验结果表明，MPC 超薄层修复层服役5 a 内的完好率高达90%.

本文就MPC 可用于机场道面超薄层修复的内在原因进行了系统的分析研究.

1 试验

1.1 试验材料

（1）磷酸盐水泥基材料（MPC）杭州修路人科技股份有限公司产修复王薄层型MPC，由磷酸镁水泥和特种耐磨细砂构成，推荐用水量（质量分数，文中涉及的用水量、水固比等均为质量分数或质量比）为7%或水固比为0.07.

（2）环氧树脂基砂浆（ER）由环氧树脂（618）、固化剂（593、二亚乙基三胺与丁基缩水甘油醚的混成物）、稀释剂（丁基甘油缩水醚类）、粉煤灰和砂配制而成，其中m（环氧树脂）∶m（固化剂）∶m（稀释剂）∶m（粉煤灰）∶m（砂）=1.0∶0.3∶0.1∶2.0∶4.0.仅用于与MPC 部分性能的对比研究.

（3）水泥混凝土（OPC）水泥混凝土配合比m（水泥）∶m（水）∶m（砂子）∶m（石子）=1.00∶0.35∶1.60∶2.62，其中，水泥为P·II 52.5 硅酸盐水泥，砂子为细度模数约2.65 的河砂，石子为5～10 mm 碎石，萘系减水剂掺量为0.55%.OPC 试件用于评价MPC‑OPC 界面的黏结强度.其28 d 抗折强度和抗压强度分别为10.4、65.7 MPa.

1.2 成型与养护

各试件尺寸均为40 mm×40 mm×160 mm，其搅拌与成型方法参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》.OPC 试件在（20±5）℃下自然养护1 d 后脱模，之后放入（20±2）℃的水中继续养护28 d 以上；MPC 和ER 试件在（20±5）℃和相对湿度（70±5）%的环境中自然养护1 h 后脱模，之后置于室内自然养护.

1.3 试验方法

1.3.1 黏结强度试验

MPC‑OPC 的黏结强度采用黏结抗折强度表示，在水泥胶砂抗折试验机上测定.需要说明的是，成型黏结试件前，先把养护28 d 的OPC 饱水试件在试验机上折断，并把抗折强度数据异常或折断面异常的试件剔除.将合格的半块OPC 试件放在室内空气中晾干不同时间，然后将其放入模具的一端，再把搅拌好的MPC 浇筑到模具的另半边，振动密实30 s 后放在室内空气中养护1 h，脱模.所得黏结试件继续放在室内养护至规定龄期.

1.3.2 抗盐冻性试验

MPC 试件的抗盐冻性采用单面浸泡法［2］测定.其冻融试验制度为：先在-20 ℃下冷冻3 h，再在15～20 ℃下融化3 h，此为1 次冻融循环；冻融介质为4%NaCl 溶液.经历一定次数的冻融循环后，测定试件的剥落量.若30次冻融循环后的剥落量小于1.0 kg/m2，则可判定该试件的抗盐冻性为合格，否则为不合格；该值愈小，其抗盐冻性愈高.

1.3.3 热膨胀系数试验

热膨胀系数是材料的重要物理性质之一，它是评估修补材料与水泥混凝土性能是否匹配的一个重要指标.材料的热膨胀系数试验采用40 mm×40 mm×160 mm 试件，其两端带有测量铜头，养护龄期为28 d.热膨胀系数测定方法参照JC/T603—2004《水泥胶砂干缩试验方法》，用比长仪测定不同温度下试件的长度变化.

为排除干缩对热膨胀系数测定的影响，试件测定前必须进行干燥处理.选取无缺陷材料作为测定膨胀系数的试件，并把试件放入烘箱中进行烘干处理，直至试件恒重，烘干温度为100 ℃.取出试件，放入干燥器中冷却至室温，备用.

1.3.4 抗弯拉疲劳试验

采用40 mm×40 mm×160 mm 试件进行弯拉疲劳性能测试.测试仪器采用MTS810 试验机，加载方式选择控制应力方式.由于加载波形对材料的疲劳寿命影响很大，且通常认为正弦波形与实际路面受到的荷载波形比较接近，因此本次疲劳试验的加载方式采用正弦波，加载频率为10 Hz.为缩短应力疲劳试验时间，加载时施加较大的应力比，其最大加载应力σmax取材料自身抗折强度的0.6、0.7、0.8，且加载正弦波上的低应力与高应力比σmin/σmax为0.1.同一应力水平下疲劳试验样本数为6 个，加载至试件破坏为止；若加载次数超过1 000 000 次即视为不破坏，停止试验.

MPC、ER 及其黏结试件脱模后，先置于室内空气中养护至28 d，再将试件水平放置在试验机上，采用三点加载方式进行弯拉疲劳试验.

1.3.5 其他性能指标试验

试件强度、弹性模量和干缩率分别按JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中T0506、T0556 和T0511 规定的试验方法进行测试；试件耐磨性按GB/T16925—1997《混凝土及其制品耐磨性试验方法（滚珠轴承法）》进行测试.

2 试验结果与讨论

2.1 自身强度

MPC 的强度发展见图1.由图1 可见，MPC 1 d前的早期强度发展迅速，7 d 后强度增长速率趋于平缓，但后期强度仍持续增长，其中抗折强度的增长速率明显快于抗压强度.例如：MPC 的1 h 抗折强度和抗压强度分别超过6、40 MPa；与1 h 强度相比，1 d 抗折强度和抗压强度分别增加约69%和37%，7 d 抗折强度和抗压强度分别增加约100%和70%；与7 d 强度相比，28 d 抗折强度和抗压强度仍分别增加约11%和7%.由此可见，MPC 的强度发展特性非常适合于机场道面的抢修，可满足机场道面混凝土强度和快速开放交通的要求.

图1 MPC 强度的发展规律Fig.1 Development of strength of MPC

2.2 黏结强度

MPC‑OPC 的黏结强度是决定机场道面超薄层修复能否成功的最关键技术指标之一.晾干时间和养护龄期对MPC‑OPC 黏结强度的影响见图2.由图2 可见：随着晾干时间的增加，其黏结强度前期增加较快，晾干4 h 后黏结强度增速趋缓，晾干1 d 后黏结强度几乎不再增大；随着养护龄期的增加，MPC 的黏结强度发展快、强度高，养护14 d 后黏结试件的折断面已经不在MPC‑OPC 黏结界面区，而是出现在OPC 试块上.因此，当采用MPC 修补尤其是超薄层修补时，应保证混凝土修补表面处于干燥状态.

图2 清楚地说明了MPC 具有非常优异的黏结性能，可与OPC 基体结合成一个有机的整体，共同抵御使用环境的不利影响.原因主要是在MPC‑OPC 的黏结界面区除了两者之间的物理机械咬合力外，MPC 中可溶性磷酸盐会渗入混凝土中，并与OPC 的水化产物和骨料中含钙、镁的矿物发生化学反应，形成新的相互交织、搭接的化学黏结，从而显著提高界面的黏结强度.

图2 晾干时间和养护龄期对MPC‑OPC 黏结强度的影响Fig.2 Effect of dry time and curing age on the MPC‑OPC bonding strength

2.3 抗盐冻性能

由于盐冻剥蚀破坏是寒冷地区机场道面混凝土最常见的病害，用于机场道面超薄层修复的修补材料必须具有高抗盐冻性能.MPC 的抗盐冻性随冻融循环次数的变化规律见图3.由图3 可见：MPC 具有非常优异的抗盐冻性能，明显优于C40 引气混凝土（含气量4.6%（体积分数））.经受30 次冻融循环后，MPC 的盐冻剥落量仅为0.05 kg/m2左右，远低于C40 引气混凝土的剥落量0.36 kg/m2及抗盐冻性合格指标的要求值1.0 kg/m2；经受50 次冻融循环后，MPC 的剥落量也仅为0.31 kg/m2左右.

图3 MPC 的抗盐冻性随冻融循环次数的变化Fig.3 Development of salt‑frost resistance of MPC with freezing‑thawing cycles

MPC 具有高抗盐冻性能的主要原因为：（1）MPC的水化反应过程会产生气体（如NH3和H2），在硬化MPC 中形成大量微小的化学引气泡，其具有类似物理引气泡的抗冻与抗盐冻作用［13］；（2）MPC 的水灰比极低，仅为0.14，且主要水化产物为晶体矿物.

2.4 其他性能指标

表1 为MPC 的其他性能指标试验结果.

2.4.1 耐磨性

MPC 的耐磨性用耐磨度表征，该值越大，耐磨性越高.由表1可见，MPC 的耐磨度约为6.21，显著高于OPC 的耐磨度.这说明MPC 具有高耐磨性，主要原因是用耐磨骨料配制了MPC，且MPC 中含有大量未反应的死烧氧化镁颗粒，该颗粒也具有高耐磨性.

2.4.2 变形性能

与MPC 的变形性能相关的技术指标包括干缩率、热膨胀系数和弹性模量，它们分别对应脱水、荷载和温度作用引起的形变，其试验结果也列于表1.

（1）干缩率由表1可见，MPC的干缩率极低，其28 d试件的干缩率增长缓慢，60 d的干缩率仅为0.46×10-4mm/mm，约为普通混凝土的1/10，说明其具有良好的体积稳定性，主要原因是MPC 的水灰比极低，且主要水化产物为结晶度良好的晶体矿物［14‑15］.因此，当MPC 用于机场道面超薄层修复时，不会因自身材料的干燥收缩大而开裂.

（2）热膨胀系数由表1 可见，MPC 与OPC 的热膨胀系数接近，但ER 的热膨胀系数显著大于OPC，其中MPC 和ER 的热膨胀系数分别为OPC 的1.07、3.55 倍.因此，MPC 与道面混凝土的热膨胀系数非常匹配，但ER 与机场道面混凝土的热膨胀系数很不匹配.

（3）弹性模量由表1 可见，MPC 的弹性模量与OPC 接近，但ER 的弹性模量显著小于OPC，其中MPC 和ER 的弹性模量分别为OPC 的95.3%、38.3%.这说明，MPC 与机场道面混凝土的弹性模量非常匹配，但ER 的弹性模量与机场道面混凝土很不匹配，且会随着温度增大而降低［16］.

表1 MPC 的其他性能指标试验结果Table 1 Test results on other properties of MPC

2.5 抗弯拉应力疲劳性能

MPC、ER 及其黏结试件的弯拉应力疲劳试验结果见表2.由表2 可见，不论是修补材料自身，还是黏结试件，MPC 的应力疲劳破坏的加载次数显著大于ER，但不管是哪种材料，它们均随着应力比的增大而大幅降低.这说明MPC 的抗应力疲劳性能显著高于ER，也验证了前文弹性模量试验结果的推断.其主要原因是ER 中的黏结组分（环氧树脂）与主要成分（砂和粉煤灰）之间，以及ER 与OPC 之间的弹性模量相差太大，导致在动载应力作用下很容易在黏结界面微区产生应力疲劳开裂，而MPC 与OPC 的弹性模量相近，在黏结界面微区产生的疲劳应力较小.

表2 砂浆试件的弯拉应力疲劳试验结果Table 2 Test results of flexural tensile stress fatigue of mortar specimens

2.6 机理分析

首先，MPC‑OPC 的黏结强度发展快、强度高，14 d 后的黏结界面区较OPC 基体更强健，可确保两者形成一个有机整体，共同抵御机场道面恶劣的使用环境，对机场道面超薄层的耐久性和能否成功修复起到至关重要的作用，也是其他传统无机类抢修材料无法用于机场道面超薄层修复的最主要原因.

其次，MPC 的热膨胀系数和弹性模量与机场道面混凝土非常匹配，在机场道面最典型的使用环境如大温差、动荷载及其疲劳应力作用下，MPC 与OPC 二者的自身变形非常接近，不会在MPC‑OPC黏结界面区产生大的破坏应力，因此MPC 超薄层修复层不易发生脱落、开裂.与之相反，ER 的热膨胀系数和弹性模量与OPC 很不匹配，导致其在温度和动荷载应力疲劳作用下易从机场道面上脱落.

第三，MPC 具有高抗盐冻性和耐磨性，确保在遭受除冰盐、冻融循环和飞机轮胎共同作用下，机场道面的MPC 超薄层修复层不会产生较大的剥蚀破坏与磨损.

最后，MPC 的干缩率非常低，可以有效防止服役过程中因收缩大而引起的开裂，这也是采用MPC 进行现场修补时不需保湿养护和混凝土修补面不需湿润的主要原因.

图4 为典型快速修补材料应用于机场道面薄层修复的效果比较.由图4 可见：环氧树脂基材料（ER）和硫铝酸盐水泥基材料（SAC）的修复效果和耐久性不佳，其中SAC 在数月内就开始出现开裂、剥蚀，1 a内就出现严重的剥蚀，修补层几乎溃散；ER 材料1 a内基本保持完好，有少量开裂，开始出现变色，且经历1 个冬季后，其修补层与道面混凝土基体脱开并开裂，但未出现表面剥蚀破坏；MPC 现场服役2 a 后依然保持完好，未出现明显开裂、剥蚀和脱落等损伤.机场道面的现场试验结果验证了上述内在机理分析的正确性.

图4 典型快速修补材料应用于机场道面薄层修复的效果比较Fig.4 Comparison of the effectiveness of typical rapid repair materials used in the thin‑layer rehabilitation of airport runway

这些综合性能和现场应用结果充分证明MPC非常适用于机场道面的超薄层修复，并确保超薄层修复层具有良好的耐久性.