機(jī)場(chǎng)道面淺層高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿的性能研究

田耀剛，王帥飛，盧東，趙成，楊文奇，李煒光

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710064)(2.陜西省交通運(yùn)輸廳 建設(shè)處，西安 710075)(3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064)

0 引 言

道面作為機(jī)場(chǎng)的主體工程，承擔(dān)著飛機(jī)停放、起飛、降落、維修養(yǎng)護(hù)等重要任務(wù)，其服務(wù)水平的好壞將直接影響飛機(jī)起降的安全性與舒適性[1]。近年來，隨著我國(guó)航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)航班日益繁忙，導(dǎo)致大型飛機(jī)數(shù)量逐步增加、飛機(jī)起降次數(shù)頻繁增多。道面受飛機(jī)高荷載反復(fù)作用(沖擊與摩擦)[2]與環(huán)境因素(風(fēng)、溫度、侵蝕介質(zhì))[3-7]影響，局部磨損嚴(yán)重，易導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)道面混凝土出現(xiàn)松散、剝落、裂縫等淺層病害。若不及時(shí)處理，會(huì)進(jìn)一步加速機(jī)場(chǎng)道面混凝土路用性能衰變；更為重要的是，從機(jī)場(chǎng)道面脫落的碎屑極有可能被卷入發(fā)動(dòng)機(jī)中，嚴(yán)重威脅飛機(jī)的飛行安全[8-9]。為了保證飛機(jī)飛行安全，防止道面進(jìn)一步產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，造成更大的生命財(cái)產(chǎn)損失，必須對(duì)道面淺層病害及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)[10-11]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了大量關(guān)于修補(bǔ)材料的文獻(xiàn)，主要圍繞特種水泥、環(huán)氧樹脂砂漿與聚合物改性水泥砂漿三大類進(jìn)行研究。Yang Q等[12]和孫佳龍等[13]認(rèn)為磷酸鎂水泥用作道路修補(bǔ)材料具有早強(qiáng)、快硬、黏結(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)，但該類修補(bǔ)材料需加入改性材料才可滿足路用性能要求；楊正宏等[14]研究表明聚合物乳液能夠提高修補(bǔ)砂漿的抗折強(qiáng)度與黏結(jié)強(qiáng)度，但存在施工性能差、早期強(qiáng)度發(fā)展緩慢、污染環(huán)境等問題；張文武等[15]和Luo J等[16]研究表明環(huán)氧樹脂砂漿干縮小、與舊路面黏結(jié)力強(qiáng)、修補(bǔ)方法簡(jiǎn)單，但該類砂漿存在疲勞破壞與老化現(xiàn)象。以上修補(bǔ)材料主要針對(duì)于道路混凝土病害修補(bǔ)，鮮有涉及機(jī)場(chǎng)道面淺層病害的修補(bǔ)，尤其缺少在繁忙機(jī)場(chǎng)不停航施工要求下機(jī)場(chǎng)道面修補(bǔ)材料的研究。

本文采用自制的特種膠凝材料，通過優(yōu)選砂膠比、水膠比、礦物摻合料復(fù)摻比例等技術(shù)手段，并使用減水劑、增強(qiáng)劑和調(diào)凝劑復(fù)配的方式制備出一種高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿，以期對(duì)保障飛行安全、提高機(jī)場(chǎng)道面使用壽命、降低維修費(fèi)用等方面具有重要意義。

1 快速修補(bǔ)材料技術(shù)要求

按照《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)場(chǎng)地維護(hù)技術(shù)指南》(AC-140-CA-2010-3)，根據(jù)機(jī)場(chǎng)道面病害特點(diǎn)、不停航施工要求以及道面使用性能要求，作為機(jī)場(chǎng)道面修補(bǔ)材料應(yīng)滿足以下技術(shù)要求：

(1) 快硬早強(qiáng)。修補(bǔ)材料必須快硬早強(qiáng)，且與原機(jī)場(chǎng)道面混凝土具有良好黏結(jié)性能。由于在不停航施工要求下進(jìn)行修補(bǔ)，要求修補(bǔ)材料2～3 h達(dá)到通航要求，即通航時(shí)抗壓強(qiáng)度≥30 MPa，抗折強(qiáng)度≥3.5 MPa，黏結(jié)強(qiáng)度≥3.5 MPa。

(2) 耐久性。要求修補(bǔ)材料28 d收縮率≤300×10-6，且允許修補(bǔ)材料具有微膨脹性，補(bǔ)償收縮；耐磨性高于普通混凝土，提高抵抗飛機(jī)與道面的磨耗作用；具有良好的抗沖擊能力，可抵抗載荷的反復(fù)作用。

2 原材料及試驗(yàn)

2.1 原材料

(1) 膠凝材料

選用自制的特種膠凝材料，以普通硅酸鹽水泥42.5R為基礎(chǔ)材料，加入硫鋁酸鹽水泥復(fù)配制得，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 膠凝材料技術(shù)指標(biāo)

(2) 礦物摻合料

選用的礦粉等級(jí)為S95，主要化學(xué)成分為CaO、SiO2及Al2O3，共占總量的90%以上，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示；粉煤灰主要的化學(xué)成分為SiO2、Al2O3及Fe2O3，其主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2 礦粉主要技術(shù)指標(biāo)

表3 粉煤灰主要技術(shù)指標(biāo)

(3) 集 料

選用天然河砂和石英砂，其中，天然河砂細(xì)度模數(shù)2.8；石英砂粒徑0.6～2.7 mm，密度2 650 kg/m3，硬度5 HB，SiO2含量97.6%。

(4) 纖 維

選用聚丙烯纖維，其主要技術(shù)指標(biāo)如表4所示。

表4 聚丙烯纖維主要技術(shù)指標(biāo)

(5) 外加劑

綜合考慮減水劑的減水效果與水泥基材料的相容性、穩(wěn)定性，確定選用減水劑為萘系減水劑，減水率為15～25%；選用的增強(qiáng)劑和調(diào)凝劑分別為有機(jī)系早強(qiáng)劑、無機(jī)系調(diào)凝劑。

(6) 界面劑

為了提高修補(bǔ)砂漿與舊水泥混凝土間的黏結(jié)性能，采用界面劑聚合物乳液YJJ，通過試驗(yàn)優(yōu)選聚合物乳液YJJ與膠凝材料的比例為1∶2。

2.2 測(cè)試方法

(1) 抗壓、抗折強(qiáng)度

按照《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)場(chǎng)地維護(hù)技術(shù)指南》(AC-140-CA-2010-3)測(cè)試修補(bǔ)砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度。成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，將成型后的試件放入養(yǎng)護(hù)箱((20±1) ℃，相對(duì)濕度大于90%)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試抗壓、抗折強(qiáng)度。

(2) 黏結(jié)強(qiáng)度

黏結(jié)強(qiáng)度直接影響修補(bǔ)后修補(bǔ)砂漿與原道面的整體性與使用壽命，本文采用彎曲拉應(yīng)力法評(píng)價(jià)修補(bǔ)砂漿與機(jī)場(chǎng)道面C40普通水泥混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度。其測(cè)試方法為：預(yù)先成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的C40混凝土試塊，養(yǎng)護(hù)28 d后，采用切割機(jī)將其切割成40 mm×40 mm×80 mm試塊，用粗砂紙打毛尺寸為40 mm×40 mm的截面，并將該截面作為黏結(jié)面，放入40 mm×40 mm×160 mm試模一端，另一端采用修補(bǔ)砂漿填滿，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試黏結(jié)抗折強(qiáng)度，測(cè)試方式如圖1所示。

圖1 砂漿黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試示意圖

(3) 抗?jié)B性

按照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》(JGJ/T70-2009)測(cè)試修補(bǔ)砂漿的抗?jié)B性。將拌和好的砂漿裝入上口直徑70 mm、下口直徑80 mm、高 30 mm的截頭圓錐帶底試模中，室溫((20±5) ℃)下靜置24 h脫模，放入養(yǎng)護(hù)箱((20±2) ℃，相對(duì)濕度大于90%)中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)試抗?jié)B性。

(4) 抗沖擊性

參照美國(guó)ACI544委員會(huì)推薦的自由落錘沖擊試驗(yàn)方法，試件尺寸為φ150 mm×64 mm，將試件置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱(20 ℃，相對(duì)濕度95%)養(yǎng)護(hù)28 d。試驗(yàn)方法通常為落錘法，即將4 kg的鋼錘提升到45 cm高處后自由落下，擊打放在試件中央的鋼球上，至試件出現(xiàn)第一道裂縫時(shí)的擊打次數(shù)為試件抗沖擊荷載能力。其沖擊試驗(yàn)原理圖如圖2所示。

圖2 落錘沖擊試驗(yàn)示意圖

(5) 收縮性

按照《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)場(chǎng)地維護(hù)技術(shù)指南》(AC-140-CA-2010-3)測(cè)試修補(bǔ)砂漿的收縮性。成型試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm，將試件放入干燥養(yǎng)護(hù)箱中((20±3) ℃，相對(duì)濕度50%±4%)養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期測(cè)量長(zhǎng)度。

(6) 耐磨性

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30-2005)測(cè)試耐磨性。試件尺寸為150 mm×150 mm×30 mm，每組三個(gè)試件。將成型試件養(yǎng)護(hù)至27 d齡期后擦干試件表面水分后，在室內(nèi)自然干燥12 h，再放入(60+5) ℃烘箱中烘12 h至恒重。試驗(yàn)中，m1為在200 N負(fù)荷下磨30轉(zhuǎn)清除表面粉塵后稱取的初始質(zhì)量，m2為試件繼續(xù)在200 N負(fù)荷下磨60轉(zhuǎn)清除表面粉塵后稱取的磨損后質(zhì)量。記錄試驗(yàn)前后的質(zhì)量后，按照式(1)計(jì)算單位面積的磨耗量G。

G=(m1-m2)/0.012 5

(1)

式中：m1為試件初始質(zhì)量(kg)；m2為試件磨損后的質(zhì)量(kg)；0.012 5為磨損面積。

2.3 試驗(yàn)配合比

為了保證快速修補(bǔ)砂漿具有高早強(qiáng)和良好的工作性能，本文采用自制的特種膠凝材料，通過摻加減水劑、增強(qiáng)劑以及調(diào)凝劑復(fù)配等技術(shù)手段，經(jīng)多次試配，確定出高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿配合比如表5所示。為了提高薄層修補(bǔ)砂漿的耐磨性，采用10%的石英砂替代河砂。

表5 高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿配合比

3 結(jié)果與分析

3.1 物理力學(xué)性能

高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿2 h、1 d、28 d力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

從表6可以看出：高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿初凝時(shí)間25 min，流動(dòng)度190 mm，可提供充足的修補(bǔ)時(shí)間，且工作性能良好；2 h抗壓、抗折強(qiáng)度分別為32.5 MPa和4.8 MPa，可滿足機(jī)場(chǎng)道面2 h通航要求。優(yōu)選的增強(qiáng)劑與膠凝材料適應(yīng)性強(qiáng)，使膠凝材料高早強(qiáng)特性更加明顯，保證了高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿2 h強(qiáng)度；礦粉與粉煤灰的雙摻具有“微粉體”潤(rùn)滑作用，并增加漿體的塑形黏度，進(jìn)而改善工作性能[17-18]，同時(shí)礦物摻合料與調(diào)凝劑的摻入有助于調(diào)整水泥固化時(shí)間，保證漿體保有充足的可工作時(shí)間。

3.2 黏結(jié)強(qiáng)度

黏結(jié)強(qiáng)度是衡量修補(bǔ)材料性能重要的力學(xué)指標(biāo)之一，修補(bǔ)材料必須具有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度，以保證新舊界面黏結(jié)可靠，防止在飛機(jī)高載荷作用下修補(bǔ)界面發(fā)生開裂，避免積水或雨水通過裂縫進(jìn)入道面內(nèi)部，造成二次破壞。本文對(duì)機(jī)場(chǎng)道面C40水泥混凝土與高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿黏結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，其中，C40混凝土28 d抗壓強(qiáng)度為50.1 MPa，相應(yīng)配合比如表7所示。

表7 C40混凝土配合比

采用清水洗滌和涂界面劑兩種界面處理方式對(duì)高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿黏結(jié)強(qiáng)度影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出：采用清水洗滌的界面處理方式，該砂漿的2 h黏結(jié)強(qiáng)度為2.6 MPa，不滿足技術(shù)要求；采用涂界面劑的處理方式，其2 h黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到3.6 MPa，28 d黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到6.4 MPa，分別為高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿抗折強(qiáng)度的75%、84%，可滿足技術(shù)要求，故采用涂界面劑的界面處理方式。

由于界面劑可滲入界面孔隙聚合成膜，其聚合物膜在水泥水化產(chǎn)物中穿梭并交織在一起，使聚合物與水泥水化產(chǎn)物形成強(qiáng)有力的黏結(jié)，同時(shí)，界面劑能夠改善高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿與混凝土界面的水灰比與水化產(chǎn)物形態(tài)，減緩墻壁效應(yīng)，降低界面處的縫隙與空洞，增強(qiáng)黏結(jié)性能；粉煤灰可降低修補(bǔ)砂漿的早期收縮變形，有利于防止界面開裂和改善修補(bǔ)性能；此外，纖維在高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿中的亂向分布，會(huì)進(jìn)一步限制收縮，顯著降低與舊混凝土收縮差異，而該收縮差異是導(dǎo)致黏結(jié)強(qiáng)度下降的主要原因之一[19]。

3.3 抗?jié)B性

抗?jié)B性能是影響水泥基材料耐久性最直接的因素。本文對(duì)機(jī)場(chǎng)道面C40混凝土K0與高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿K1進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，可以看出：在水壓達(dá)到1.4 MPa時(shí)，C40混凝土發(fā)生透水，抗?jié)B等級(jí)為P12，高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿仍未發(fā)生透水情況，抗?jié)B等級(jí)>P12，抗?jié)B性十分良好。這是由于試驗(yàn)所采用的膠凝材料本身水化產(chǎn)物密實(shí)，內(nèi)部空隙較少，因此具有良好的抗?jié)B性；同時(shí)摻加粉煤灰的微集料填充作用和火山灰效應(yīng)顯著，可有效減少其內(nèi)部孔隙率，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，進(jìn)而提高抗?jié)B性。

表8 高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿的抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果

3.4 抗沖擊性

抗沖擊性可很好地反映修復(fù)結(jié)構(gòu)承受沖擊荷載的整體性能，也最能體現(xiàn)機(jī)場(chǎng)道面抵抗飛機(jī)荷載沖擊的能力。本文在5 cm厚28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的C40混凝土試件表層加鋪1 cm厚7 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)修補(bǔ)材料制備沖擊試件，采用落錘沖擊試驗(yàn)進(jìn)行整體抗沖擊能力測(cè)試，經(jīng)測(cè)試高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿7 d齡期的抗沖擊初裂次數(shù)大于420次，其抗沖擊試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果圖如圖4所示。

(a) 沖擊前 (b) 沖擊后

圖4 高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿抗沖擊試驗(yàn)圖

Fig.4 Impact resistance of high early strength quick repair mortar

從圖4可以看出：高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿與C40混凝土的整體結(jié)構(gòu)經(jīng)沖擊后，底層5 cm厚混凝土基體產(chǎn)生了貫穿裂縫，而面層1 cm厚高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿修補(bǔ)層未出現(xiàn)破碎與裂縫，表明該修補(bǔ)砂漿的黏結(jié)和抗沖擊能力良好，甚至超過了C40混凝土的抗沖擊性。

由于礦物摻合料的摻入，一方面填充高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿內(nèi)部空隙，優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)與水化產(chǎn)物，增大密實(shí)性，改善其抵抗變形的能力；另一方面降低水泥水化熱，減小溫度應(yīng)力，減少溫差裂紋數(shù)量，延長(zhǎng)高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿在重復(fù)沖擊荷載下裂縫的貫穿時(shí)間；水泥基材料與纖維緊密結(jié)合在一起，提高了韌性與黏結(jié)能力，阻止和約束裂紋的發(fā)展，同時(shí)纖維可分散由沖擊力引起的應(yīng)力集中，延緩開裂時(shí)間，提高抗沖擊能力。

3.5 收縮性

早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿收縮性直接影響其與舊混凝土的黏結(jié)性能，高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿與C40混凝土收縮試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿收縮試驗(yàn)結(jié)果

從圖5可以看出：C40混凝土收縮隨著齡期的增長(zhǎng)而增大，高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿在2 h～3 d具有微膨脹性，隨著齡期增長(zhǎng)，7 d出現(xiàn)收縮，28 d收縮率為102×10-6, 滿足了《民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)場(chǎng)地維護(hù)技術(shù)指南》(AC-140-CA-2010-3)表5.4.1-1中修補(bǔ)材料28 d收縮率(收縮率≤300×10-6)的技術(shù)要求；C40混凝土120 d收縮率為430×10-6，高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿收縮率僅為170×10-6，相比降低了60.5%。表明該修補(bǔ)砂漿具有優(yōu)異的體積穩(wěn)定性，可有效避免修補(bǔ)界面裂縫產(chǎn)生，有利于增強(qiáng)機(jī)場(chǎng)道面修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的整體性。

由于使用膠凝材料中含有一定量的硫鋁酸鹽，其具有微膨脹性[20]，可補(bǔ)償收縮，減少高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿與舊混凝土間的變形差異，提高修復(fù)結(jié)構(gòu)的抗裂與抗?jié)B能力；礦物摻合料與纖維的摻入有利于降低和限制收縮，進(jìn)一步降低早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿的收縮變形。

3.6 耐磨性

耐磨性是機(jī)場(chǎng)道面混凝土的一個(gè)重要性能指標(biāo)。本文測(cè)試機(jī)場(chǎng)C40混凝土K0與高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿K1的耐磨性，其試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 修補(bǔ)砂漿的耐磨性試驗(yàn)結(jié)果

從表9可以看出：C40混凝土28 d平均磨耗量為1.053 kg·m-2，高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿3 d的平均磨耗量為1.083 kg·m-2，接近于C40混凝土。表明該修補(bǔ)砂漿3 d耐磨性可達(dá)到C40混凝土28 d的耐磨性，具有良好的耐磨性。

高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿具有高早強(qiáng)特性，早期力學(xué)性能發(fā)展較快，強(qiáng)度較高，而耐磨性與強(qiáng)度密切相關(guān)[21]；石英砂具有堅(jiān)硬、耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，可降低磨損量；礦物摻合料本身具有較好的耐磨性，且摻入后可提高密實(shí)性，增強(qiáng)膠凝材料對(duì)骨料的黏結(jié)性能；纖維提高了水泥石基體間的聯(lián)結(jié)作用，增強(qiáng)修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的整體性，使高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿能夠抵抗較大的切削應(yīng)力。上述綜合作用顯著提高了高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿耐磨性。

4 結(jié) 論

(1) 本文采用自制的特種膠凝材料制備出了機(jī)場(chǎng)道面淺層高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿。該修補(bǔ)砂漿具有高早強(qiáng)、與舊面黏結(jié)性能良好、耐久性優(yōu)良等特點(diǎn)，且能夠滿足繁忙機(jī)場(chǎng)不停航施工要求，有效解決了道面維修施工與保障飛行在時(shí)間上的沖突矛盾。

(2) 本文制備的機(jī)場(chǎng)道面淺層高早強(qiáng)快速修補(bǔ)砂漿，在恢復(fù)機(jī)場(chǎng)道面服務(wù)水平、延長(zhǎng)道面使用壽命的同時(shí)，可降低因機(jī)場(chǎng)道面破損產(chǎn)生外來物的數(shù)量，對(duì)于保障飛機(jī)起降與飛行安全性等方面具有重要意義。