機場道面淺層高早強快速修補砂漿的性能研究

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.陜西省交通運輸廳 建設(shè)處，西安 710075)(3.長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064)

0 引 言

道面作為機場的主體工程，承擔(dān)著飛機停放、起飛、降落、維修養(yǎng)護等重要任務(wù)，其服務(wù)水平的好壞將直接影響飛機起降的安全性與舒適性[1]。近年來，隨著我國航空運輸業(yè)的快速發(fā)展，機場航班日益繁忙，導(dǎo)致大型飛機數(shù)量逐步增加、飛機起降次數(shù)頻繁增多。道面受飛機高荷載反復(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，局部磨損嚴重，易導(dǎo)致機場道面混凝土出現(xiàn)松散、剝落、裂縫等淺層病害。若不及時處理，會進一步加速機場道面混凝土路用性能衰變；更為重要的是，從機場道面脫落的碎屑極有可能被卷入發(fā)動機中，嚴重威脅飛機的飛行安全[8-9]。為了保證飛機飛行安全，防止道面進一步產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，造成更大的生命財產(chǎn)損失，必須對道面淺層病害及時進行修補[10-11]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)表了大量關(guān)于修補材料的文獻，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行研究。Yang Q等[12]和孫佳龍等[13]認為磷酸鎂水泥用作道路修補材料具有早強、快硬、黏結(jié)性能好等優(yōu)點，但該類修補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砂漿的抗折強度與黏結(jié)強度，但存在施工性能差、早期強度發(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、修補方法簡單，但該類砂漿存在疲勞破壞與老化現(xiàn)象。以上修補材料主要針對于道路混凝土病害修補，鮮有涉及機場道面淺層病害的修補，尤其缺少在繁忙機場不停航施工要求下機場道面修補材料的研究。

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、增強劑和調(diào)凝劑復(fù)配的方式制備出一種高早強快速修補砂漿，以期對保障飛行安全、提高機場道面使用壽命、降低維修費用等方面具有重要意義。

1 快速修補材料技術(shù)要求

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

(1) 快硬早強。修補材料必須快硬早強，且與原機場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行修補，要求修補材料2～3 h達到通航要求，即通航時抗壓強度≥30 MPa，抗折強度≥3.5 MPa，黏結(jié)強度≥3.5 MPa。

(2) 耐久性。要求修補材料28 d收縮率≤300×10-6，且允許修補材料具有微膨脹性，補償收縮；耐磨性高于普通混凝土，提高抵抗飛機與道面的磨耗作用；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

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)指標如表1所示。

表1 膠凝材料技術(shù)指標

(2) 礦物摻合料

選用的礦粉等級為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)指標如表3所示。

表2 礦粉主要技術(shù)指標

表3 粉煤灰主要技術(shù)指標

(3) 集 料

選用天然河砂和石英砂，其中，天然河砂細度模數(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)指標如表4所示。

表4 聚丙烯纖維主要技術(shù)指標

(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%；選用的增強劑和調(diào)凝劑分別為有機系早強劑、無機系調(diào)凝劑。

(6) 界面劑

為了提高修補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，通過試驗優(yōu)選聚合物乳液YJJ與膠凝材料的比例為1∶2。

2.2 測試方法

(1) 抗壓、抗折強度

按照《民用機場飛行區(qū)場地維護技術(shù)指南》(AC-140-CA-2010-3)測試修補砂漿的抗壓、抗折強度。成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，將成型后的試件放入養(yǎng)護箱((20±1) ℃，相對濕度大于90%)養(yǎng)護至規(guī)定齡期測試抗壓、抗折強度。

(2) 黏結(jié)強度

黏結(jié)強度直接影響修補后修補砂漿與原道面的整體性與使用壽命，本文采用彎曲拉應(yīng)力法評價修補砂漿與機場道面C40普通水泥混凝土的黏結(jié)強度。其測試方法為：預(yù)先成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的C40混凝土試塊，養(yǎng)護28 d后，采用切割機將其切割成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，另一端采用修補砂漿填滿，標準養(yǎng)護至規(guī)定齡期測試黏結(jié)抗折強度，測試方式如圖1所示。

圖1 砂漿黏結(jié)強度測試示意圖

(3) 抗?jié)B性

按照《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ/T70-2009)測試修補砂漿的抗?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)護箱((20±2) ℃，相對濕度大于90%)中養(yǎng)護至規(guī)定齡期測試抗?jié)B性。

(4) 抗沖擊性

參照美國ACI544委員會推薦的自由落錘沖擊試驗方法，試件尺寸為φ150 mm×64 mm，將試件置于標準養(yǎng)護箱(20 ℃，相對濕度95%)養(yǎng)護28 d。試驗方法通常為落錘法，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)第一道裂縫時的擊打次數(shù)為試件抗沖擊荷載能力。其沖擊試驗原理圖如圖2所示。

圖2 落錘沖擊試驗示意圖

(5) 收縮性

按照《民用機場飛行區(qū)場地維護技術(shù)指南》(AC-140-CA-2010-3)測試修補砂漿的收縮性。成型試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm，將試件放入干燥養(yǎng)護箱中((20±3) ℃，相對濕度50%±4%)養(yǎng)護至規(guī)定齡期測量長度。

(6) 耐磨性

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30-2005)測試耐磨性。試件尺寸為150 mm×150 mm×30 mm，每組三個試件。將成型試件養(yǎng)護至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。試驗中，m1為在200 N負荷下磨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。記錄試驗前后的質(zhì)量后，按照式(1)計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 試驗配合比

為了保證快速修補砂漿具有高早強和良好的工作性能，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，確定出高早強快速修補砂漿配合比如表5所示。為了提高薄層修補砂漿的耐磨性，采用10%的石英砂替代河砂。

表5 高早強快速修補砂漿配合比

3 結(jié)果與分析

3.1 物理力學(xué)性能

高早強快速修補砂漿2 h、1 d、28 d力學(xué)性能進行測試，其測試結(jié)果如表6所示。

表6 高早強快速修補砂漿力學(xué)性能測試結(jié)果

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

3.2 黏結(jié)強度

黏結(jié)強度是衡量修補材料性能重要的力學(xué)指標之一，修補材料必須具有足夠的黏結(jié)強度，以保證新舊界面黏結(jié)可靠，防止在飛機高載荷作用下修補界面發(fā)生開裂，避免積水或雨水通過裂縫進入道面內(nèi)部，造成二次破壞。本文對機場道面C40水泥混凝土與高早強快速修補砂漿黏結(jié)強度進行測試，其中，C40混凝土28 d抗壓強度為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高早強快速修補砂漿黏結(jié)強度影響的試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 高早強快速修補砂漿黏結(jié)強度試驗結(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)強度達到3.6 MPa，28 d黏結(jié)強度達到6.4 MPa，分別為高早強快速修補砂漿抗折強度的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)物形成強有力的黏結(jié)，同時，界面劑能夠改善高早強快速修補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，增強黏結(jié)性能；粉煤灰可降低修補砂漿的早期收縮變形，有利于防止界面開裂和改善修補性能；此外，纖維在高早強快速修補砂漿中的亂向分布，會進一步限制收縮，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。本文對機場道面C40混凝土K0與高早強快速修補砂漿K1進行抗?jié)B試驗，其試驗結(jié)果如表8所示，可以看出：在水壓達到1.4 MPa時，C40混凝土發(fā)生透水，抗?jié)B等級為P12，高早強快速修補砂漿仍未發(fā)生透水情況，抗?jié)B等級>P12，抗?jié)B性十分良好。這是由于試驗所采用的膠凝材料本身水化產(chǎn)物密實，內(nèi)部空隙較少，因此具有良好的抗?jié)B性；同時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，進而提高抗?jié)B性。

表8 高早強快速修補砂漿的抗?jié)B性試驗結(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)機場道面抵抗飛機荷載沖擊的能力。本文在5 cm厚28 d標準養(yǎng)護的C40混凝土試件表層加鋪1 cm厚7 d標準養(yǎng)護修補材料制備沖擊試件，采用落錘沖擊試驗進行整體抗沖擊能力測試，經(jīng)測試高早強快速修補砂漿7 d齡期的抗沖擊初裂次數(shù)大于420次，其抗沖擊試驗測試結(jié)果圖如圖4所示。

(a) 沖擊前 (b) 沖擊后

圖4 高早強快速修補砂漿抗沖擊試驗圖

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

從圖4可以看出：高早強快速修補砂漿與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厚高早強快速修補砂漿修補層未出現(xiàn)破碎與裂縫，表明該修補砂漿的黏結(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，一方面填充高早強快速修補砂漿內(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，延長高早強快速修補砂漿在重復(fù)沖擊荷載下裂縫的貫穿時間；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，同時纖維可分散由沖擊力引起的應(yīng)力集中，延緩開裂時間，提高抗沖擊能力。

3.5 收縮性

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

圖5 高早強快速修補砂漿收縮試驗結(jié)果

從圖5可以看出：C40混凝土收縮隨著齡期的增長而增大，高早強快速修補砂漿在2 h～3 d具有微膨脹性，隨著齡期增長，7 d出現(xiàn)收縮，28 d收縮率為102×10-6, 滿足了《民用機場飛行區(qū)場地維護技術(shù)指南》(AC-140-CA-2010-3)表5.4.1-1中修補材料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，高早強快速修補砂漿收縮率僅為170×10-6，相比降低了60.5%。表明該修補砂漿具有優(yōu)異的體積穩(wěn)定性，可有效避免修補界面裂縫產(chǎn)生，有利于增強機場道面修補結(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]，可補償收縮，減少高早強快速修補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，進一步降低早強快速修補砂漿的收縮變形。

3.6 耐磨性

耐磨性是機場道面混凝土的一個重要性能指標。本文測試機場C40混凝土K0與高早強快速修補砂漿K1的耐磨性，其試驗結(jié)果如表9所示。

表9 修補砂漿的耐磨性試驗結(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，高早強快速修補砂漿3 d的平均磨耗量為1.083 kg·m-2，接近于C40混凝土。表明該修補砂漿3 d耐磨性可達到C40混凝土28 d的耐磨性，具有良好的耐磨性。

高早強快速修補砂漿具有高早強特性，早期力學(xué)性能發(fā)展較快，強度較高，而耐磨性與強度密切相關(guān)[21]；石英砂具有堅硬、耐磨、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點，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性，增強膠凝材料對骨料的黏結(jié)性能；纖維提高了水泥石基體間的聯(lián)結(jié)作用，增強修補結(jié)構(gòu)的整體性，使高早強快速修補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快速修補砂漿耐磨性。

4 結(jié) 論

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

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