機(jī)場水泥道面抗鹽凍性能影響因素研究

呂堅(jiān)偉

（上海機(jī)場（集團(tuán)）有限公司建設(shè)指揮部，上海 200335）

除冰液在民用機(jī)場中被廣泛應(yīng)用，但除冰液會對水泥混凝土道面造成鹽凍破壞。鹽凍破壞后道面的平整度降低，影響飛機(jī)滑跑的穩(wěn)定性和舒適性，若不及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)會造成更嚴(yán)重的水泥混凝土開裂，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性的破壞[1]。因此，非常有必要開展機(jī)場水泥混凝土道面抗鹽凍性能的研究，完善混凝土耐久性理論體系，解決機(jī)場道面水泥混凝土鹽凍破壞的問題。

國內(nèi)外學(xué)者對除冰液對混凝土的鹽凍效果進(jìn)行了研究。美國普渡大學(xué)研究表明，C35抗凍引氣混凝土在20℃的25% CMA除冰液中浸泡3個(gè)月以后就會發(fā)生腐蝕破壞，浸泡8個(gè)月后表面嚴(yán)重剝落、露石，強(qiáng)度大幅度降低，還發(fā)現(xiàn)商品機(jī)場道面除冰液比CMA化學(xué)試劑的破壞作用更強(qiáng)[2]。針對除冰液的鹽凍機(jī)理，趙鴻鐸[3]、麻海燕等[4]進(jìn)行了一定的研究，發(fā)現(xiàn)除冰液浸泡后的水泥混凝土不會發(fā)生化學(xué)侵蝕作用，其剝落損壞的現(xiàn)象應(yīng)該是由凍融作用引起的。除冰液的鹽凍作用受到很多外部條件的影響，但是對于其他各種影響因素的研究，考慮得并不充分。

因此，文章充分考慮抗鹽凍性能各種可能的影響因素，對于機(jī)場水泥道面抗鹽凍性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期對機(jī)場道面的除冰和降低鹽凍提供研究基礎(chǔ)和指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料配合比

按照《機(jī)場道面水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GJB 1578—92）設(shè)計(jì)使用9種配合比，成型過程根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2002），通過攪拌振搗方式，成型40mm×40mm×160mm小梁試件，24h后拆模，養(yǎng)護(hù)28d。鹽凍前，為使試件達(dá)到飽水狀態(tài)，置于水中浸泡7d[5-6]。

1.2 鹽凍試驗(yàn)方法

根據(jù)機(jī)場道面的實(shí)際狀況，選用單面浸入溶液的方式，根據(jù)國內(nèi)外凍融試驗(yàn)方法中的溫度范圍，凍融過程中最低溫度設(shè)為-20℃，融化過程中最高溫度為15℃。根據(jù)我國《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》（GBJ 82—1985）的描述，一般混凝土凍融循環(huán)時(shí)間耗時(shí)非常久，每次凍融循環(huán)應(yīng)在2～4h，遇到下列3種情況之一即可終止試驗(yàn)：（1）300次凍融循環(huán)；（2）相對動彈性模量下降到60%；（3）質(zhì)量損失5%[7]。該試驗(yàn)制定每次凍融循環(huán)為6h，一天進(jìn)行4次循環(huán)，其中凍結(jié)時(shí)間為3h，融化時(shí)間為3h，每次取樣進(jìn)行測試時(shí)間≤30min。

2 指標(biāo)選取

2.1 剝落量

根據(jù)國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)剝落量＞0.5～1.5kg/m2時(shí)，混凝土不具有抗鹽凍性能。根據(jù)試驗(yàn)，在低濃度（2%～8%）除冰液下，混凝土經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后，其剝落量都＞0.75kg/m2，且混凝土表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯的漿體剝落現(xiàn)象，露出大量骨料。由于機(jī)場的特殊性，鹽凍破壞剝落的細(xì)小顆粒都會產(chǎn)生FOD，如果進(jìn)入發(fā)動機(jī)會發(fā)生不可預(yù)知的危險(xiǎn)，對機(jī)場安全運(yùn)行造成極大的安全隱患，所以需要嚴(yán)格制定剝蝕量的評定標(biāo)準(zhǔn)，以25次鹽凍循環(huán)剝落量為指標(biāo)，≤0.75kg/m2為合格，＞1.5kg/m2時(shí)結(jié)束。

2.2 抗折抗壓強(qiáng)度

對4種不同含氣量的混凝土試件凍融循環(huán)試驗(yàn)前后的抗折抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。發(fā)現(xiàn)抗折強(qiáng)度損失不明顯，沒有明顯的規(guī)律剝蝕量，最大的一組也只損失了6.3%，且強(qiáng)度依舊滿足強(qiáng)度要求，而抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)增大的情況，可能是因?yàn)辂}凍試驗(yàn)過程中混凝土發(fā)生了一定程度的水化使強(qiáng)度增加。鹽蝕剝落是一個(gè)混凝土表面破壞的問題，而抗折強(qiáng)度是反應(yīng)試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞的參數(shù)，抗壓強(qiáng)度是反應(yīng)試件整體破壞的一個(gè)指標(biāo)，所以抗壓抗折強(qiáng)度損失比并不能作為混凝土鹽凍破壞的評論依據(jù)。

2.3 動彈性模量

動彈性模量和抗折抗壓強(qiáng)度一樣也是表征混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要參數(shù)，通過試驗(yàn)測定混凝土動彈性模量對鹽凍剝蝕破壞并不敏感，且混凝土表面發(fā)生剝落后，表面會變得凹凸不平，測量時(shí)會比較困難，增加了更多不可控制因素，且測定離散值會比較大，所以也不適合作為混凝土鹽凍剝蝕破壞的指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 除冰液種類和劑量的影響

為了確定試驗(yàn)溶液種類及濃度，選取成都六維公司生產(chǎn)的NW-056A跑道及FCY-1A飛機(jī)除冰防冰液，其成分分別是醋酸鉀溶液和乙二醇溶液。選用非引氣型混凝土試件A對其進(jìn)行不同濃度混凝土凍融循環(huán)試驗(yàn)。

（1）醋酸鉀除冰液?；炷猎?種濃度醋酸鉀溶液（0%～24%）下凍融循環(huán)的單位剝蝕量如圖1所示。由圖1可知，混凝土試件在純水下各循環(huán)次數(shù)內(nèi)均未見剝落，而在不同濃度醋酸鉀溶液下均出現(xiàn)不同程度鹽凍破壞，且隨濃度增大呈上升趨勢。試件在4%濃度醋酸鉀溶液下破壞最為嚴(yán)重，凍融循環(huán)10次、25次和30次后的剝落量分別為0.474kg/m2（其余濃度剝落量的2倍）、1.42kg/m2和1.89kg/m2，試件表面也從出現(xiàn)許多坑洞及裂紋，到砂漿層已完全剝落，露出大量骨料，再到凹凸不平。試件表面變化情況如圖2所示。4%濃度醋酸鉀溶液下，試件鹽凍破壞最為嚴(yán)重，2%和8%濃度下破壞情況相近，較為緩慢。此3種濃度下試件表面均出現(xiàn)嚴(yán)重的漿體剝落、骨料外露的情況。24%濃度下，基本未見剝落，30次循環(huán)后，剝落量僅0.25kg/m2，試件僅邊角處有損壞。

圖1 不同濃度醋酸鉀溶液凍融循環(huán)的剝落量

圖2 試驗(yàn)過程中4%醋酸鉀濃度下實(shí)物圖

（2）乙二醇除冰液?；炷猎?%～24%6種濃度乙二醇溶液下，試驗(yàn)后的單位剝蝕量如圖3所示。其結(jié)果和醋酸鉀溶液相近，且試件表面破壞過程相似，同樣是4%濃度的乙二醇溶液剝落量最大，所以不再對其進(jìn)行討論?？芍}凍循環(huán)試驗(yàn)采用4%濃度的鹽溶液作為最不利的條件進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^快速地反映出混凝土的抗鹽凍性能。

圖3 不同濃度乙二醇溶液凍融循環(huán)的剝落量

3.2 含氣量的影響

在成型混凝土?xí)r通過摻入引氣劑能夠產(chǎn)生大量微小且均勻的氣泡，可以提高施工和易性，減少離析和泌水，對提高硬化混凝土勻質(zhì)性有很大的幫助，能夠大大提高抵抗淡水的凍融破壞的效果。將成型好的不同含氣量的4組試件分別在4%醋酸鉀溶液中進(jìn)行鹽凍循環(huán)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)剝落量結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同含氣量混凝土凍融循環(huán)的剝蝕量

據(jù)圖4可知，剝落量隨含氣量的增加而逐步降低，但降低效果逐漸減弱，存在最佳含氣量?？傮w而言，引氣混凝土的剝落量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未引氣混凝土，剝落量最高可以減少64%，由此可以說明引氣也能夠很好地提高混凝土的抗鹽凍效果。在此配合比下混凝土25次鹽凍循環(huán)剝落量M25（kg/m2）隨著混凝土含氣量A（%）變化的回歸方程如式1所示：

根據(jù)上述方程，該配合比下混凝土的含氣量應(yīng)大于4.06%，才能達(dá)到抗鹽凍標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合混凝土經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)、坍落度及相關(guān)規(guī)范，指導(dǎo)含氣量介于5%～7%。

3.3 水灰比的影響

除了含氣量，水灰比也是影響混凝土抗鹽凍性能的重要因素。文章采用固定水泥用量、變化用水量方式改變水灰比，分別對引氣和不引氣混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 水灰比對混凝土剝落量的影響

通過圖5可看到，無論是引氣還是非引氣混凝土，剝落量都隨著水灰比的變大而增加，抗鹽凍性能降低。這是因?yàn)樗冶茸兇螅炷恋恼w性能會降低，混凝土內(nèi)部毛細(xì)孔數(shù)、平均孔隙直徑會隨之增加。水灰比對非引氣混凝土來說影響更顯著，當(dāng)水灰比從0.46降低到0.38，剝落量減少了59.0%，說明對于非引氣混凝土，降低水灰比可以提高其抗鹽凍性能。由此說明含氣量是混凝土抗鹽凍性能中最重要的影響因素。

3.4 粉煤灰的影響

在機(jī)場剛性道面的施工中會加入一定量的粉煤灰用以提高施工的和易性和降低水化熱的生成，能夠提高道面的綜合性能。對此，需要進(jìn)一步討論粉煤灰對混凝土抗鹽凍性能的影響。該研究分別對不同粉煤灰摻量的引氣和不引氣混凝土進(jìn)行鹽凍循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 粉煤灰摻量對混凝土剝落量的影響

通過圖6可看到，未引氣時(shí)混凝土抗鹽凍性能隨著粉煤灰摻量的增加而下降，但通過引氣可以改善粉煤灰混凝土的抗鹽凍性能，使之滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

（1）剝落量為最合適的檢驗(yàn)抗鹽凍性能的指標(biāo)，抗壓抗折強(qiáng)度損失比和動彈性模量并不適合作為混凝土鹽凍破壞的評論依據(jù)。

（2）無論是醋酸鉀溶液還是乙二醇溶液，均在4%濃度產(chǎn)生最大的鹽凍剝落量，且試件表面破壞過程相似。

（3）引氣劑摻加能夠顯著提高混凝土抗鹽凍性能，提高混凝土含氣量，可有效減少鹽凍循環(huán)造成的鹽凍剝蝕現(xiàn)象，減少剝落物的產(chǎn)生。但存在一個(gè)最佳含氣量，過度引氣反而會起到不利的效果，建議含氣量在5%～7%。

（4）混凝土抗鹽凍性能隨著水灰比的提高而下降。對非引氣混凝土而言，水灰比降低對抗鹽凍性能有顯著影響，而對引氣混凝土效果并不是很明顯。

（5）摻入粉煤灰反而會降低混凝土抗鹽凍性能，不建議使用大量粉煤灰。若施工需要時(shí)應(yīng)摻入引氣劑提高其抗鹽凍性能。