寒區(qū)機場剛性道面薄層修補材料性能試驗分析

馮莉，劉國光，楊躍敏

（中國民航大學 交通科學與工程學院，天津 300300）

0 引言

跑道是機場最重要的地面基礎設施以及地面服務資源。作為機場內的主體工程項目，其道面質量和使用品質直接關系到機場的運行安全和飛機的起降安全。跑道通常分為剛性道面、柔性道面和復合道面3類，而剛性道面是目前的主流類型[1]。良好的結構性能和功能性能（摩擦性能、平整度）是跑道運行安全的重要保障[2]。在寒冷地區(qū)，混凝土板塊尺寸和含冰量會因季節(jié)不同而發(fā)生較大變化[3]，凍融循環(huán)導致硬化的水泥膏體出現(xiàn)微裂縫，從而使水進入未水化水泥的殘余部分，水泥發(fā)生二次水化作用，孔隙中充滿了水化產物[4]。尤其是當環(huán)境溫度達到-10℃以下時，混凝土凍融作用效果將會發(fā)生突變，凍融破壞現(xiàn)象明顯增大[5]。隨著使用年限增加以及周圍環(huán)境季節(jié)性變化，再加上在飛機起落架沖擊荷載與凍融循環(huán)的耦合作用，跑道會出現(xiàn)不同類型的結構性損壞和功能性損傷[6-7]。孔隙結構不斷變化，機場道面易出現(xiàn)開裂、剝落、麻面和露砂等工程病害，造成道面表層破損嚴重，影響其摩擦性能和平整度，嚴重時會產生外來入侵物（FOD）危及航行安全[8-9]。

通常有3種方法處理上述道面問題：更換道面板[10]、采用補丁[11]和薄層修復[12]。因此，高性能改性有機混凝土[13]、專用土工布[14]、新型快硬修補材料[15]等多種施工材料及其施工工藝也相繼出現(xiàn)。為保證機場不停航，道面修補通常需要具有強度生成快、受環(huán)境影響較小以及道面相容性好的特點，現(xiàn)階段機場日常維護中更多采用薄層修復的方式解決道面破損問題。

針對薄層修復材料工程適用性能的研究主要集中在快硬、高強、抗凍和耐磨等方面。且修補材料進行充分水化反應會受到溫度的限制[16]，寒區(qū)機場道面冬季發(fā)生破損需要緊急搶修時，低溫會導致材料水化反應不充分，從而使得修補層和道面間的粘結層形成薄弱環(huán)節(jié)，常在凍融循環(huán)和飛機機輪重復荷載作用下發(fā)生破損。

為了更好地了解修補材料性能，本文使用2類機場工程領域常用快速修補材料開展了薄層修補試驗，分析了不同厚度的修補薄層在低溫環(huán)境下養(yǎng)護水化熱曲線和薄層在凍融循環(huán)及沖擊荷載共同作用下的耐久性，同時利用劈裂試驗比較了不同薄層修補厚度的粘結性能差異，總結了不同修補厚度對應的破壞形式，提出了道面病害超薄層修補方法。

1 試驗

1.1 原材料

根據(jù)MH 5006—2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規(guī)范》和MH/T 5004—2010《民用機場水泥混凝土道面設計規(guī)范》相關規(guī)定，選取如下試驗原料：

模擬機場道面板的立方體混凝土試塊材料：唐山奧順水泥廠P·O52.5水泥；5~20 mm和20~40 mm連續(xù)級配碎石；天然河砂，細度模數(shù)2.75，0.63 mm方孔篩篩余68%；自來水。

快速修補材料：材料X和材料B均為某機場道面快速修補材料樣品；其中，材料X硬化時間為95 min，硬化強度為35 MPa；材料B為磷酸鹽無機材料，其硬化時間為90 min，硬化強度為35 MPa；2種材料均具有快硬早強、高粘結、高耐久的特性。

1.2 試驗儀器及方法

參照JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》采用YH-40B型標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱將標準立方體混凝土試塊（150 mm×150 mm×150 mm）養(yǎng)護28 d。

表面回彈沖擊試驗參照DB37/T 2366—2013《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規(guī)程》進行，試驗設備為ZC3-A回彈儀。

凍融試驗參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。采用冷凍箱模擬低溫環(huán)境，使用DGG-101-2S型電熱鼓風干燥箱的加熱功能模擬飛機尾流對道面快速升溫作用。

劈裂抗拉、抗壓、抗折試驗依據(jù)JTG 3420—2020進行，試驗設備為EHC-310型微機控制電液伺服萬能試驗機和頂面半徑75 mm弧形的劈裂鋼墊條。

1.3 試驗方案

（1）低溫養(yǎng)護環(huán)境下快速修補材料的有效水化反應時間

將預先澆筑好的10組立方體混凝土試塊在溫度為-15℃的冷凍箱內養(yǎng)護24 h，取出后對其表面進行清潔處理以除掉表層浮土和松動顆粒，然后對其表面進行薄層快速修補（修補厚度分別為6、12、18、24、30 mm），修補過程中在新面層內預埋溫度傳感器，修補完成后立即放回冷凍箱繼續(xù)低溫養(yǎng)護。通過溫度傳感器每隔8 min測試1次低溫養(yǎng)護環(huán)境下快速修補材料的溫度，比較其有效水化反應時間。

（2）凍融循環(huán)及沖擊荷載作用下修補薄層的耐久性

取修補厚度分別為6、12、18 mm的試塊在冷凍箱中低溫養(yǎng)護24 h后，進行-21~150℃凍融循環(huán)試驗。將試塊放入溫度為-21℃的冷凍箱低溫養(yǎng)護3 h，再放入溫度為150℃恒溫箱中持續(xù)高溫養(yǎng)護1.5 h。每次高溫養(yǎng)護完成后，對薄層修補區(qū)域進行1次表面回彈沖擊試驗。直至試塊表面出現(xiàn)明顯破壞，凍融循環(huán)試驗停止，進而通過回彈值來推定修補層強度及其變化規(guī)律。

（3）超薄層修補區(qū)域界面粘結能力評價

將預先澆筑的立方體混凝土試塊分別通過2、4、10 mm三種厚度的快速修補材料兩兩粘結在一起，通過劈裂抗拉試驗，利用萬能試驗機以及劈裂鋼墊條對修補層施加壓力，以模擬飛機機輪對修補層的水平力作用，進而確定快速修補材料薄層的破壞形式和粘結能力。

2 有效水化反應時間及薄層厚度選擇

當混凝土溫度為5℃時，水化反應緩慢，當溫度降到0℃時水化反應基本停止，而道面快速修補材料初凝階段充分水化反應對材料強度的生成有極其重要的作用，水化熱和水化反應時間是表征水化反應的重要指標。溫度從入模時開始監(jiān)測，快速修補材料在反應過程中焓的凈變化量以熱量的形式釋放出來且可以用溫度傳感器來測量。2種不同厚度快速修補材料的水化熱曲線如圖1所示。

圖1 2種不同厚度快速修補材料的水化熱曲線

由圖1可見，在環(huán)境溫度-15℃條件下，2種快速修補材料入模之后的20 min內水化放熱特征差異較大。對比2種材料的入模溫度可知，材料X的入模溫度最高為30 mm修補厚度所對應的18.6℃，最低是6 mm修補厚度所對應的13.8℃，總體來說初凝階段水化過程較慢；而對于材料B，其30 mm修補厚度的入模溫度最高達到了43.5℃，最低6 mm修補厚度對應的入模溫度也達到了19.3℃，初凝階段水化反應較劇烈?？梢?，材料B入模時溫度較高，放熱顯著。2種材料在開始養(yǎng)護后，水化溫度整體都呈下降趨勢。對比其水化反應停止時間可見，材料X最早在104 min終止，而材料B最早在第128 min才基本終止，這說明材料B水化反應時間更長，反應更加充分。這是由于初凝階段修補材料含水量較高，不同厚度面層導熱系數(shù)接近，在沒有其他養(yǎng)護措施下水化放熱作用均受到了抑制。材料B結合了傳統(tǒng)水泥的硬度和耐久性以及燒結陶瓷的易加工性等性能，水化熱是由酸堿反應而不是水化決定的，其入模溫度會升高，相應地，更高的溫度會反過來增加其間氧化物組分在漿料中的溶解度，且其水化反應時間更久，水化反應更加充分。

綜上，修補層厚度對材料的水化反應影響并不顯著，為體現(xiàn)薄層修復特征，后續(xù)凍融試驗中僅選取6、12、18 mm三種厚度的薄層修補試樣進行凍融循環(huán)，比較其破壞特性。

3 薄層在凍融循環(huán)與沖擊荷載作用下的強度和耐久性

3.1 無沖擊荷載作用時修補薄層凍融的破壞特征

為了降低凍融試驗中的人為誤差，更直觀地對比2種修補料的工作性能和破壞特征，進行了2種材料的同工況對比試驗。在相同試驗條件下對同一混凝土試塊的表面進行了3種不同厚度的薄層修補，觀察其僅在凍融循環(huán)作用下的耐久性。在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，其表面破壞特征隨著厚度的增加呈規(guī)律性變化，如圖2所示。

圖2 僅在凍融循環(huán)作用下不同厚度修補薄層試塊的表面狀況

由圖2可見，修補層厚度為6 mm的2種快速修補料在凍融循環(huán)25次時，修補層基本完好，但隨著循環(huán)次數(shù)的增多，破壞開始逐步顯現(xiàn)，當循環(huán)次數(shù)為67次時，材料X薄層中間開始出現(xiàn)裂縫并逐步貫穿整個修補面，材料B薄層僅在邊緣位置出現(xiàn)了局部裂縫，表明僅在凍融循環(huán)作用下，修補層厚度為6 mm的材料B薄層與試塊的整體性能相對較好。修補層厚度為12 mm的2種快速修補料在凍融循環(huán)40次時，修補層基本完好。當循環(huán)次數(shù)為83次時，材料X薄層表面裂縫加劇，多條裂縫相互貫穿，而材料B薄層在右邊以及中間部分出現(xiàn)一些輕微裂縫，整體性仍舊良好。修補層厚度為18 mm的2種快速修補料在凍融循環(huán)50次時，修補層基本完好。當凍融循環(huán)95次時，材料X薄層中間出現(xiàn)裂縫，且有貫穿表面的趨勢，而材料B薄層，僅在修補區(qū)域左邊出現(xiàn)了一些輕微裂縫，整體仍舊完好。

通過對比2種薄層修補材料的凍融破壞特征可知：無外界沖擊荷載作用時，薄層越厚，凍融耐久性能越好，修補的可靠性越高，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞特征為表面局部開裂但未出現(xiàn)整體脫落的情況。

3.2 沖擊作用下的薄層凍融破壞特征

3.2.1 修補材料X的破壞特征

分別對3種不同厚度的材料X修補試件進行沖擊荷載作用下的凍融循環(huán)試驗，其在凍融循環(huán)下的破壞特征如圖3和圖4所示。

圖3 沖擊荷載作用下材料X修補薄層的凍融破壞形態(tài)

圖4 材料X修補薄層的沖擊回彈強度

由圖3、圖4可知，6 mm修補厚度的材料X修補薄層在凍融循環(huán)15次時，修補層一角開裂并剝落，其開裂破壞前強度為21.8 MPa，高于平均強度21.3 MPa；當凍融循環(huán)37次時，其裂縫逐漸變大，貫穿整個表面，導致修補層完全破壞。初步開裂直至完全破壞，其開裂后強度為19.8 MPa。表明當有外荷載作用時，6 mm薄層平均強度低于開裂前強度，表現(xiàn)為裂縫破壞，開裂后強度下降9%。出現(xiàn)了貫通裂縫但未發(fā)現(xiàn)大面積掉塊脫落現(xiàn)象。

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12 mm厚度的材料X修補層在凍融循環(huán)25次時，表面仍完好，凍融循環(huán)44次時，修補層突然發(fā)生整體脫落破壞，其開裂前強度為22.8 MPa，強度均勻下降。其強度滿足要求，但從試驗破壞結果來看，修補薄層與原混凝土試塊表面的粘結性不足。18 mm厚度的材料X修補層在凍融循環(huán)40次時，表面仍舊完好，凍融循環(huán)58次時，修補層整體脫落，完全破壞，其開裂前強度為27.6 MPa，遠低于初始強度30.1 MPa。表明，雖然修補厚度較12 mm大，但破壞前的沖擊強度卻顯著下降，破壞模態(tài)為整體脫落。表明12 mm及18 mm修補層的平均強度高于開裂前強度，表現(xiàn)為脫落破壞，修補會伴隨薄層脫落而失效，主要集中于整體的結構強度衰減。

3.2.2 修補材料B的破壞特征（見圖5、圖6）

圖5 沖擊荷載作用下材料B修補薄層的破壞形態(tài)

圖6 材料B修補薄層的沖擊回彈強度

由圖5、圖6可知，6 mm厚度的材料B修補層在凍融循環(huán)15次時，修補層中間部分開始出現(xiàn)輕微裂縫，其開裂前強度為23.6 MPa，高于平均強度22.7 MPa。在凍融循環(huán)33次時，其裂縫逐漸變大，中部有部分脫落，導致修補失效。從初步開裂直至完全破壞，其平均強度為21.8 MPa，強度逐步降低。未發(fā)現(xiàn)大面積掉塊脫落情況，只出現(xiàn)了局部裂縫，可知，其與被修補混凝土試塊的粘結性能較好。12 mm厚度的材料B修補層在凍融循環(huán)25次時，修補層中間部分開始出現(xiàn)輕微裂縫，下部邊緣有小面積掉塊，其開裂前強度為29.1 MPa，稍高于平均強度28.2 MPa。在凍融循環(huán)44次時，其裂縫逐漸變大，貫穿整個表面，導致試塊失效。初步開裂直至完全破壞，其平均強度為26.7 MPa。可知，其與被修補混凝土試塊的粘結性能整體較好，整體強度表現(xiàn)較好且完全破壞前經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)較高，但因局部粘結不良導致的局部剝落。表明6 mm及12 mm薄層平均強度大于開裂前強度，表現(xiàn)為裂縫破壞，強度下降平均為7.8%。

18 mm厚度的材料B修補層在凍融循環(huán)65次時，修補層表面仍舊完好，并沒有很大的變化，其測試平均強度為31 MPa。在回彈儀沖擊荷載作用下修補后的表面未出現(xiàn)裂縫或剝落。

綜上表明，修補材料在開裂前強度低于平均強度時，修補薄層易表現(xiàn)為整體脫落；相反，在開裂前強度高于平均強度時，修補料與試塊的粘結力好，不易出現(xiàn)整體脫落，而表現(xiàn)為裂縫破壞。對比材料X和材料B，材料B表現(xiàn)出更好的性能。材料B修補薄層在破壞形式上多表現(xiàn)為裂縫破壞，有效凍融循環(huán)次數(shù)也相對高于材料X的修補薄層。在沖擊荷載作用和凍融循環(huán)耦合作用時，修補厚度較薄時表現(xiàn)為開裂破壞，隨著修補厚度增加整體剝落的趨勢不斷加大。

4 超薄層修補界面粘結性能分析

從有效水化反應時間、沖擊回彈強度以及耐久性的比較來看、材料B的各項性能均優(yōu)于材料X，為體現(xiàn)材料B的薄層修復能力，對其粘結性作了進一步探究，將邊長為15 cm的立方體試塊通過2 mm（記為SP2）、4 mm（記為SP4）和10 mm（記為SP10）三種厚度的快速修補材料B兩兩粘結，并低溫養(yǎng)護2 h后，進行劈裂抗拉試驗。測得材料B的破壞臨界剪應力（壓力機施加壓力/薄層面積）平均值分別為59.3、63.6、36.2 MPa，可知當修補層厚度小于4 mm時，修補層厚度每增加1 mm，抗剪強度提高2.2 MPa；當修補層大于4 mm時，厚度每增加1 mm，抗剪強度降低4.5 MPa。對應的典型破壞形式見圖7。

圖7 劈裂抗拉下不同厚度超薄層破壞形式

道面薄層修補后的破壞特征同修補厚度關系緊密，修補層厚度較薄，其修補層材料強度不足以承受機輪荷載，易發(fā)生自身強度破壞；隨著修補厚度增加，其剛度也增加，在相同變形條件下其分擔的荷載更多，但是厚度較厚時，修補層與原道面的粘接界面強度不足，修補界面易產生整體脫落。此外，SP4試樣的結果出現(xiàn)了強度破壞和整體剝落同時發(fā)生的情況，如圖7（b）所示，說明當修補材料厚度為4 mm時，修補界面處的界面抗剪強度和修補材料自身的抗剪強度相當，發(fā)揮修補材料在界面修補的最大作用。

通過掃描電鏡可以觀察到材料B修補界面粘結程度的微觀形貌，在掃描電鏡下可以清晰看到4 mm修補層的原混凝土試塊和薄層修補材料之間形成的清晰界面（見圖8），材料B和混凝土試塊結合緊密，整體性較強，未發(fā)現(xiàn)孔洞等缺陷。之所以會表現(xiàn)出如此好的粘結性能，是由于材料B原料中的金屬陽離子和磷酸鹽陰離子間發(fā)生了酸堿反應，同時其間的羥基磷灰石[17-18]提供材料B良好的生物相容性。

圖8 材料B修復界面的掃描電鏡照片

同時，與傳統(tǒng)氣硬性膠凝材料在凝結硬化過程中會發(fā)生體積收縮現(xiàn)象不同的是，材料B在凝固過程中會出現(xiàn)體積輕微膨脹的現(xiàn)象。膨脹應力可以抵消普通水泥混凝土收縮拉應力，防止裂縫產生，增強其粘結性能。

4 結論

（1）2種不同厚度修補材料在低溫環(huán)境下的水化反應曲線表明，在-15℃低溫環(huán)境抑制水化放熱作用的情況下，材料B相比于材料X有效水化反應持續(xù)時間長約30 min，初始水化熱溫度升高26.7℃，且溫升效應對后續(xù)一系列反應有正反饋作用，故水化反應更加充分，材料B的修補性能優(yōu)于材料X。

（2）綜合2種材料的3種不同厚度修補薄層在凍融循環(huán)下受沖擊荷載作用和未受到?jīng)_擊荷載作用時各自的破壞形態(tài)對比分析發(fā)現(xiàn)，當無外荷載作用時，修補層越厚，耐久性越好，修補可靠性隨著厚度的增加而提高，破壞形式多表現(xiàn)為表面開裂破壞，因此建議寒區(qū)機場無機輪荷載區(qū)域采取適當加厚修補層以增強道面抗凍融破壞能力。當有外荷載作用時，材料X的6 mm薄層時開裂前強度大于平均強度，表現(xiàn)為裂縫破壞，開裂后強度下降9%，12 mm及18 mm修補層的開裂前強度低于平均強度，故表現(xiàn)為脫落破壞，修補會伴隨薄層脫落而失效。材料B的6 mm及12 mm開裂前強度高于平均強度，故表現(xiàn)為裂縫破壞，平均強度下降7.8%。表明凍融循環(huán)及沖擊荷載耦合時對修補層強度有破壞作用，此時不能采取增加修補層厚度來增強修補性能。

（3）材料B是理想的薄層修補材料，其在凝固過程中會輕微膨脹，修補層與原道面相容性好。劈裂試驗表明，修補層較薄時，修補界面出現(xiàn)本體強度破壞，隨著修補層厚度增加，破壞形式由本體強度破壞逐漸演變成整體脫落，且當修補層厚度小于4 mm時，修補層厚度每增加1 mm，抗剪強度提高2.2 MPa；當修補層大于4 mm時，厚度每增加1 mm，抗剪強度降低4.5 MPa。建議超薄層修補采用材料B，且修補層厚度為不宜超過4 mm。