機(jī)場水泥混凝土道面防水性能研究

元翔，于磊

［（福州）國際航空港有限公司，福建 福州 350209］

0 引言

機(jī)場水泥混凝土道面通常都是大體量道面，由于溫度應(yīng)力的破壞作用[1-2]，不得不設(shè)置接縫，但卻給水泥混凝土道面帶來了許多問題，其中危害最大的是接縫成為表面雨水滲入道面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的主要通道[3]。而目前我國生產(chǎn)的嵌縫料使用期都很短，一般在投產(chǎn)一年后都不同程度地出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，特別是在南方多雨地區(qū)[4]。路基道面內(nèi)外部排水關(guān)系著道面服務(wù)性能指標(biāo)（道面行駛質(zhì)量指數(shù)、道面抗滑性能指數(shù)），試驗表明，水損壞是造成道面結(jié)構(gòu)損壞的原因中最主要和危害性最大的一類[5-9]。調(diào)查顯示[10]，水泥混凝土道面所產(chǎn)生的唧泥、錯臺、開裂和斷板均與水的存在有關(guān)系。機(jī)場道面水的來源廣泛，降落在道面表面的水，如果不能及時通過道面橫坡或縱坡排走，會經(jīng)由道面的縱、橫向接縫、裂縫或面層空隙滲透到道面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，即道面滲透；在道面排水溝較淺的地方，道面縱斷面的坡度較平緩或零坡部位，水從高水位處向道面結(jié)構(gòu)層中的路測滲流可能成為水的重要來源；此外，地下水位的上升可能顯著增加進(jìn)入道面結(jié)構(gòu)層中的水[11-14]。當(dāng)?shù)烂娼Y(jié)構(gòu)內(nèi)存在自由水時，每一次重復(fù)軸載導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損壞比道面處于相對干燥時要多 40 倍甚至更多[15]。水的存在是引起水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)破壞的主要原因，原因是處于板角和板邊處的土基，易受表面降水的侵蝕，會使土基處于飽和狀態(tài)[16]。土基中的細(xì)料土?xí)S水的侵入而析出呈現(xiàn)出液態(tài)。在飛機(jī)荷載作用下，道面板對土基產(chǎn)生沖擊作用，使得細(xì)粒土沿著板縫上升，即出現(xiàn)唧泥現(xiàn)象。隨著唧泥現(xiàn)象的深入發(fā)展，進(jìn)而在板角和板邊出現(xiàn)脫空，引起道面板的斷裂。引起沖刷和唧泥的主要原因可歸結(jié)為：一是路基或基層材料中含有細(xì)料；二是頻繁車輛荷載的作用；最關(guān)鍵的是道面板與基層及路基之間有自由水存在[17-20]。

此外，混凝土中多余的水分蒸發(fā)后，會形成空隙，而寒區(qū)機(jī)場所特有的凍融循環(huán)效應(yīng)[21]，極易使水泥混凝土道面板在溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力作用以及機(jī)輪重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生使得空隙貫通，從而產(chǎn)生毛細(xì)細(xì)微裂紋，而這些細(xì)微裂紋成為外界水汽進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的通道，且極易產(chǎn)生虹吸作用[22]。

故機(jī)場道面防水關(guān)鍵是解決混凝土的孔隙率和透濕性問題?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)的毛細(xì)管與混凝土的孔隙率和滲透性直接相關(guān)?；炷恋母邼B透性允許空氣和濕氣的滲透，特別在道面設(shè)置鋼筋的情況下，會導(dǎo)致鋼的腐蝕，從而導(dǎo)致鐵銹后內(nèi)部鋼筋體積的擴(kuò)大，最終導(dǎo)致混凝土表層的開裂和剝落，從而結(jié)構(gòu)惡化。故混凝土的低滲透性是保護(hù)材料免受硫酸鹽、酸、碳化、霜凍、堿集料反應(yīng)、風(fēng)化和其他混凝土病害影響的最重要因素。它是混凝土的一個特性，可以延長暴露在惡劣環(huán)境條件下的結(jié)構(gòu)壽命[23]。

因此，深入了解水對道面結(jié)構(gòu)的損壞形式，提出相應(yīng)的水損壞防治措施，對于提高道面使用性能、延長道面使用壽命具有重要的意義。南方，特別是沿海機(jī)場，由于其特殊的地理位置以及亞熱帶海洋性氣候，海陸熱力性質(zhì)差異顯著。受季風(fēng)和海陸風(fēng)的共同影響，產(chǎn)生大風(fēng)的天氣形勢主要為臺風(fēng)和強(qiáng)冷空氣或者冷臺結(jié)合型。機(jī)場道面破損主要誘因是耐久性破壞。潮濕多雨，海風(fēng)、雨水等對道面的侵蝕使得道面出現(xiàn)不同程度的剝落現(xiàn)象。雨水中的酸性成分使混凝土中堿濃度降低。而堿性環(huán)境下才有利于混凝土水化物的存在，否則將造成水泥石結(jié)構(gòu)的耐久性破壞。本文為探究高溫條件下，道面遭遇冷雨情況下的表面性能變化過程，開展室內(nèi)模擬試驗。以常用的道面表面處理材料以及普通水泥混凝土試塊為對照，研究滲透結(jié)晶防水劑對機(jī)場道面的防護(hù)效果[24]。

1 試驗

1.1 試驗材料

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

（1）模擬機(jī)場道面板的立方體混凝土試塊材料：水泥：唐山奧順?biāo)鄰S P·O52.5。

集料：5～20mm 和 20～40mm 連續(xù)級配碎石；0.63mm 的方孔篩下累計篩余量 68% 的天然河砂，其細(xì)度模數(shù)為 2.75。

水：自來水。

（2）表面處理覆層材料：已投入機(jī)場道面使用的超薄層快速修補(bǔ)材料，其硬化時間為 90 min，硬化強(qiáng)度為 35MPa。經(jīng)過其表面處理后，道面表面性能提升至少 10%，具有較好的防水性能。

（3）深層滲透性封孔防水劑：無機(jī)水性滲透結(jié)晶防水劑。

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》用 YH-40B 型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱對標(biāo)準(zhǔn)立方體混凝土試塊（150mm×150mm×150mm）養(yǎng)護(hù)28d。

使用 DGG-101-2S 型電熱鼓風(fēng)干燥箱的加熱功能模擬飛機(jī)尾流對道面快速升溫作用。

使用 HC-U8 系列多功能混凝土超聲波檢測儀無損測試與觀察試件表面形貌情況。

1.3 試驗方案

為形成對照，將制備好的普通水泥混凝土試件表面用鋼刷對其表面進(jìn)行清潔處理以除去表層浮土和松動粒料（圖 1），然后分為 3 組，a 組為普通水泥混凝土對照組，b 組進(jìn)行表面防水處理（圖 2），c 為普通表面處理覆層材料，有一定的防水功能，對試件表面進(jìn)行同等厚度的表層處理（圖 3）。將 3 組試塊置于 75℃恒溫箱（型號：DGG-101-2S 電熱數(shù)顯恒溫鼓風(fēng)干燥箱）烘烤 5h（圖 4），以模擬日間道面處于較高環(huán)境溫度狀態(tài)下工作；取出立即使用近 0℃的水澆灑，使其表面溫度驟降（圖 5），以此來模擬道面遇冷雨狀況的影響。待其溫度降至室溫，測試試件相關(guān)性能，即完成一組溫度驟降試驗，再次將 . 組試件置于恒溫箱進(jìn)行 75℃ 烘烤，為下一次試驗做準(zhǔn)備。

圖1 除去表層浮土和松動粒料

圖 2 試件噴涂

圖3 制備完成的試樣

圖 4 置于恒溫箱進(jìn)行加熱

圖5 溫度驟降模擬試驗

2 試驗結(jié)果與討論

通過室內(nèi)試驗，利用多功能混凝土超聲波檢測儀無損測試試件表面結(jié)構(gòu)層變化情況。利用 Matlab 編寫程序，實現(xiàn)圖像二值化轉(zhuǎn)換。

由圖 6 可以觀察到，溫度驟降試驗循環(huán) 6 次之后，普通水泥混凝土試塊表面已經(jīng)出現(xiàn)貫穿裂縫以及表層剝落的狀況，且在較寬較深的裂縫周圍出現(xiàn)一系列微小裂縫；c 表面處理覆層材料表觀具有較大原始坑洞，溫度驟降作用下，其表面熱脹冷縮導(dǎo)致使其坑洞之間出現(xiàn)細(xì)微裂縫；而 b 組進(jìn)行表面防水處理之后的試塊，未出現(xiàn)裂縫或者坑洞，表面基本完好，不影響使用。

由圖 7 可以觀察到，溫度驟降試驗循環(huán) 7 次之后，普通水泥混凝土試塊表面已經(jīng)呈現(xiàn)龜裂狀，表層剝落嚴(yán)重，且裂縫寬度約為 1.0mm；較 6 次循環(huán)而言，表面狀態(tài)惡化嚴(yán)重，有 FOD 風(fēng)險存在，這是因為試件表面熱脹冷縮所造成的裂縫、集料脫落等缺陷為水進(jìn)出混凝土提供了通道，加速其劣化程度，這些與水有關(guān)的問題會導(dǎo)致進(jìn)一步的混凝土損壞，例如剝落、收縮、起皮等。c 表面處理覆層材料表觀原始坑洞之間出現(xiàn)細(xì)微裂縫貫穿、裂縫相互連接。而對于 b 組進(jìn)行表面防水處理之后的試塊而言，未出現(xiàn)裂縫或者坑洞，部分麻面產(chǎn)生，表面基本完好，不影響使用。

圖7 溫度驟降試驗循環(huán) 7 次

由圖 6 和圖 7 可知，采用表面防水技術(shù)能有效抑制道面裂縫的發(fā)展速度、增強(qiáng)道面細(xì)觀結(jié)構(gòu)的完整性，對于提高場道使用壽命、減少 FOD 的形成具有積極作用。這是因為混凝土的劣化過程很大程度上取決于水和濕氣通過孔隙和毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)的滲透。影響混凝土性能的因素包括滲透性和其他傳輸特性。

滲透結(jié)晶防水劑是水基滲透結(jié)晶型防水材料，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)層中有水時還可以繼續(xù)反應(yīng)，直到“吸干”水分為止。防水機(jī)理是與混凝土中的游離堿產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成穩(wěn)定的枝蔓狀晶體膠質(zhì)，能有效地堵塞混凝土內(nèi)部微細(xì)裂縫和毛細(xì)孔，使混凝土結(jié)構(gòu)具有持久的防水功能和更好的密實度及抗壓強(qiáng)度，并為混凝土提供良好的透氣性。該材料可滲透至混凝土內(nèi)部，滲透深度達(dá)20～30mm，同時還能有效地阻止酸性物質(zhì)、油漬和機(jī)油對混凝土的侵蝕。

3 結(jié)論

本文為探究高溫條件下，道面遭遇冷雨情況下的表面性能變化過程，開展室內(nèi)機(jī)場道面試塊溫度驟降模擬試驗。以常用的道面表面處理材料以及普通水泥混凝土試塊為對照，研究滲透結(jié)晶防水劑對機(jī)場道面的防護(hù)效果。得出以下結(jié)論：

（1）不采取任何防護(hù)措施的情況下，普通混凝土道面在日間升溫之后，突遇冷雨的工況下，對道面會造成較為嚴(yán)重的影響。加速試驗表明，在經(jīng)歷 6 次循環(huán)之后，普通混凝土道面表面出現(xiàn)貫穿裂縫和與之連接的微裂縫，7 次循環(huán)之后出現(xiàn)，出現(xiàn)道面龜裂現(xiàn)象，且劣化速率不斷加快。

（2）水泥混凝土道面防水材料對道面防護(hù)效果最好。因為采用表面防水技術(shù)能有效抑制道面裂縫的發(fā)展速度、增強(qiáng)道面細(xì)觀結(jié)構(gòu)的完整性，對于提高場道使用壽命、減少 FOD 的形成具有積極作用。

（3）靠近地下水位或暴露在濕度相對較高的環(huán)境中的結(jié)構(gòu)容易進(jìn)水，暴露環(huán)境的溫度和濕度變化以及其他因素會導(dǎo)致道面出現(xiàn)裂縫，研究表明由于地下結(jié)構(gòu)中的水滲透導(dǎo)致鹽結(jié)晶致使水泥混凝土基礎(chǔ)設(shè)施性能退化。本文對于沿海地區(qū)浸水和其他腐蝕性介質(zhì)存在的情況下道面使用壽命的提高具有指導(dǎo)意義。