水泥混凝土路面銹色斑塊病害機(jī)理分析與防治措施

孫忠金

(民航機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司東北分公司 沈陽(yáng)市 110000)

0 引言

近期在某沿海機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了銹色斑塊病害，根據(jù)銹色斑塊的大小以及發(fā)展程度，分為初期、中期、后期三類(lèi)：初期時(shí)多呈現(xiàn)銹色裂縫并輕微凸起的狀態(tài)，此時(shí)砂漿層表面較為堅(jiān)硬，未見(jiàn)明顯脫落；中期表現(xiàn)形式為裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，漿層輕微脫落，受外力砂漿層即剝落；后期時(shí)砂漿層完全脫落，形成大小不一的銹色凹坑。三種狀態(tài)如圖1所示。銹色斑塊主要分布于航站區(qū)道路以及巡場(chǎng)路上，并且有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。這些銹色斑塊使道面表面松散，砂漿層極易脫落，從而造成FOD風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行產(chǎn)生安全隱患。

圖1 銹色斑塊狀態(tài)

該機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)的不明銹色斑塊在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)資料記載，為一種在水泥路面中首次出現(xiàn)的大規(guī)模、持續(xù)擴(kuò)散的表面病害。目前針對(duì)出現(xiàn)的銹色斑塊非結(jié)構(gòu)性病害持續(xù)發(fā)展情況，多采用快速修復(fù)材料對(duì)破損的區(qū)塊進(jìn)行修復(fù)。此方法只能對(duì)表現(xiàn)出破壞現(xiàn)象的區(qū)域進(jìn)行修復(fù)，但是修復(fù)后通常幾個(gè)月后又出現(xiàn)修復(fù)材料脫落的情況，而且不能抑制銹色斑塊的進(jìn)一步產(chǎn)生和發(fā)展。因此，針對(duì)典型的病害區(qū)域進(jìn)行取樣研究，通過(guò)掃描電鏡及能譜分析、X射線(xiàn)衍射分析、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析病害的強(qiáng)度和回彈模量，探究病害的成因與機(jī)理，并給出經(jīng)濟(jì)適用的防治方案。

1 道面病害的成因分析

掃描電鏡可以觀(guān)察納米粒子的形貌、在基體中的分散情況以及粒徑的測(cè)量、材料斷口分析、鍍層表面形貌分析和深度檢測(cè)、微區(qū)化學(xué)成分分析及顯微組織及超微尺寸材料的研究等分析應(yīng)用[1]。能譜分析采用特征X射線(xiàn)分析法，在掃描電鏡的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步分析材料微區(qū)成分元素種類(lèi)和含量。X射線(xiàn)衍射分析可以利用X射線(xiàn)在晶體物質(zhì)中的衍射效應(yīng)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[2]。

從銹色斑塊區(qū)域進(jìn)行鉆芯，用鐵錘破碎后將銹色斑塊取出，如圖2所示。斑塊按照顏色可分為正常色、綠色、紅色及黃色，其中黃色接近于粉化的狀態(tài)。

圖2 銹色斑塊芯樣

1.1 掃描電鏡與能譜分析

將正常塊、綠色塊、紅色塊及黃色塊分別在掃描電鏡下進(jìn)行觀(guān)察，其不同區(qū)域的能譜分析結(jié)果如表1所示。

通過(guò)對(duì)比正常區(qū)域、綠色區(qū)域、紅色區(qū)域及黃色區(qū)域的能譜結(jié)果可以看出，正常區(qū)域的鐵含量最低、綠色區(qū)域次之、紅色區(qū)域再次之，黃色區(qū)域的鐵含量最高。正常區(qū)域與綠色區(qū)域的鈣含量較高，紅色區(qū)域的鈣含量較低、黃色區(qū)域的鈣含量最低。從掃描電鏡圖片可以看出，黃色區(qū)域的腐蝕比較嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)比較松散。因此可以認(rèn)為，鐵含量較高的區(qū)域最容易受到腐蝕生成結(jié)構(gòu)比較松散的產(chǎn)物。

1.2 X射線(xiàn)衍射分析

巡場(chǎng)路重腐蝕及正常區(qū)域的X射線(xiàn)衍射圖譜分別如圖3及圖4所示。對(duì)圖3及圖4分析得知，銹色斑塊與正常區(qū)域的主要物相組成均為石英、方解石、鉀長(zhǎng)石以及鈣長(zhǎng)石。銹色斑塊區(qū)域的X射線(xiàn)衍射圖譜在d=8.3233處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的衍射峰，這是透閃石(Ca2(Mg, Fe)5(Si4O11)2(OH)2)與陽(yáng)起石(Na2Ca4(Mg, Fe)10[(OH)2O2Si16O44])的衍射峰，透閃石與陽(yáng)起石中均含有鐵元素[3]。這可能是由于腐蝕區(qū)域的鐵含量較高，與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)生成的。

表1 重腐蝕不同區(qū)域的能譜元素分析 %

1.3 道面病害形成機(jī)理分析

根據(jù)掃描電鏡能譜儀分析及X射線(xiàn)衍射分析可以知道該機(jī)場(chǎng)的銹色斑塊實(shí)際為鐵相氧化物，根據(jù)氧化程度從輕至重呈現(xiàn)出淺綠、紅色和黃色不同顏色。鐵相氧化物需要鐵相、水分及空氣同時(shí)存在的情況下得以生成，三者缺一不可，因此，斑塊多發(fā)生在路面存在微裂縫的表面，水分和空氣通過(guò)微裂縫進(jìn)入基體，與鐵相發(fā)生氧化反應(yīng)，生成膨脹性的氧化亞鐵化合物，此時(shí)呈現(xiàn)出淺綠的色澤，體積膨脹導(dǎo)致道面表觀(guān)微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，水分及空氣更為充裕的進(jìn)入基體，與鐵相的反應(yīng)大幅加劇，生成膨脹性更大的鐵氧化物，呈現(xiàn)出紅色及黃色的色澤，體積膨脹導(dǎo)致砂漿層的脫落，隨著砂漿層的脫落水分及空氣可以更好與鐵相反應(yīng)，造成持續(xù)性的破損。

銹色斑塊的形成與混凝土基體內(nèi)存在的鐵相元素有直接的因果關(guān)系，混凝土中鐵元素主要有三方面的來(lái)源：水泥、粗骨料及細(xì)骨料。水泥及細(xì)骨料在混凝土中分布較為均質(zhì)，若由水泥及細(xì)骨料引起的鐵相銹蝕分布將更為廣泛與無(wú)規(guī)則，但根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)取樣結(jié)果來(lái)看，銹色斑塊主要在粗骨料周?chē)踔羾?yán)重銹色斑塊區(qū)域出現(xiàn)了粗骨料脫離掉落形成較大凹坑的情況，因此，可以基本推測(cè)由于粗骨料的鐵相離子與水、空氣反應(yīng)生成的氧化導(dǎo)致銹色斑塊的產(chǎn)生。

圖3 巡場(chǎng)路重腐蝕區(qū)域的X射線(xiàn)衍射圖譜

圖4 巡場(chǎng)路正常區(qū)域的X射線(xiàn)衍射圖譜

2 路面病害處的性能分析

2.1 路面病害對(duì)力學(xué)性能的影響

機(jī)場(chǎng)水泥路面的強(qiáng)度控制指標(biāo)是抗折強(qiáng)度，采用鉆芯劈裂強(qiáng)度換算成抗折強(qiáng)度來(lái)代替，通過(guò)測(cè)定芯樣的劈裂抗拉強(qiáng)度，作為評(píng)定混凝土結(jié)構(gòu)性能的主要指標(biāo)。將鉆芯所取試樣進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 鉆芯強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

由表2可知，出現(xiàn)銹色斑狀病害的巡場(chǎng)路彎拉強(qiáng)度平均為4.78MPa，彎拉回彈模量平均為34091MPa，彎拉強(qiáng)度已不滿(mǎn)足5MPa的要求，且回彈模量也呈現(xiàn)了降低的趨勢(shì)，說(shuō)明內(nèi)部已出現(xiàn)較為松散的區(qū)域。出現(xiàn)銹色斑塊病害的航站區(qū)道路區(qū)域彎拉強(qiáng)度平均為5.08MPa，彎拉回彈模量平均為35536MPa，也出現(xiàn)了強(qiáng)度降低的情況，說(shuō)明銹色斑塊病害對(duì)道面強(qiáng)度和回彈模量有較大的影響。

2.2 路面病害對(duì)抗鹽凍耐久性的影響

銹色斑塊病害出現(xiàn)在路面表面，伴隨著裂縫、鼓包及砂漿層剝落等情況，直接影響了路面表層狀態(tài)，使水、鹽溶液等更容易滲透進(jìn)路面基體，將會(huì)對(duì)路面的表面抗鹽凍性能產(chǎn)生較大影響[4]。對(duì)巡場(chǎng)路區(qū)域進(jìn)行了鉆芯后表層的抗鹽凍性能測(cè)試，溶液為4%道面除冰鹽，溫度為-20～20℃之間，每10次循環(huán)后觀(guān)察道面表層狀態(tài)如圖5所示。

圖5 巡場(chǎng)路區(qū)域除冰鹽凍融循環(huán)試驗(yàn)

可以發(fā)現(xiàn)，病害的巡場(chǎng)路道面極易出現(xiàn)除冰鹽凍融破壞，甚至10次除冰鹽凍融循環(huán)后，表面的砂漿層已完全脫落，裸露出粗骨料，用手觸摸發(fā)現(xiàn)表面已成很松散的狀態(tài)，已出現(xiàn)非常嚴(yán)重的破壞。20次鹽凍循環(huán)后已完全散解，結(jié)構(gòu)已完全破壞。這主要是因?yàn)椴『κ沟没炷帘砻孑^為疏松，除冰鹽溶液更易滲透進(jìn)混凝土基體，在凍脹的作用下，迅速發(fā)生破壞。

3 路面病害防治措施

對(duì)于病害區(qū)域，采取表層切割和涂刷防水、增粘涂層并使用快速修復(fù)材料進(jìn)行修復(fù)的措施進(jìn)行處治。同時(shí)為了防止其它區(qū)域產(chǎn)生病害，在機(jī)場(chǎng)路面的其它區(qū)域涂刷納米防護(hù)涂層，使水和空氣無(wú)法與混凝土中的鐵相接觸，避免氧化物的生成。所選用的材料應(yīng)滿(mǎn)足粘結(jié)性能、抗?jié)B性能、抗鹽凍性能的要求，并且具有較高的摩擦系數(shù)。

3.1 初期病害快速修復(fù)

銹色斑塊初期表現(xiàn)形式為銹色裂縫并輕微凸起，此時(shí)水分及空氣接觸到鐵相后進(jìn)行氧化，生成的氧化物較少，此時(shí)應(yīng)對(duì)裂縫進(jìn)行有效封閉，隔絕水分及空氣，使鐵相無(wú)法繼續(xù)氧化反應(yīng)。

針對(duì)較為輕微的初期病害，可采用涂刷高防水、高防護(hù)納米涂層的方法進(jìn)行修復(fù)和預(yù)防。針對(duì)裂縫較長(zhǎng)的初期病害，可以采用水鉆鉆頭對(duì)病害區(qū)域進(jìn)行切割，深度為2～3cm，在內(nèi)壁上涂刷防水、增粘涂層，最后填補(bǔ)快速修復(fù)材料進(jìn)行恢復(fù)。

3.2 中期病害快速修復(fù)

銹色斑塊中期表現(xiàn)形式為裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，砂漿層輕微脫落。鐵相與砂漿之間的粘接由于氧化物的存在顯著降低，砂漿與鐵相之間的空隙顯著增加，水分及空氣更加暢通地與鐵相氧化反應(yīng)，裂化速度顯著增加。對(duì)于中期病害，首先用水鉆進(jìn)行切割，深度2～3cm，然后內(nèi)壁涂刷防水、增粘涂層，最后采用快速修復(fù)材料進(jìn)行修補(bǔ)處理。

3.3 后期病害快速修復(fù)

銹色斑塊后期表現(xiàn)形式為砂漿層完全脫落，粗骨料脫離形成凹坑，凹坑內(nèi)有肉眼可見(jiàn)黃色粉狀鐵相氧化物。首先將用水鉆進(jìn)行切割，深度4～5cm，然后內(nèi)壁涂刷防水、增粘涂層，最后采用快速修復(fù)材料進(jìn)行修補(bǔ)處理。

4 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)銹色斑塊的區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡能譜分析及X射線(xiàn)衍射物相分析，發(fā)現(xiàn)銹色斑塊為鐵相氧化物，初步判斷為粗骨料引入的鐵相。這是由于機(jī)場(chǎng)使用年限較久，表面砂漿層出現(xiàn)裂縫，水和空氣通過(guò)裂縫與鐵相接觸，并在水和空氣的共同作用下鐵相氧化生成了膨脹性的鐵氧化物。

(2) 銹色斑塊產(chǎn)生的鐵氧化物降低了路面強(qiáng)度，并且使混凝土內(nèi)部基體結(jié)構(gòu)松散，降低了混凝土的動(dòng)彈性模量和抗鹽凍性能。

(3)采用銹色斑塊區(qū)局部修復(fù)+納米涂層預(yù)防措施相結(jié)合的技術(shù)防治方案，能夠顯著降低修復(fù)成本，且可以在不停航的情況下進(jìn)行修復(fù)和預(yù)防整治，減小對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的影響。針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的銹色斑塊破損，采用高粘結(jié)薄層快速修復(fù)手段進(jìn)行不停航快速修復(fù)，薄層快速修復(fù)材料應(yīng)具有優(yōu)異的粘結(jié)性能，并且應(yīng)具有良好的抗?jié)B性能，防止水分和空氣的再次滲入；針對(duì)尚未出現(xiàn)銹色斑塊的區(qū)域，采用高防水、高防護(hù)納米涂層材料進(jìn)行預(yù)防性整治，高防水、高防護(hù)納米涂層材料不僅可以有效阻止水、空氣進(jìn)入基體內(nèi)部與鐵相氧化反應(yīng)，還能夠顯著增加路面的摩擦力，提升路面的抗鹽凍性能。