混凝土結(jié)構(gòu)表層缺陷修復(fù)技術(shù)的研究與應(yīng)用

張曉東

(遼寧新發(fā)展公路科技養(yǎng)護(hù)有限公司 沈陽市 110103)

0 引言

我國(guó)機(jī)場(chǎng)跑道、停機(jī)坪早期均為混凝土結(jié)構(gòu)道面，隨著航空業(yè)的迅速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)道面正承受著非常大的運(yùn)輸負(fù)載，再加上混凝土道面因長(zhǎng)期裸露在自然環(huán)境下，長(zhǎng)期受氣候冷暖變化、飛機(jī)起降荷載沖擊磨損、風(fēng)化以及機(jī)場(chǎng)管理部門在冬季對(duì)跑道噴灑融雪劑等影響，極易造成道面表層缺損，很多機(jī)場(chǎng)道面甚至在設(shè)計(jì)年限內(nèi)提前出現(xiàn)破壞，主要表現(xiàn)為：水泥道面剝離、薄層分離、板塊斷裂、塊角斷裂、板間錯(cuò)臺(tái)等。現(xiàn)階段水泥混凝土道面表層修補(bǔ)的方式多種多樣，但一般的修補(bǔ)方法需要的時(shí)間較長(zhǎng)，修補(bǔ)成本相對(duì)較高，即使修補(bǔ)后也會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)再次出現(xiàn)破損，造成人力、物力的巨大投入。因此，如果能及時(shí)采取措施對(duì)機(jī)場(chǎng)道面進(jìn)行修復(fù)，延長(zhǎng)道面使用壽命，將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

高性能混凝土快修料是采用特種材料對(duì)水泥混凝土道面表面缺損部位進(jìn)行薄層罩面技術(shù)修復(fù)，經(jīng)相應(yīng)的施工工藝使修補(bǔ)材料與原道面板黏結(jié)牢固、形成整體。該修復(fù)方法具有凝結(jié)硬化快、小時(shí)強(qiáng)度高、低收縮、低溫下強(qiáng)度發(fā)展快、長(zhǎng)期強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)、抗滑性能好、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)。2021年9月份在中國(guó)南方航空股份有限公司機(jī)務(wù)工程部沈陽飛機(jī)維修基地的5900m2停機(jī)坪道面維修中得到應(yīng)用。

1 混凝土結(jié)構(gòu)表層缺陷修復(fù)技術(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)表層缺陷修復(fù)技術(shù)采用薄層罩面技術(shù)，是以特種原材料為基材，復(fù)合多種有機(jī)組分、高分子聚合物外加劑等，經(jīng)工廠精確配比預(yù)拌制成的高性能混凝土快修料，是一種能夠快速修復(fù)水泥混凝土結(jié)構(gòu)表層破損的薄層罩面技術(shù)，厚度一般為2～6mm。

2 高性能混凝土快修料原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

高性能混凝土快修料是一種特殊膠凝材料，是由A組份與B組份之間通過酸-堿反應(yīng)而快速凝結(jié)硬化的一種特種水泥，具有凝結(jié)硬化快、強(qiáng)度高、體積穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。硬化后材料密度約為 2400kg/m3，固體粉料用量約為2250kg/m3。

(1)高性能混凝土快修料A組份

本工程所用A組份比表面積230m2/kg，密度為3.25g/cm3，外觀呈棕黃色,屬于膠凝材料，經(jīng)過1500℃高溫煅燒、破碎、粉磨后得到。

(2)高性能混凝土快修料B組份

ADP為白色結(jié)晶性狀粉末，含量在97.5%以上，在空氣中穩(wěn)定，其水溶液呈酸性，PH值約為4.3，相對(duì)密度1.083kg/cm3，20℃ 水中溶解度為37.4g。

(3)改性材料

目前高性能混凝土快修料的改性材料應(yīng)用最多的是粉煤灰，可提高流動(dòng)性，改善硬化后的顏色，并且除“形態(tài)效應(yīng)”、“活性效應(yīng)”、“微集料效應(yīng)”外，還存在著“吸附效應(yīng)”，粉煤灰可吸附延緩A、B兩組份的水化反應(yīng)。粉煤灰來源廣泛，可以就地取材，實(shí)現(xiàn)固體廢物回收再利用，保護(hù)了環(huán)境。但粉煤灰的化學(xué)成分復(fù)雜，選用的粉煤灰是鞍鋼高爐I級(jí)粉煤灰，質(zhì)量符合GBJ146-90中規(guī)定，需水量比小于100%，密度和比表面積分別為2160kg/m3和3675cm2/g。

(4)細(xì)集料

細(xì)集料選用河砂，細(xì)度為3.1，平均粒徑約為0.5mm以上，含泥量0.8%，表觀密度為2750kg/m3，無泥塊。

(5)緩凝劑

高性能混凝土快修料A、B材料水化屬于放熱反應(yīng)，伴隨劇烈的放熱，若不使用緩凝劑延緩其水化發(fā)熱速度，無法滿足施工要求。因此，緩凝劑是水泥不可缺少的，因此本工程選用營(yíng)口產(chǎn)的五水硼砂做為緩凝劑，屬于強(qiáng)堿弱酸鹽，為工業(yè)出口級(jí)，含量≥99%。

2.2 試驗(yàn)方法

(1)試件的制備：先按粉狀的A組份、B組份和其它材料按比例一起在砂漿攪拌機(jī)中低速攪拌 60s，攪拌均勻后，按試驗(yàn)水料比計(jì)量加入拌和水，低速攪拌30s 后，再高速攪拌30s，停拌30s，用橡皮刮將攪拌葉和鍋壁上的砂漿刮入鍋中間，繼續(xù)高速攪拌90s完成，立即裝入試模成型。

(2)凝結(jié)時(shí)間從加水拌和開始計(jì)時(shí)，臨近初凝時(shí)每隔20 s 測(cè)一次，由于高性能混凝土快修料凝結(jié)硬化快，初凝和終凝相隔很短，因此統(tǒng)一用初凝時(shí)間表征凝結(jié)時(shí)間，單位為min。

(3)流動(dòng)度將截錐圓模垂直向上輕松提起后，讓拌和物自由流動(dòng)(不開起跳桌)30s±1s，立刻用卡尺測(cè)量拌和物底面互相垂直的兩個(gè)方向直徑，計(jì)算平均值，取整數(shù)，單位為mm。流動(dòng)度從與水接觸開始到測(cè)量結(jié)束，應(yīng)在5min內(nèi)完成。

(4)抗折/壓強(qiáng)度。早期強(qiáng)度高是高性能混凝土快修料最大的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)之一，早期強(qiáng)度十分重要，試驗(yàn)測(cè)試早期 3h 以及 3d和 28d 的抗折/壓強(qiáng)度。

(5)拉伸粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)定14d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度。試件在試驗(yàn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)6h后脫模，用適宜的高強(qiáng)粘結(jié)劑將拉拔接頭粘在試件上，繼續(xù)將試件在試驗(yàn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)至13d，測(cè)定14d拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，結(jié)果見表1。

表1 抗壓/抗折強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、拉伸粘結(jié)強(qiáng)度

3 施工條件

(1)避免雨、雪天施工。

(2)避免高溫施工。適宜在 30℃以下施工，(溫度高于 30 ℃不宜施工，)如果環(huán)境溫度超過 35℃時(shí)除非采取適當(dāng)降溫措施才可使用，降溫措施包括采用冰水拌和。夏季施工時(shí)應(yīng)注意保持所有原材料處于陰涼狀態(tài)。

(3)冬季施工時(shí)，當(dāng)材料溫度低于 5 ℃，應(yīng)延長(zhǎng)拌和時(shí)間，可采用溫水拌和，水溫不得超過 40 ℃。

4 施工機(jī)具

混凝土病害快速修補(bǔ)宜使用機(jī)械化施工，以提高施工效率，保證施工質(zhì)量，宜根據(jù)需要配備常用的小型機(jī)具。主要有切割、銑刨、破碎、除塵、攪拌、振搗、抹平、拉毛等設(shè)備。

5 施工工藝

5.1 施工工藝流程圖

施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程圖

5.2 施工準(zhǔn)備

施工前封閉指定施工作業(yè)區(qū)域，設(shè)置安全警示拉旗和安全標(biāo)志牌圍護(hù)，防止人員、車輛等破壞成品。所有進(jìn)入飛行區(qū)的施工人員、機(jī)械設(shè)備必須按指定路線行駛。

5.3 修補(bǔ)面積選取

修補(bǔ)面積宜在表層病害破損區(qū)向外延伸5～10cm后,將修補(bǔ)面積取整為正方形或矩形。若病害破損面積超過整塊板面積的1/2以上，宜對(duì)整塊板做表層修復(fù)處理。切割示意圖，見圖2。

圖2 不同維修面積表面病害

5.4 裂縫處理

當(dāng)被修補(bǔ)板表面存在通長(zhǎng)的裂縫時(shí)，沿裂縫方向切割5cm厚、5cm寬的凹槽，同時(shí)鑿除凹槽內(nèi)混凝土。切割示意圖見圖3。

圖3 帶有裂縫表面病害維修示意圖

5.5 道面銑刨

基層必須干凈、堅(jiān)實(shí)、平整、可承重，無疏松物；基層抗壓強(qiáng)度在20 MPa 以上，基層的表面拉撥強(qiáng)度不小于 1.5 MPa；如果原有基層混凝土地面強(qiáng)度太低、表面有浮漿或起砂嚴(yán)重，則須精銑刨，直至露出堅(jiān)實(shí)的表面，由表2可以得出，控制銑刨厚度2～6mm。

表2 不同粗糙度的新老混凝土抗剪粘接強(qiáng)度[1]

5.6 清理碎屑及浮沉

采用背負(fù)式吹風(fēng)機(jī)將銑刨病害部位灰塵及松動(dòng)混凝土清除。用高壓水沖刷干凈，對(duì)底面的浮土等雜物清掃干凈，沖刷時(shí)應(yīng)將泥漿沖出作業(yè)面并防止回流。

5.7 表面水潤(rùn)

用水洗刷干凈后，應(yīng)將水保留在作業(yè)面一段時(shí)間，將作業(yè)面充分潤(rùn)透，如有明水需用海綿及拖布把明水清理干凈，施工時(shí)不能有明水(施工涂抹時(shí)必須保持作業(yè)面是在濕潤(rùn)狀態(tài))。

5.8 高性能混凝土快修補(bǔ)的配制、拌和、攤鋪

(1)材料配比：用水量固定，配比為 A 料∶B 料∶水=1∶1∶(0.150～0.155)，嚴(yán)禁隨意增加用水，攪拌用水應(yīng)符合普通混凝土攪拌用水質(zhì)量。

(2)攪拌方式

用量較小(或一次拌料小于 50 kg)時(shí)，可采用手提式攪拌機(jī)以方便施工。投料順序?yàn)椋合燃尤?B 料和一半 A 料，干拌和 1min混勻，加入規(guī)定用水量，拌和 1min成漿后，再加入另一半 A 料，再拌和 2～3min后，立即使用。

用量較大時(shí)，應(yīng)采用強(qiáng)制式臥軸攪拌機(jī)或移動(dòng)式拌和機(jī)，攪拌機(jī)葉片與壁之間的間隙不大于 3 mm，保證攪拌均勻。可一次性投料拌和，干混 30s均勻后，再加水?dāng)嚢?，攪拌時(shí)間控制 3～4min；也可按照手提式攪拌投料順序拌和。一次攪拌量根據(jù)實(shí)際情況確定，確保連續(xù)施工。

攪拌澆注完成，及時(shí)清理機(jī)具，防止材料粘附機(jī)具硬化后無法清理。

(3)物料攤鋪：稀粘狀態(tài)的拌和料澆注在道面修補(bǔ)部位，工人應(yīng)立即進(jìn)行抹平工藝。物料凝結(jié)時(shí)間約為15～20min，在施工過程中要控制好施工節(jié)奏。斷面5m時(shí)，攤鋪瓦工不少于4人。一定要將物料攤開抹平，控制好抹平物料的厚度，薄層施工控制厚度2mm，物料自帶自流平效果，抹平時(shí)不需壓光。本工程修補(bǔ)區(qū)域大或較長(zhǎng)時(shí)，材料用量大且不能一次澆注完，采用分區(qū)域澆注。本產(chǎn)品與自身粘結(jié)非常強(qiáng)，前面澆注料硬化后再澆注新拌料，硬化后不會(huì)影響整體性。

(4)施工一次成活，成活后不能再進(jìn)行二次擾動(dòng)，硬化后的修補(bǔ)層呈棕黑色，隨著強(qiáng)度的上升，顏色逐漸變灰白。

(5)硬化后的修補(bǔ)層自然養(yǎng)護(hù)即可，嚴(yán)禁澆水和濕養(yǎng)護(hù)。如遇突發(fā)下雨應(yīng)采取防雨措施進(jìn)行覆蓋，養(yǎng)生期嚴(yán)禁通行。

圖4 高性能混凝土快修料攤鋪抹平

5.9 表面拉毛

高性能混凝土快修料補(bǔ)澆注后，拉毛在抹平施工后1～5min之內(nèi)進(jìn)行，觀察已施工表面形成棕黑色且呈現(xiàn)膠狀感時(shí)即可進(jìn)行拉毛工藝的施工。

5.10 養(yǎng)生及恢復(fù)通車標(biāo)準(zhǔn)(現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法)

采用高性能混凝土快修料進(jìn)行薄層表面修補(bǔ)后無需采取養(yǎng)生措施?；謴?fù)通車標(biāo)準(zhǔn)：采用小錘敲擊修補(bǔ)表面層時(shí)，敲擊點(diǎn)周圍無微裂紋、無空鼓、無錘痕時(shí)可開放交通。

6 混凝土結(jié)構(gòu)表層缺陷修復(fù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)技術(shù)方面

如采用傳統(tǒng)水泥修補(bǔ)材料，需對(duì)缺損部位進(jìn)行鑿除、細(xì)石混凝土修補(bǔ)、濕養(yǎng)護(hù)等修補(bǔ)工序，從開始修補(bǔ)至滿足機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)不少于 7 d 時(shí)間。 高性能混凝土快修料修補(bǔ)后的水泥混凝土道面在 3h后即具備運(yùn)行條件，大大縮短了修補(bǔ)的作業(yè)時(shí)間，提高了機(jī)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)能力。

(2)社會(huì)效益

采用該修補(bǔ)工藝，大大降低了修補(bǔ)作業(yè)給機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)造成的影響，提升了機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面的靈活機(jī)動(dòng)的作業(yè)能力，同時(shí)該施工方法安全環(huán)保，具有較好的前景。

7 結(jié)語

混凝土結(jié)構(gòu)表層缺陷修復(fù)技術(shù)是今后的發(fā)展方向，自主研發(fā)的高性能混凝土快修料，在工程實(shí)際應(yīng)用中表明，該材料具有高早強(qiáng)、耐磨、后期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，有利于道面水泥混凝土更大規(guī)模的使用，也有利于提高混凝土道面的使用品質(zhì)，延長(zhǎng)其使用壽命以及避免或減少修補(bǔ)工程產(chǎn)生的各種不良影響，有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。