除冰液對機場道面混凝土的破壞機理研究

劉文博，袁 捷，楊全兵

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；3.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海201804）

除冰液對機場道面混凝土的破壞機理研究

劉文博1，袁 捷2，楊全兵3

（1.上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804；3.同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海201804）

針對我國機場水泥混凝土道面鹽凍破壞現(xiàn)象，采用混凝土單面浸入凍融循環(huán)試驗，對混凝土在不同濃度醋酸鉀除冰液下的剝落量進行統(tǒng)計，得出在中低濃度醋酸鉀溶液中混凝土發(fā)生的鹽凍破壞最嚴重。通過對醋酸鉀溶液結冰特性和混凝土吸入溶液量測定得出，醋酸鉀溶液濃度越高，混凝土吸入的溶液量越大，吸入速率越快，但同時也降低了溶液的結冰體積膨脹率，增加了冰凍所需要的時間。混凝土溶液吸入量、吸入速率和溶液結冰體積膨脹率這幾個因素共同導致中低濃度的溶液發(fā)生最嚴重的鹽凍破壞。

機場道面混凝土；鹽凍破壞；醋酸鉀除冰液；剝落量；機理分析

我國北方冬季常有雨雪天氣，各大城市的最低月平均氣溫都低于0℃，在這種環(huán)境條件下機場道面會出現(xiàn)積雪結冰現(xiàn)象。我國機場為了保證機場的正常運行，需要噴灑機場道面除冰液用于除去跑道、滑行道和停機坪上的霜、雪和薄冰，便于掃雪車的清掃，其主要成分都是醋酸鹽、甲酸鹽［1］。

然而噴灑除冰液后也會對道面會產生一些問題，除冰液會滲入混凝土或積留在混凝土表面，由于天氣原因會發(fā)生反復的凍融，對混凝土造成不同程度的鹽凍破壞，其典型破壞現(xiàn)象為:水泥混凝土表面砂漿剝落脫皮，骨料暴露，形成麻面，造成道面平整度降低，影響飛機起飛降落及滑跑時穩(wěn)定性和舒適性［2］。若不及時的修補會造成更嚴重的水泥混凝土開裂，產生結構性的破壞。由于機場的特殊性，對道面上的FOD（在機場運作區(qū)域內任何可能對飛機或機場系統(tǒng)造成損傷的某種外來物質）有嚴格的要求［3］。鹽凍破壞剝落的骨料會對飛機輪胎造成損傷產生安全隱患，卡在機械裝置中影響航空器正常運行，被飛機發(fā)動機吸入造成發(fā)動機的損壞，嚴重的會造成機毀人亡的慘案［4］。因此需要對除冰液鹽凍破壞進行系統(tǒng)的研究。

本文通過室內試驗，研究醋酸鉀除冰液對混凝土鹽凍破壞，并對其破壞機理進行分析研究，對解決機場道面水泥混凝土鹽凍破壞的問題，提高機場道面的使用壽命，保證飛行安全有著重要的意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗原材料

本次試驗水泥采用52.5普通硅酸鹽水泥，碎石采用4～12 mm、12～26.5 mm兩級配，細集料采用中粗砂，水灰比采用0.45，配合比如表1所示。

表1 配合比Tab.1 Mix proportion

1.2 除冰液

根據(jù)調查，選取北京首都、上海浦東和虹橋國際機場所使用的NW-056A型機場道面除冰防冰液，主要成分是50%濃度醋酸鉀水溶液，外觀呈無色透明澄清液，pH為10.1［5］，試驗時分別配制醋酸鉀濃度為2%，4%，8%，12%，24%的溶液。

1.3 凍融循環(huán)試驗方法

制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件，成型靜置24 h后脫模。放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d，鹽凍循環(huán)試驗前7 d放入20℃水中進行水養(yǎng)護。28 d抗折強度為6.94 MPa；抗壓強度為56.12 MPa。

國內外進行混凝土鹽凍試驗方法很多，根據(jù)試件與溶液的接觸方式總結起來有主要分為3類:① 混凝土試件完全浸泡在溶液中進行凍融試驗；②試件單面浸沒溶液4～6 mm后進行凍融試驗；③試件表面覆蓋4～6 mm的溶液進行凍融試驗［6］。

評價鹽凍破壞程度的參數(shù)也有很多，主要也分為3類:① 質量損失；②抗折抗壓強度損失；③ 動彈模量損失。雖然在循環(huán)過程中這3個參數(shù)都會發(fā)生不同程度的增大，但強度和相對動彈模量是反應試件整體結構的參數(shù)，鹽凍破壞更多的是造成混凝土試件表面的剝蝕，對其內部結構并沒有造成太大的影響，而且鹽凍破壞會造成試件表面凹凸不平，使參數(shù)測定增加了更多不可控制的因素，所以采用單位面積剝落量（試件剝落物質量，kg/試件與溶液接觸的面積，m2）作為混凝土抗鹽凍性能的評價指標，更加準確直觀地反應鹽凍破壞程度。

根據(jù)機場道面的實際狀況混凝土道面是單面與除冰液接觸的，并結合凍融循環(huán)儀器的使用方法，所以采用單面浸入快速凍融的方法如圖1所示。采用TDRF快凍慢凍兩用混凝土凍融箱，混凝土浸泡深度約為5 mm，每個凍融循環(huán)為6 h，融化時間為3 h，凍結時間為3 h，試件及溶液從室溫降至-20℃所用試件不得大于2 h，從-20℃升至室溫所用時間不得大于1.5 h，每隔5次循環(huán)對剝落物進行采集烘干及稱重；采用單位面積剝落量作為混凝土抗鹽凍性能的評價指標。一個試驗周期為凍融循環(huán)30次。

圖1 混凝土單面浸入方式Fig.1 Single side immersion method of concrete

2 試驗結果與分析

2.1 凍融循環(huán)試驗結果

對混凝土在純水和濃度為2%，4%，8%，12%，24%的醋酸鉀溶液中凍融循環(huán)中的單位剝蝕量進行統(tǒng)計計算結果如圖2所示。

圖2 不同濃度醋酸鉀溶液凍融循環(huán)中的剝落量Fig.2 The scaled mass in the freeze-thaw cycles of potassium acetate solution at different concentrations

試驗結果表明，混凝土在2%，4%，8%，12%，24%濃度下的醋酸鉀溶液隨著凍融次數(shù)的增加，都會發(fā)生不同程度的剝落，說明發(fā)生了不同程度的鹽凍破壞，其中2%，4%，8%，12%濃度的醋酸鉀溶液較為明顯，呈明顯的上升趨勢；而在水溶液中，混凝土基本沒有剝落，凍融破壞在循環(huán)次數(shù)內并沒有發(fā)生。由此可以得到溶液中只要有醋酸鉀鹽的存在，混凝土就會出現(xiàn)不同程度的鹽凍破壞。

試件在醋酸鉀4%濃度溶液下剝落量最大，經過10次凍融循環(huán)表面就出現(xiàn)許多坑洞及裂紋，且表面漿體出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，剝落量為0.474 kg·m-2，基本上是其他濃度剝落量的兩倍。凍融循環(huán)達到15次時，表面微裂紋繼續(xù)增多加深，試件表面剝落加劇，露出粗骨料。循環(huán)20次時，剝落量已經大于1 kg·m-2，試件表面砂漿層已完全剝落，露出大量骨料，鹽凍剝蝕現(xiàn)象十分嚴重。循環(huán)進行30次時，剝落量達到1.889 kg·m-2，表面凹凸不平。

試件在醋酸鉀2%和8%濃度溶液下鹽凍破壞較為一致，相對于4%濃度破壞較為緩慢，經過30次凍融循環(huán)，剝落量分別為4%濃度的52.0%，57.8%。表面也出現(xiàn)較嚴重的漿體剝落、骨料外露的情況。

試件在醋酸鉀24%濃度溶液下，剝落現(xiàn)象基本沒有，即使經過30次凍融循環(huán)，剝落量也只有0.25 kg·m-2，為4%濃度的13%，試件僅邊角處發(fā)生的較小的剝落。

統(tǒng)計不同濃度醋酸鉀溶液下30次凍融循環(huán)后混凝土的剝落量結果如圖3所示，可以看到，混凝土的剝落量開始隨著鹽濃度的增加而迅速增大，之后卻迅速降低的現(xiàn)象，在中低溶度時，混凝土的鹽凍剝蝕破壞最為嚴重，醋酸鉀溶液的濃度約為4%，低濃度和高濃度溶液鹽凍破壞較小，但還是要比純水中的凍融破壞要大，接下來對鹽凍破壞的機理進行分析。

圖3 不同濃度醋酸鉀溶液下30次凍融循環(huán)剝落量Fig.3 The scaled mass after 30 freeze-thaw cycles of potassium acetate solution at different concentrations

2.2 機理分析

最初，Powers與Helmuth提出的混凝土凍融破壞的靜水壓假說和滲透壓假說較為成功地解釋了混凝土凍融破壞的機理［7－9］。近年來，楊全兵用結冰壓、結冰膨脹率和內部飽水度3個參數(shù)直觀的闡明了鹽凍破壞的現(xiàn)象［10－12］。綜上所述，針對溶液影響混凝土鹽凍破壞的原因有:① 溶液本身的結冰特性；②混凝土溶液吸入量。這兩點共同決定了混凝土鹽凍破壞嚴重程度。

2.2.1 除冰液結冰特性

首先測定溶液的結冰膨脹率。選用精度為0.1 mL的玻璃管，測定20 mL溶液在冷凍過程中的體積變化。為了防止試驗期間溶液蒸發(fā)對試驗結果造成影響，用約1 mL油覆蓋在溶液上起到保護作用。之后放入-20℃冰箱中進行冷凍。通過觀察溶液冷凍過程中的體積變化，得到不同時間體積變化量△V，計算溶液的結冰膨脹率Em為

在溶液冷凍過程中，醋酸鉀溶液溫度不斷降低，試驗結果如圖4所示，無論是水溶液還是鹽溶液體積均呈現(xiàn)先減小后增大，當完全結冰時到趨于穩(wěn)定；結冰初期，在溶液溫度降低至冰點之前由于熱脹冷縮效應反而出現(xiàn)體積收縮現(xiàn)象，當溶液溫度降低到冰點后，溶液開始結冰膨脹，由液體逐漸變?yōu)楣腆w，體積開始增大，到溶液完全結冰后，溶液體積不再增大，趨于一個穩(wěn)定值。

圖4 不同濃度醋酸鉀溶液的實測結冰膨脹率Fig.4 Freezing expansion rate of potassium acetate solution at different concentrations

同時可以看出溶液由體積收縮向膨脹轉換的時間，也就是結冰膨脹率由負變?yōu)檎臅r間隨醋酸鉀鹽濃度的提高而增長，醋酸鉀濃度為0%，2%，4%，8%，12%時，由收縮向膨脹轉換的時間約為10，15，20，25 min和30 min。隨著醋酸鉀溶液濃度的提高，溶液體積膨脹率呈降低趨勢，且體積膨脹的速度也在降低，達到體積穩(wěn)定的時間也越長，冰凍的速度越慢，所以在凍融循環(huán)試驗中溶液凍結后的持續(xù)時間會越短，從而造成的鹽凍破壞就會越小。造成這種現(xiàn)象是由于醋酸鉀溶液濃度越大，冰點越低，結冰需要更低的溫度。

除此之外還可以發(fā)現(xiàn)隨著醋酸鉀濃度的升高，溶液的最大結冰膨脹率在逐漸減小，12%濃度溶液的最大結冰率僅為2%濃度溶液的52.3%，這說明溶液鹽濃度越大，吸入混凝土內部的溶液凍結時體積膨脹越小，對混凝土造成的破壞越小，從而解釋了凍融循環(huán)試驗中，混凝土在高濃度的鹽溶液中剝落量較小，且鹽濃度越高對混凝土產生的破壞就越小的現(xiàn)象。

但是水溶液對混凝土的破壞卻小于鹽溶液，通過溶液的結冰特性并不能得到很好的解釋，所以接下來要對混凝土凍融循環(huán)中溶液吸入量進行研究。

2.2.2 混凝土溶液吸入量

由于混凝土表面和內部都存在大量的肉眼不可見的微裂縫和毛細管通道，當混凝土表面有水或溶液時，都會通過表面的孔隙滲透到混凝土內部，而混凝土發(fā)生鹽凍破壞的根本原因是其內部會吸入一定量的溶液［13－14］，吸入的可凍溶液用混凝土的溶液吸入量進行表征，所以混凝土的溶液吸入量（Ws=（試件吸入溶液后質量+試件剝落質量）/試件初始重量）作為一個分析鹽凍破壞的重要參數(shù)要對其進行討論。

1）凍融循環(huán)條件下混凝土的溶液吸入量。分別對凍融前和25次凍融后混凝土試件在不同濃度醋酸鉀溶液中的溶液吸入量進行測定，結果如表2所示。

表2 25次凍融前后混凝土試件在不同濃度醋酸鉀溶液中的溶液吸入量Tab.2 The amount of concrete solution suction in different concentrations of potassium acetate solution before and after 25 freeze-thaw cycles

通過試驗可以看出溶液醋酸鉀濃度越高，溶液吸入量越大，試件中吸入的溶液質量越大，濃度12%的溶液吸入量是純水的1.5倍。溶液在結冰的過程中因為熱脹冷縮效應體積會先減小，且根據(jù)結冰膨脹率的試驗可以得到結冰過程中醋酸鉀濃度對溶液最大體積收縮率的影響如圖5所示，鹽濃度越高，溶液的最大體積收縮率逐漸提高，這主要是因為隨著溶液中含鹽量的增大，溶液的冰點下降，溶液由水轉冰的時間推后，液體狀態(tài)下的溶液由于溫度下降將造成的更大的溶液體積收縮。在這個過程中，混凝土內部溶液體積減小產生的孔隙會產生負壓，加快表面溶液吸入混凝土內部的速度，而且鹽濃度越高，溶液由水轉冰的時間越長，負壓越大，從而導致吸入的溶液越多，吸入溶液的速度越快，從而解釋了鹽溶液造成鹽凍破壞的強度和速度都要大于純水。

2）常溫下混凝土的溶液吸入量。在常溫下，溶液只能通過重力和毛細管力從混凝土表面進入內部中，由于混凝土內外的壓力相近，混凝土內部孔隙中空氣并不容易被擠出，所以混凝土達到平衡的時間很長，分別對常溫下混凝土試件在不同濃度醋酸鉀溶液中的溶液吸入量進行測定，結果如圖6所示。

通過試驗可以看出隨著時間的推移，混凝土吸入的溶液逐漸增加直至達到平衡，并且混凝土內部溶液吸入量隨著醋酸鉀濃度的提高而逐漸加大，結合表2可以得到混凝土在不同濃度溶液里的凍融循環(huán)吸入溶液量會大于常溫下的吸入量，這也同時說明在凍融循環(huán)條件下，試件內部的可凍溶液是會發(fā)生不斷的吸進擠出，且溶液濃度越高，吸入的溶液量越多，對混凝土產生更不利的結果，發(fā)生越嚴重的破壞。

2.2.3 化學腐蝕試驗

除了上述兩個重要影響因素以外，還需要對除冰液對混凝土腐蝕性進行研究，判斷混凝土表面漿體剝落是否和除冰液的腐蝕性有關。

制作尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的試件。成型靜置24 h后脫模，放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d，在水中浸泡7 d后將試件取出，擦干表面水分，稱重。再將試件完全浸泡在0%，25%，50%濃度的除冰液180 d后拿出試件，清除表面剝落物擦干表面水分后對試件稱重，測試抗折強度，結果如表3所示。

圖5 醋酸鉀濃度對溶液最大體積收縮率的影響Fig.5 Effect of potassium acetate concentration on the maximum volume shrinkage of solution

圖6 常溫下混凝土試件在不同濃度醋酸鉀溶液中的溶液吸入量Fig.6 The amount of concrete solution suction in different concentrations of potassium acetate solution at ambient temperature

表3 化學腐蝕試驗結果Tab.3 Chemical corrosion test results

經過180 d的浸泡后，觀察3組試件發(fā)現(xiàn)差別不大，外觀都比較完整，并沒有出現(xiàn)表面剝落現(xiàn)象，而且試件質量都有不同程度的增加，這可能是由于試件在水中經過7 d的浸泡并沒有達到完全飽和的狀態(tài)，吸入了少量的溶液。浸泡在鹽溶液里的試件抗折強度相比于浸泡在水中的試件變化發(fā)生了不同程度的降低，浸入25%，50%濃度溶液試件的抗折強度為浸入水中的90.88%和88.14%，但強度依然符合機場混凝土道面標準。所以可以推斷，混凝土在鹽凍循環(huán)試驗中出現(xiàn)的表面剝落現(xiàn)象和醋酸鹽溶液對混凝土的化學腐蝕性無關，可以不予與考慮。

2.2.4 總結

結合上述三點的討論，中低濃度的醋酸鉀溶液發(fā)生最嚴重的鹽凍破壞是因為在這個濃度范圍里，溶液結冰膨脹率較大僅低于水溶液，溶液冰凍持續(xù)時間較長，混凝土對其也有較大的吸入量，溶液吸入速率也較大；而高濃度的溶液在凍融循環(huán)中吸入的溶液最多，吸入溶液的速率最大，但其結冰膨脹率卻最小，溶液冰凍持續(xù)時間最短，不會對混凝土產生較大的破壞；水溶液結冰膨脹率結冰壓雖然最大，但在凍融循環(huán)中混凝土吸入的溶液最少，吸入溶液的速度最慢，從而也不會發(fā)生較嚴重的凍融破壞。

3 結論

1）經過凍融循環(huán)，混凝土的剝落量呈現(xiàn)隨著鹽溶液濃度的增加而迅速增大，之后卻降低的現(xiàn)象，尤其在中低溶度時，混凝土的鹽凍破壞最為嚴重，這時醋酸鉀溶液的濃度約為4%。

2）在溶液結冰過程中，隨著醋酸鉀濃度的增大，吸入混凝土內部的溶液體積膨脹會減小，凍融循環(huán)試驗中溶液凍結后的持續(xù)時間會越短，對混凝土造成的破壞也隨之減小。

3）無論是凍融循環(huán)還是常溫下，醋酸鉀溶液濃度越高，混凝土內部吸入的溶液量越多，對混凝土產生更不利的結果，發(fā)生越嚴重的破壞。

4）由于鹽溶液中醋酸鉀的存在，其冰點相比于純水都會下降，導致結冰膨脹的時間延后，體積收縮更明顯，無論溶液中醋酸鉀含量是多少，凍融過程中混凝土內部都會產生比水溶液更大的負壓，加速溶液的吸入，從而造成的破壞大于純水。

5）對混凝土鹽凍破壞而言，溶液中醋酸鉀的存在提高了混凝土的溶液吸入量和吸入速度，但同時也降低了溶液的結冰膨脹率，增加了冰凍所需時間。所以混凝土溶液吸入量、吸入速率和溶液結冰膨脹率共同導致中低濃度的溶液破壞力最大，造成最嚴重的鹽凍破壞。

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Research on Failure Mechanism of Deicing Fluid in Airport Pavement Concrete

Liu Wenbo1，Yuan Jie2，Yang Quanbing3
（1.Shanghai Municipal Engineering Design General Institute（Group）Co.，Ltd.，Shanghai 200092；2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804；3.Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of the Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 201804，China）

Aiming at the salt freezing damage phenomenon of the airport cement concrete road surface in China，this paper carried out the statistical analysis of the concrete scaling mass of different concentrations potassium acetate deicing fluid by the one side immersion freeze-thaw cycle test.Results showed that the salt freezing damage of concrete in low concentration of potassium acetate solution was the most serious.By exploring of potassium acetate solution freezing behavior and concrete solution absorption，it determined that the higher concentration of potassium acetate，the larger solution of concrete inhaling and the faster the suction rate.It also proved that the lower freezing and expansion rate made the freezing time longer.The most severe salt freezing damage occurred in the low concentration solution due to the concrete solution suction，suction rate and solution freezing expansion rate.

airport pavement concrete；salt freezing damage；potassium acetate deicing fluid；scaled mass；mechanism analysis

U416.216；V351.11

A

1005-0523（2016）05-0001-06

（責任編輯 王建華）

2016－04－07

國家自然科學基金項目（51278364）；民航局重大專項課題（MHRD20130109）

劉文博（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為道路與機場工程。

袁捷（1971—），男，副教授，博士，博士生導師，主要研究方向為道路與機場工程。