聚合物結構快速修補料在混凝土場道的應用★

嵇 譽 趙方冉

(中國民航大學機場學院，天津 300300)

0 引言

目前，國內大部分民用機場飛行區跑道在運行一段時間都會出現不同程度的破損,包括板塊斷裂，板邊、板角的破碎，跑道表面剝落、龜裂等問題，特別是那些交通承載繁重的機場表現尤為明顯。機場跑道出現以上病害后，若不及時進行修補處理，隨著飛機荷載的反復作用，繼而引發道面出現其他多類破壞，連鎖破壞將愈演愈烈。因此，混凝土道面的使用壽命必須靠持續的、在局部破壞尚未發展成結構性和整體性破壞時即已開始的改善修補工作才能得以保證。

針對于機場的特殊運營環境，跑道道面需要進行不停航修補施工[1]。大部分國內航空白天6:00～0:00為航班運行時間，因此夜間施工時間為0:00～6:00。機場不停航施工安全要求高，作業時間短且大多數需要在夜間進行施工，各部門之間的協調工作量大。針對機場跑道快速修補，主要集中在新型建筑材料研發和施工工藝改進這兩方面著手來解決這個問題。目前，國內外學者在快速修補材料研究上取得了較大的進展，快速修補材料主要分為無機類快速修補料、有機類快速修補料、聚合物改性水泥基材快速修補料三大類[2-5]。Yang等[6]和孫佳龍等[7]認為無機類快速修補料用作道路修補材料具有早強、快硬、粘結性能好等優點，但該類修補材料需加入適量改性材料才可滿足路用性能要求，楊正宏等[8]和Luo等[9]研究表明有機類快速修補料干縮小、與舊路面粘結力強、修補方法簡單，但該類砂漿存在疲勞破壞與老化現象。修補材料的研究表明聚合物改性水泥基修補材料相對于其他快速修補材料具有更高的粘結強度、彎拉強度、抗沖擊韌性、耐磨性,且成本可控施工方便[10-13]。以上修補材料主要針對于道路混凝土病害修補，鮮有涉及機場跑道道面病害的修補，尤其缺少在繁忙機場不停航施工要求下機場道面。聚合物結構快速修補料在國內起步比較晚,對其材料性能及應用研究尚處于不成熟階段。針對機場跑道快速修補，通過室內及現場試驗研究對聚合物結構快速修補料材料(XB型)性能及施工技術進行分析研究，從而對以后的機場跑道道面快速修補提供一定的理論基礎。

1 聚合物結構快速修補料主要技術特性及試驗研究

1.1 聚合物結構快速修補料材料組成

聚合物快速結構修補料(XB型)，是以水泥為基礎結合劑，高強度材料(金剛砂)作為主骨料，輔以高分子膠粉、高效減水劑、早強劑、膨脹劑、防離析等物質配制而成的超早強型混凝土結構修補材料。該修補料具有自流性好，快硬、早強、高強、無收縮、微膨脹;無毒、無害、不老化、對水質及周圍環境無污染，自密性好、阻銹等特點。聚合物結構快速修補料材料技術參數如表1所示。

表1 聚合物結構快速修補料材料技術參數

1.2 修補料抗壓和抗折性能試驗

彎拉強度(即抗折強度)作為機場跑道水泥混凝土面的設計強度的一個重要指標,飛行區指標Ⅱ為A，B的機場，其水泥混凝土設計強度不應低于4.5 MPa，飛行區指標Ⅱ為C，D，E，F的機場，其水泥混凝土設計強度不應低于5.0 MPa。基于機場跑道強度指標，對聚合物結構快速修補料進行了抗壓強度和抗折強度試驗研究。

對聚合物結構快速修補料在試驗室(室內平均溫度20 ℃～25 ℃)測定立方體抗壓強度、棱柱體的抗折強度的力學性能。抗壓強度試件尺寸為150 mm×150 mm×50 mm立方體，抗折強度試件尺寸為150 mm×150 mm×600 mm棱柱體，每組試件各20個，共計3組。凝結時間見表2，強度試驗數據見表3，抗壓強度與抗折強度數據擬合關系如圖1所示，抗壓強度及抗折強度平均值隨時間變化如圖2所示。

表2 聚合物結構快速修補料凝結時間 min

表3 聚合物結構快速修補料力學性能試驗 MPa

由試驗結果可見聚合物結構快速修補料固化后有非常強的抗壓和抗折能力，2 h的抗壓強度可達30 MPa，抗折強度達到4.5 MPa，即可滿足跑道開放要求。根據圖1，進行試驗數據統計分析，抗壓強度與抗折強度基本成線性關系，采用最小二乘法構造兩者曲線關系，相關系數為0.996 8，擬合得到抗壓強度及抗折強度的換算公式，如式(1)所示：

ff=1.55+fc×0.098 6

(1)

其中,ff為抗折強度；fc為抗壓強度。

以上擬合關系可用來指導現場根據抗壓強度進行抗折強度數值估算。由圖2可看出，該聚合物結構快速修補料在1 h～4 h內強度上升速率最快，展現了該修補料早強的性能。后期強度不斷上升，峰值抗壓強度可達70 MPa以上，抗折強度可達9 MPa，對病害部位有很好的補強和支撐作用。

如表2所示，聚合物結構快速修補料初凝時間為35 min左右，終凝時間為45 min左右。可見聚合物結構快速修補料初凝時間和終凝時間非常接近，有時甚至難以區分，這也是其早期強度發展特別快的原因之一。因此，在實際工程中，應在滿足施工條件的情況下，盡量縮短凝結時間，以最大限度的發揮材料的早強特性。

2 施工技術

2.1 機場混凝土跑道道面快速修補準備工作

材料準備：在機場跑道修復前，對施工段進行現場勘測并在圖紙上標注病害類型及修補范圍，準確記錄測量數據，并根據現場記錄結果進行修補材料用量的準確計算，提前做好材料的采購及儲存工作。

施工工具準備：1)混凝土切割機：為保證道面修補后美觀，沿機場跑道破損部位切割；2)電鎬：用于破碎混凝土的剔除及混凝土表面鑿毛；3)手推車：用于拆除混凝土、修補料、工具的運輸；4)鐵鍬：用于破損混凝土、垃圾的清理及鏟料；5)高壓水槍清洗機或空壓機：用于清理剔鑿后混凝土基層粉塵及混凝土碎渣；6)攪拌桶及電動攪拌器:用于修補料攪拌；7)臺秤：用于稱料及拌合用水質量；8)水桶：用于盛水稱重；9)鐵板抹子：用于抹平壓實修補料；10)溫度計:測量溫度用；11)噴燈:用于吹干混凝土基層水氣及預熱混凝土基層。

我國的部分北方機場及高海拔低溫機場常年夜間溫度為零下，在冬季施工時，溫度更低。機場跑道的修補容不得馬虎和拖延，所以不會因為季節的影響而停止修補施工。故考慮機場跑道冬季快速修補施工及高海拔低溫機場的施工溫度影響，結合材料的特性及快速修補施工工藝研制了一款移動式攪拌烘烤一體機(見圖3)。該設備小巧輕便，制作簡單，用1 mm鐵皮制作，可以用來烘干混凝土基層，同時提高上部攪拌修補料溫度，提高修補料入模溫度，溫度應控制在5 ℃以上，可以加速修補料的固化，防止低溫施工時修補材料在進行水化熱反應前就已經凍粉，使材料的各項指標降低，嚴重影響修補工程質量。

2.2 道面快速修補施工

2.2.1 混凝土破損道面的處理

對于機場混凝土跑道因表面起皮、剝落、龜裂等問題引起的道面病害，這種病害修補屬于淺層快速修補，病害部位需進行表面鑿毛處理，剔鑿至混凝土面露出堅硬石子，以增強新舊材料的結合強度。因道面混凝土板斷裂，板邊、板角破碎與斷裂，這種深層快速修補為保證修補后道面美觀，首先用混凝土切割機沿著提前彈好的墨線進行直線切割，使得混凝土道面待修復區與完整區分開，之后再用電鎬和必要的混凝土破碎設備鑿除舊混凝土，直至露出基層材料。對舊混凝土面剔鑿清除后，用高壓空氣泵或者高壓水將其上的松動石子及灰塵清理干凈。

2.2.2 聚合物結構快速修補料攪拌

機場跑道病害除整板更換，一般情況下機場跑道修補都是零星修補工程，每個修補部位修補料用量都不是很大。所以在聚合物結構快速修補施工過程中，根據修補施工所需材料多少選擇修補料攪拌工具，如修補料一次用量較大，可選用大型攪拌機進行攪拌,如用量較小，且道面修復點較分散，可選用小型電動攪拌機進行人工攪拌。因修補料的凝結時間較多，每次用料爭取少拌合，多次拌合。人工攪拌時，葉片應沿著桶周邊上下左右緩慢移動，以使桶底和桶壁粘附的快速修補料能夠充分拌合，攪拌葉片不得提至料液面之上，以免空氣帶入。每次修補料攪拌，應嚴格按照材料說明書要求控制加水量，加水量嚴禁控制在16%～18%，加水量應用臺秤進行稱重，攪拌時間應控制在2 min～3 min，待修補料充分攪拌后，靜置5 min左右，待修補料中氣泡排出后方可進行澆筑。修補料每次攪拌量應在25 min內施工完成，以防止修補料在攪拌器內凝固。

2.2.3 聚合物結構快速修補料澆筑

聚合物結構快速修補料澆筑前，應確保混凝土接觸面干燥清潔，并在混凝土面與澆筑修補料粘結面涂抹界面劑，增強新舊材料的結合強度。修補料澆筑時，盡可能從一側注入，防止空氣氣泡夾在澆筑修補料內以及澆筑材料與混凝土面接觸面存在空氣氣泡，必要時可采用竹片等工具進行導流。澆筑開始后必須連續進行，不得中斷。澆筑完畢后，在修補料初凝前用鐵板抹子壓實并找平。施工完畢，采用覆蓋薄膜進行濕養護，在冬季或者寒冷天氣，當環境溫度低于-10 ℃時，可覆蓋電熱毯進行加熱輔助養護，使修補面層溫度控制在15 ℃～20 ℃，通常情況下，養護時間需要控制在2 h以上，當修補料強度達到30 MPa時，方可撤去電熱毯等養護設施。

2.2.4 表面處理及切縫要求

聚合物結構快速修補料表面處理同混凝土道面，由于快速修補料凝結時間相對于普通混凝土短很多，因此，在表面處理過程中要抓緊時間。在修補料初凝前進行跑道表面平整及拉毛工作，終凝后可進行道面刻槽等施工。修補后的新道面切縫位置應與原混凝土道面貫通，不得出現錯槎。

3 聚合物結構快速修補料應用于機場混凝土道面快速修補現場試驗結果

道面修補施工完畢后，利用回彈儀進行了現場強度測試，測得2 h強度值為30.4 MPa，4 h強度值為35.2 MPa。從抗壓強度上來看，2 h已經滿足道路開放要求。經一段時間的使用，飛機的起降沖擊碾壓，修補后的道面未出現開裂、空鼓、破碎、掉塊等問題。可見，修補后的跑道強度，韌性與抗沖擊性高，粘結牢固，整體穩定可靠。

4 結論

通過上述研究得出如下結論：

1)聚合物結構快速修補料具有早強、高強的特性，其早期抗壓強度，抗折強度均滿足機場道面使用要求，基本能達到施工后2 h～3 h通車。2)施工時無需復雜的施工機械和技術要求，施工工藝簡單快捷，能夠滿足機場不停航施工要求。3)采用聚合物結構快速修補料修補機場跑道道面，不但節約了大量的人力、物力，還節約了50%～60%的成本；更好的解決了因傳統施工造成的長期封閉跑道的問題，取得了良好的社會效益和經濟效益。4)聚合物結構快速修補料穩定的材料性能及成熟簡捷的施工技術，在經濟上切實可行，可操作性強，在民航機場道面快速修補領域具有較強的推廣價值。