機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

機場水泥混凝土道面通常都是大體量道面，由于溫度應力的破壞作用[1-2]，不得不設置接縫，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構內部的主要通道[3]。而目前我國生產的嵌縫料使用期都很短，一般在投產一年后都不同程度地出現滲水現象，特別是在南方多雨地區[4]。路基道面內外部排水關系著道面服務性能指標（道面行駛質量指數、道面抗滑性能指數），試驗表明，水損壞是造成道面結構損壞的原因中最主要和危害性最大的一類[5-9]。調查顯示[10]，水泥混凝土道面所產生的唧泥、錯臺、開裂和斷板均與水的存在有關系。機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，會經由道面的縱、橫向接縫、裂縫或面層空隙滲透到道面結構內部，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構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入道面結構層中的水[11-14]。當道面結構內存在自由水時，每一次重復軸載導致的結構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構破壞的主要原因，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[16]。土基中的細料土會隨水的侵入而析出呈現出液態。在飛機荷載作用下，道面板對土基產生沖擊作用，使得細粒土沿著板縫上升，即出現唧泥現象。隨著唧泥現象的深入發展，進而在板角和板邊出現脫空，引起道面板的斷裂。引起沖刷和唧泥的主要原因可歸結為：一是路基或基層材料中含有細料；二是頻繁車輛荷載的作用；最關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后，會形成空隙，而寒區機場所特有的凍融循環效應[21]，極易使水泥混凝土道面板在溫度應力、濕度應力作用以及機輪重復荷載作用下產生使得空隙貫通，從而產生毛細細微裂紋，而這些細微裂紋成為外界水汽進入結構內部的通道，且極易產生虹吸作用[22]。

故機場道面防水關鍵是解決混凝土的孔隙率和透濕性問題。混凝土結構內的毛細管與混凝土的孔隙率和滲透性直接相關。混凝土的高滲透性允許空氣和濕氣的滲透，特別在道面設置鋼筋的情況下，會導致鋼的腐蝕，從而導致鐵銹后內部鋼筋體積的擴大，最終導致混凝土表層的開裂和剝落，從而結構惡化。故混凝土的低滲透性是保護材料免受硫酸鹽、酸、碳化、霜凍、堿集料反應、風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境條件下的結構壽命[23]。

因此，深入了解水對道面結構的損壞形式，提出相應的水損壞防治措施，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，海陸熱力性質差異顯著。受季風和海陸風的共同影響，產生大風的天氣形勢主要為臺風和強冷空氣或者冷臺結合型。機場道面破損主要誘因是耐久性破壞。潮濕多雨，海風、雨水等對道面的侵蝕使得道面出現不同程度的剝落現象。雨水中的酸性成分使混凝土中堿濃度降低。而堿性環境下才有利于混凝土水化物的存在，否則將造成水泥石結構的耐久性破壞。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，研究滲透結晶防水劑對機場道面的防護效果[24]。

1 試驗

1.1 試驗材料

根據 MH 5006—2015《民用機場水泥混凝土面層施工技術規范》和 MH/T 5004—2010《民用機場水泥混凝土道面設計規范》相關規定，選取如下試驗原料：

（1）模擬機場道面板的立方體混凝土試塊材料：水泥：唐山奧順水泥廠 P·O52.5。

集料：5～20mm 和 20～40mm 連續級配碎石；0.63mm 的方孔篩下累計篩余量 68% 的天然河砂，其細度模數為 2.75。

水：自來水。

（2）表面處理覆層材料：已投入機場道面使用的超薄層快速修補材料，其硬化時間為 90 min，硬化強度為 35MPa。經過其表面處理后，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：無機水性滲透結晶防水劑。

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程》用 YH-40B 型標準恒溫恒濕養護箱對標準立方體混凝土試塊（150mm×150mm×150mm）養護28d。

使用 DGG-101-2S 型電熱鼓風干燥箱的加熱功能模擬飛機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 電熱數顯恒溫鼓風干燥箱）烘烤 5h（圖 4），以模擬日間道面處于較高環境溫度狀態下工作；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行 75℃ 烘烤，為下一次試驗做準備。

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 置于恒溫箱進行加熱

圖5 溫度驟降模擬試驗

2 試驗結果與討論

通過室內試驗，利用多功能混凝土超聲波檢測儀無損測試試件表面結構層變化情況。利用 Matlab 編寫程序，實現圖像二值化轉換。

由圖 6 可以觀察到，溫度驟降試驗循環 6 次之后，普通水泥混凝土試塊表面已經出現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，其表面熱脹冷縮導致使其坑洞之間出現細微裂縫；而 b 組進行表面防水處理之后的試塊，未出現裂縫或者坑洞，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 7 次之后，普通水泥混凝土試塊表面已經呈現龜裂狀，表層剝落嚴重，且裂縫寬度約為 1.0mm；較 6 次循環而言，表面狀態惡化嚴重，有 FOD 風險存在，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出混凝土提供了通道，加速其劣化程度，這些與水有關的問題會導致進一步的混凝土損壞，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細微裂縫貫穿、裂縫相互連接。而對于 b 組進行表面防水處理之后的試塊而言，未出現裂縫或者坑洞，部分麻面產生，表面基本完好，不影響使用。

圖7 溫度驟降試驗循環 7 次

由圖 6 和圖 7 可知，采用表面防水技術能有效抑制道面裂縫的發展速度、增強道面細觀結構的完整性，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管網絡的滲透。影響混凝土性能的因素包括滲透性和其他傳輸特性。

滲透結晶防水劑是水基滲透結晶型防水材料，其優點是結構層中有水時還可以繼續反應，直到“吸干”水分為止。防水機理是與混凝土中的游離堿產生化學反應，生成穩定的枝蔓狀晶體膠質，能有效地堵塞混凝土內部微細裂縫和毛細孔，使混凝土結構具有持久的防水功能和更好的密實度及抗壓強度，并為混凝土提供良好的透氣性。該材料可滲透至混凝土內部，滲透深度達20～30mm，同時還能有效地阻止酸性物質、油漬和機油對混凝土的侵蝕。

3 結論

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，開展室內機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，研究滲透結晶防水劑對機場道面的防護效果。得出以下結論：

（1）不采取任何防護措施的情況下，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重的影響。加速試驗表明，在經歷 6 次循環之后，普通混凝土道面表面出現貫穿裂縫和與之連接的微裂縫，7 次循環之后出現，出現道面龜裂現象，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效果最好。因為采用表面防水技術能有效抑制道面裂縫的發展速度、增強道面細觀結構的完整性，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境中的結構容易進水，暴露環境的溫度和濕度變化以及其他因素會導致道面出現裂縫，研究表明由于地下結構中的水滲透導致鹽結晶致使水泥混凝土基礎設施性能退化。本文對于沿海地區浸水和其他腐蝕性介質存在的情況下道面使用壽命的提高具有指導意義。