水泥混凝土路面銹色斑塊病害機理分析與防治措施

孫忠金

(民航機場規劃設計研究總院有限公司東北分公司 沈陽市 110000)

0 引言

近期在某沿海機場出現了銹色斑塊病害，根據銹色斑塊的大小以及發展程度，分為初期、中期、后期三類：初期時多呈現銹色裂縫并輕微凸起的狀態，此時砂漿層表面較為堅硬，未見明顯脫落；中期表現形式為裂縫進一步擴大，漿層輕微脫落，受外力砂漿層即剝落；后期時砂漿層完全脫落，形成大小不一的銹色凹坑。三種狀態如圖1所示。銹色斑塊主要分布于航站區道路以及巡場路上，并且有進一步擴大的趨勢。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風險，對機場運行產生安全隱患。

圖1 銹色斑塊狀態

該機場出現的不明銹色斑塊在國內外尚無資料記載，為一種在水泥路面中首次出現的大規模、持續擴散的表面病害。目前針對出現的銹色斑塊非結構性病害持續發展情況，多采用快速修復材料對破損的區塊進行修復。此方法只能對表現出破壞現象的區域進行修復，但是修復后通常幾個月后又出現修復材料脫落的情況，而且不能抑制銹色斑塊的進一步產生和發展。因此，針對典型的病害區域進行取樣研究，通過掃描電鏡及能譜分析、X射線衍射分析、劈裂強度試驗和凍融循環試驗，分析病害的強度和回彈模量，探究病害的成因與機理，并給出經濟適用的防治方案。

1 道面病害的成因分析

掃描電鏡可以觀察納米粒子的形貌、在基體中的分散情況以及粒徑的測量、材料斷口分析、鍍層表面形貌分析和深度檢測、微區化學成分分析及顯微組織及超微尺寸材料的研究等分析應用[1]。能譜分析采用特征X射線分析法，在掃描電鏡的基礎上可以進一步分析材料微區成分元素種類和含量。X射線衍射分析可以利用X射線在晶體物質中的衍射效應對物質結構進行分析[2]。

從銹色斑塊區域進行鉆芯，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。

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行觀察，其不同區域的能譜分析結果如表1所示。

通過對比正常區域、綠色區域、紅色區域及黃色區域的能譜結果可以看出，正常區域的鐵含量最低、綠色區域次之、紅色區域再次之，黃色區域的鐵含量最高。正常區域與綠色區域的鈣含量較高，紅色區域的鈣含量較低、黃色區域的鈣含量最低。從掃描電鏡圖片可以看出，黃色區域的腐蝕比較嚴重，結構比較松散。因此可以認為，鐵含量較高的區域最容易受到腐蝕生成結構比較松散的產物。

1.2 X射線衍射分析

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

表1 重腐蝕不同區域的能譜元素分析 %

1.3 道面病害形成機理分析

根據掃描電鏡能譜儀分析及X射線衍射分析可以知道該機場的銹色斑塊實際為鐵相氧化物，根據氧化程度從輕至重呈現出淺綠、紅色和黃色不同顏色。鐵相氧化物需要鐵相、水分及空氣同時存在的情況下得以生成，三者缺一不可，因此，斑塊多發生在路面存在微裂縫的表面，水分和空氣通過微裂縫進入基體，與鐵相發生氧化反應，生成膨脹性的氧化亞鐵化合物，此時呈現出淺綠的色澤，體積膨脹導致道面表觀微裂縫進一步擴大，水分及空氣更為充裕的進入基體，與鐵相的反應大幅加劇，生成膨脹性更大的鐵氧化物，呈現出紅色及黃色的色澤，體積膨脹導致砂漿層的脫落，隨著砂漿層的脫落水分及空氣可以更好與鐵相反應，造成持續性的破損。

銹色斑塊的形成與混凝土基體內存在的鐵相元素有直接的因果關系，混凝土中鐵元素主要有三方面的來源：水泥、粗骨料及細骨料。水泥及細骨料在混凝土中分布較為均質，若由水泥及細骨料引起的鐵相銹蝕分布將更為廣泛與無規則，但根據實際現場取樣結果來看，銹色斑塊主要在粗骨料周圍，甚至嚴重銹色斑塊區域出現了粗骨料脫離掉落形成較大凹坑的情況，因此，可以基本推測由于粗骨料的鐵相離子與水、空氣反應生成的氧化導致銹色斑塊的產生。

圖3 巡場路重腐蝕區域的X射線衍射圖譜

圖4 巡場路正常區域的X射線衍射圖譜

2 路面病害處的性能分析

2.1 路面病害對力學性能的影響

機場水泥路面的強度控制指標是抗折強度，采用鉆芯劈裂強度換算成抗折強度來代替，通過測定芯樣的劈裂抗拉強度，作為評定混凝土結構性能的主要指標。將鉆芯所取試樣進行劈裂強度測試，結果如表2所示。

表2 鉆芯強度測試結果

由表2可知，出現銹色斑狀病害的巡場路彎拉強度平均為4.78MPa，彎拉回彈模量平均為34091MPa，彎拉強度已不滿足5MPa的要求，且回彈模量也呈現了降低的趨勢，說明內部已出現較為松散的區域。出現銹色斑塊病害的航站區道路區域彎拉強度平均為5.08MPa，彎拉回彈模量平均為35536MPa，也出現了強度降低的情況，說明銹色斑塊病害對道面強度和回彈模量有較大的影響。

2.2 路面病害對抗鹽凍耐久性的影響

銹色斑塊病害出現在路面表面，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，使水、鹽溶液等更容易滲透進路面基體，將會對路面的表面抗鹽凍性能產生較大影響[4]。對巡場路區域進行了鉆芯后表層的抗鹽凍性能測試，溶液為4%道面除冰鹽，溫度為-20～20℃之間，每10次循環后觀察道面表層狀態如圖5所示。

圖5 巡場路區域除冰鹽凍融循環試驗

可以發現，病害的巡場路道面極易出現除冰鹽凍融破壞，甚至10次除冰鹽凍融循環后，表面的砂漿層已完全脫落，裸露出粗骨料，用手觸摸發現表面已成很松散的狀態，已出現非常嚴重的破壞。20次鹽凍循環后已完全散解，結構已完全破壞。這主要是因為病害使得混凝土表面較為疏松，除冰鹽溶液更易滲透進混凝土基體，在凍脹的作用下，迅速發生破壞。

3 路面病害防治措施

對于病害區域，采取表層切割和涂刷防水、增粘涂層并使用快速修復材料進行修復的措施進行處治。同時為了防止其它區域產生病害，在機場路面的其它區域涂刷納米防護涂層，使水和空氣無法與混凝土中的鐵相接觸，避免氧化物的生成。所選用的材料應滿足粘結性能、抗滲性能、抗鹽凍性能的要求，并且具有較高的摩擦系數。

3.1 初期病害快速修復

銹色斑塊初期表現形式為銹色裂縫并輕微凸起，此時水分及空氣接觸到鐵相后進行氧化，生成的氧化物較少，此時應對裂縫進行有效封閉，隔絕水分及空氣，使鐵相無法繼續氧化反應。

針對較為輕微的初期病害，可采用涂刷高防水、高防護納米涂層的方法進行修復和預防。針對裂縫較長的初期病害，可以采用水鉆鉆頭對病害區域進行切割，深度為2～3cm，在內壁上涂刷防水、增粘涂層，最后填補快速修復材料進行恢復。

3.2 中期病害快速修復

銹色斑塊中期表現形式為裂縫進一步擴大，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，裂化速度顯著增加。對于中期病害，首先用水鉆進行切割，深度2～3cm，然后內壁涂刷防水、增粘涂層，最后采用快速修復材料進行修補處理。

3.3 后期病害快速修復

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

4 結論

(1) 通過對銹色斑塊的區域進行掃描電鏡能譜分析及X射線衍射物相分析，發現銹色斑塊為鐵相氧化物，初步判斷為粗骨料引入的鐵相。這是由于機場使用年限較久，表面砂漿層出現裂縫，水和空氣通過裂縫與鐵相接觸，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) 銹色斑塊產生的鐵氧化物降低了路面強度，并且使混凝土內部基體結構松散，降低了混凝土的動彈性模量和抗鹽凍性能。

(3)采用銹色斑塊區局部修復+納米涂層預防措施相結合的技術防治方案，能夠顯著降低修復成本，且可以在不停航的情況下進行修復和預防整治，減小對機場運行的影響。針對已經出現的銹色斑塊破損，采用高粘結薄層快速修復手段進行不停航快速修復，薄層快速修復材料應具有優異的粘結性能，并且應具有良好的抗滲性能，防止水分和空氣的再次滲入；針對尚未出現銹色斑塊的區域，采用高防水、高防護納米涂層材料進行預防性整治，高防水、高防護納米涂層材料不僅可以有效阻止水、空氣進入基體內部與鐵相氧化反應，還能夠顯著增加路面的摩擦力，提升路面的抗鹽凍性能。