機場跑道超薄層修復用磷酸鹽基材料性能和機理

楊全兵， 王 薇， 吳方政， 孫娜峰

（1.同濟大學 先進土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804；2.杭州修路人科技股份有限公司，浙江杭州310013）

由于常年受氣溫變化、飛機引擎高溫尾氣，以及飛機起降和滑行的影響，機場道面尤其是表層材料容易遭受溫度應力和動載應力疲勞、輪胎磨損等頻繁作用而破壞［1］.為了防止冰雪致滑影響飛機和車輛的安全營運，常通過撒除冰鹽或融雪劑來清除道面或飛機上的冰雪.然而，經撒鹽服役1～2 a 后，混凝土道面就經常出現嚴重的剝落破壞，從而嚴重影響道面使用壽命和交通安全［2］.研究表明，鹽凍引起的剝蝕破壞往往僅涉及混凝土表層，其剝蝕層下的基體混凝土依然保持堅固完好［2?4］，且剛開始的剝蝕深度較小，因此只要對表層進行超薄層（厚度不大于5 mm）修補就可以實現道面修復.大量研究也表明［5?9］，修補材料應具有高抗鹽凍性、耐磨性和體積穩定性，與道面混凝土保持良好的黏結性能，且兩者的彈性模量和熱膨脹系數等有良好匹配.機場道面薄層修復是一個病害處置的難題，且一般認為傳統純無機類特種搶修材料不適用于這類工程的修復.

無機類磷酸銨鎂水泥基材料的綜合性能良好，被廣泛應用于機場道面、公路、橋梁等交通基礎設施的快速搶修［10?12］.然而，至今尚未見到其用于機場道面超薄層修復的報道.為此，本科研團隊先后在山東省煙臺市、威海市和濟南市等機場，以及內蒙古呼和浩特市、滿洲里市和包頭市等機場，開展了MPC 在機場道面超薄層修復工程中的示范應用.數年工程實踐和現場嚴酷使用環境的考驗結果表明，MPC 超薄層修復層服役5 a 內的完好率高達90%.

本文就MPC 可用于機場道面超薄層修復的內在原因進行了系統的分析研究.

1 試驗

1.1 試驗材料

（1）磷酸鹽水泥基材料（MPC） 杭州修路人科技股份有限公司產修復王薄層型MPC，由磷酸鎂水泥和特種耐磨細砂構成，推薦用水量（質量分數，文中涉及的用水量、水固比等均為質量分數或質量比）為7%或水固比為0.07.

（2）環氧樹脂基砂漿（ER） 由環氧樹脂（618）、固化劑（593、二亞乙基三胺與丁基縮水甘油醚的混成物）、稀釋劑（丁基甘油縮水醚類）、粉煤灰和砂配制而成，其中m（環氧樹脂）∶m（固化劑）∶m（稀釋劑）∶m（粉煤灰）∶m（砂）=1.0∶0.3∶0.1∶2.0∶4.0.僅用于與MPC 部分性能的對比研究.

（3）水泥混凝土（OPC） 水泥混凝土配合比m（水泥）∶m（水）∶m（砂子）∶m（石子）=1.00∶0.35∶1.60∶2.62，其中，水泥為P·II 52.5 硅酸鹽水泥，砂子為細度模數約2.65 的河砂，石子為5～10 mm 碎石，萘系減水劑摻量為0.55%.OPC 試件用于評價MPC?OPC 界面的黏結強度.其28 d 抗折強度和抗壓強度分別為10.4、65.7 MPa.

1.2 成型與養護

各試件尺寸均為40 mm×40 mm×160 mm，其攪拌與成型方法參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》.OPC 試件在（20±5）℃下自然養護1 d 后脫模，之后放入（20±2）℃的水中繼續養護28 d 以上；MPC 和ER 試件在（20±5）℃和相對濕度（70±5）%的環境中自然養護1 h 后脫模，之后置于室內自然養護.

1.3 試驗方法

1.3.1 黏結強度試驗

MPC?OPC 的黏結強度采用黏結抗折強度表示，在水泥膠砂抗折試驗機上測定.需要說明的是，成型黏結試件前，先把養護28 d 的OPC 飽水試件在試驗機上折斷，并把抗折強度數據異?；蛘蹟嗝娈惓５脑嚰蕹?將合格的半塊OPC 試件放在室內空氣中晾干不同時間，然后將其放入模具的一端，再把攪拌好的MPC 澆筑到模具的另半邊，振動密實30 s 后放在室內空氣中養護1 h，脫模.所得黏結試件繼續放在室內養護至規定齡期.

1.3.2 抗鹽凍性試驗

MPC 試件的抗鹽凍性采用單面浸泡法［2］測定.其凍融試驗制度為：先在-20 ℃下冷凍3 h，再在15～20 ℃下融化3 h，此為1 次凍融循環；凍融介質為4%NaCl 溶液.經歷一定次數的凍融循環后，測定試件的剝落量.若30次凍融循環后的剝落量小于1.0 kg/m2，則可判定該試件的抗鹽凍性為合格，否則為不合格；該值愈小，其抗鹽凍性愈高.

1.3.3 熱膨脹系數試驗

熱膨脹系數是材料的重要物理性質之一，它是評估修補材料與水泥混凝土性能是否匹配的一個重要指標.材料的熱膨脹系數試驗采用40 mm×40 mm×160 mm 試件，其兩端帶有測量銅頭，養護齡期為28 d.熱膨脹系數測定方法參照JC/T603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》，用比長儀測定不同溫度下試件的長度變化.

為排除干縮對熱膨脹系數測定的影響，試件測定前必須進行干燥處理.選取無缺陷材料作為測定膨脹系數的試件，并把試件放入烘箱中進行烘干處理，直至試件恒重，烘干溫度為100 ℃.取出試件，放入干燥器中冷卻至室溫，備用.

1.3.4 抗彎拉疲勞試驗

采用40 mm×40 mm×160 mm 試件進行彎拉疲勞性能測試.測試儀器采用MTS810 試驗機，加載方式選擇控制應力方式.由于加載波形對材料的疲勞壽命影響很大，且通常認為正弦波形與實際路面受到的荷載波形比較接近，因此本次疲勞試驗的加載方式采用正弦波，加載頻率為10 Hz.為縮短應力疲勞試驗時間，加載時施加較大的應力比，其最大加載應力σmax取材料自身抗折強度的0.6、0.7、0.8，且加載正弦波上的低應力與高應力比σmin/σmax為0.1.同一應力水平下疲勞試驗樣本數為6 個，加載至試件破壞為止；若加載次數超過1 000 000 次即視為不破壞，停止試驗.

MPC、ER 及其黏結試件脫模后，先置于室內空氣中養護至28 d，再將試件水平放置在試驗機上，采用三點加載方式進行彎拉疲勞試驗.

1.3.5 其他性能指標試驗

試件強度、彈性模量和干縮率分別按JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中T0506、T0556 和T0511 規定的試驗方法進行測試；試件耐磨性按GB/T16925—1997《混凝土及其制品耐磨性試驗方法（滾珠軸承法）》進行測試.

2 試驗結果與討論

2.1 自身強度

MPC 的強度發展見圖1.由圖1 可見，MPC 1 d前的早期強度發展迅速，7 d 后強度增長速率趨于平緩，但后期強度仍持續增長，其中抗折強度的增長速率明顯快于抗壓強度.例如：MPC 的1 h 抗折強度和抗壓強度分別超過6、40 MPa；與1 h 強度相比，1 d 抗折強度和抗壓強度分別增加約69%和37%，7 d 抗折強度和抗壓強度分別增加約100%和70%；與7 d 強度相比，28 d 抗折強度和抗壓強度仍分別增加約11%和7%.由此可見，MPC 的強度發展特性非常適合于機場道面的搶修，可滿足機場道面混凝土強度和快速開放交通的要求.

圖1 MPC 強度的發展規律Fig.1 Development of strength of MPC

2.2 黏結強度

MPC?OPC 的黏結強度是決定機場道面超薄層修復能否成功的最關鍵技術指標之一.晾干時間和養護齡期對MPC?OPC 黏結強度的影響見圖2.由圖2 可見：隨著晾干時間的增加，其黏結強度前期增加較快，晾干4 h 后黏結強度增速趨緩，晾干1 d 后黏結強度幾乎不再增大；隨著養護齡期的增加，MPC 的黏結強度發展快、強度高，養護14 d 后黏結試件的折斷面已經不在MPC?OPC 黏結界面區，而是出現在OPC 試塊上.因此，當采用MPC 修補尤其是超薄層修補時，應保證混凝土修補表面處于干燥狀態.

圖2 清楚地說明了MPC 具有非常優異的黏結性能，可與OPC 基體結合成一個有機的整體，共同抵御使用環境的不利影響.原因主要是在MPC?OPC 的黏結界面區除了兩者之間的物理機械咬合力外，MPC 中可溶性磷酸鹽會滲入混凝土中，并與OPC 的水化產物和骨料中含鈣、鎂的礦物發生化學反應，形成新的相互交織、搭接的化學黏結，從而顯著提高界面的黏結強度.

圖2 晾干時間和養護齡期對MPC?OPC 黏結強度的影響Fig.2 Effect of dry time and curing age on the MPC?OPC bonding strength

2.3 抗鹽凍性能

由于鹽凍剝蝕破壞是寒冷地區機場道面混凝土最常見的病害，用于機場道面超薄層修復的修補材料必須具有高抗鹽凍性能.MPC 的抗鹽凍性隨凍融循環次數的變化規律見圖3.由圖3 可見：MPC 具有非常優異的抗鹽凍性能，明顯優于C40 引氣混凝土（含氣量4.6%（體積分數））.經受30 次凍融循環后，MPC 的鹽凍剝落量僅為0.05 kg/m2左右，遠低于C40 引氣混凝土的剝落量0.36 kg/m2及抗鹽凍性合格指標的要求值1.0 kg/m2；經受50 次凍融循環后，MPC 的剝落量也僅為0.31 kg/m2左右.

圖3 MPC 的抗鹽凍性隨凍融循環次數的變化Fig.3 Development of salt?frost resistance of MPC with freezing?thawing cycles

MPC 具有高抗鹽凍性能的主要原因為：（1）MPC的水化反應過程會產生氣體（如NH3和H2），在硬化MPC 中形成大量微小的化學引氣泡，其具有類似物理引氣泡的抗凍與抗鹽凍作用［13］；（2）MPC 的水灰比極低，僅為0.14，且主要水化產物為晶體礦物.

2.4 其他性能指標

表1 為MPC 的其他性能指標試驗結果.

2.4.1 耐磨性

MPC 的耐磨性用耐磨度表征，該值越大，耐磨性越高.由表1可見，MPC 的耐磨度約為6.21，顯著高于OPC 的耐磨度.這說明MPC 具有高耐磨性，主要原因是用耐磨骨料配制了MPC，且MPC 中含有大量未反應的死燒氧化鎂顆粒，該顆粒也具有高耐磨性.

2.4.2 變形性能

與MPC 的變形性能相關的技術指標包括干縮率、熱膨脹系數和彈性模量，它們分別對應脫水、荷載和溫度作用引起的形變，其試驗結果也列于表1.

（1）干縮率 由表1可見，MPC的干縮率極低，其28 d試件的干縮率增長緩慢，60 d的干縮率僅為0.46×10-4mm/mm，約為普通混凝土的1/10，說明其具有良好的體積穩定性，主要原因是MPC 的水灰比極低，且主要水化產物為結晶度良好的晶體礦物［14?15］.因此，當MPC 用于機場道面超薄層修復時，不會因自身材料的干燥收縮大而開裂.

（2）熱膨脹系數 由表1 可見，MPC 與OPC 的熱膨脹系數接近，但ER 的熱膨脹系數顯著大于OPC，其中MPC 和ER 的熱膨脹系數分別為OPC 的1.07、3.55 倍.因此，MPC 與道面混凝土的熱膨脹系數非常匹配，但ER 與機場道面混凝土的熱膨脹系數很不匹配.

（3）彈性模量 由表1 可見，MPC 的彈性模量與OPC 接近，但ER 的彈性模量顯著小于OPC，其中MPC 和ER 的彈性模量分別為OPC 的95.3%、38.3%.這說明，MPC 與機場道面混凝土的彈性模量非常匹配，但ER 的彈性模量與機場道面混凝土很不匹配，且會隨著溫度增大而降低［16］.

表1 MPC 的其他性能指標試驗結果Table 1 Test results on other properties of MPC

2.5 抗彎拉應力疲勞性能

MPC、ER 及其黏結試件的彎拉應力疲勞試驗結果見表2.由表2 可見，不論是修補材料自身，還是黏結試件，MPC 的應力疲勞破壞的加載次數顯著大于ER，但不管是哪種材料，它們均隨著應力比的增大而大幅降低.這說明MPC 的抗應力疲勞性能顯著高于ER，也驗證了前文彈性模量試驗結果的推斷.其主要原因是ER 中的黏結組分（環氧樹脂）與主要成分（砂和粉煤灰）之間，以及ER 與OPC 之間的彈性模量相差太大，導致在動載應力作用下很容易在黏結界面微區產生應力疲勞開裂，而MPC 與OPC 的彈性模量相近，在黏結界面微區產生的疲勞應力較小.

表2 砂漿試件的彎拉應力疲勞試驗結果Table 2 Test results of flexural tensile stress fatigue of mortar specimens

2.6 機理分析

首先，MPC?OPC 的黏結強度發展快、強度高，14 d 后的黏結界面區較OPC 基體更強健，可確保兩者形成一個有機整體，共同抵御機場道面惡劣的使用環境，對機場道面超薄層的耐久性和能否成功修復起到至關重要的作用，也是其他傳統無機類搶修材料無法用于機場道面超薄層修復的最主要原因.

其次，MPC 的熱膨脹系數和彈性模量與機場道面混凝土非常匹配，在機場道面最典型的使用環境如大溫差、動荷載及其疲勞應力作用下，MPC 與OPC 二者的自身變形非常接近，不會在MPC?OPC黏結界面區產生大的破壞應力，因此MPC 超薄層修復層不易發生脫落、開裂.與之相反，ER 的熱膨脹系數和彈性模量與OPC 很不匹配，導致其在溫度和動荷載應力疲勞作用下易從機場道面上脫落.

第三，MPC 具有高抗鹽凍性和耐磨性，確保在遭受除冰鹽、凍融循環和飛機輪胎共同作用下，機場道面的MPC 超薄層修復層不會產生較大的剝蝕破壞與磨損.

最后，MPC 的干縮率非常低，可以有效防止服役過程中因收縮大而引起的開裂，這也是采用MPC 進行現場修補時不需保濕養護和混凝土修補面不需濕潤的主要原因.

圖4 為典型快速修補材料應用于機場道面薄層修復的效果比較.由圖4 可見：環氧樹脂基材料（ER）和硫鋁酸鹽水泥基材料（SAC）的修復效果和耐久性不佳，其中SAC 在數月內就開始出現開裂、剝蝕，1 a內就出現嚴重的剝蝕，修補層幾乎潰散；ER 材料1 a內基本保持完好，有少量開裂，開始出現變色，且經歷1 個冬季后，其修補層與道面混凝土基體脫開并開裂，但未出現表面剝蝕破壞；MPC 現場服役2 a 后依然保持完好，未出現明顯開裂、剝蝕和脫落等損傷.機場道面的現場試驗結果驗證了上述內在機理分析的正確性.

圖4 典型快速修補材料應用于機場道面薄層修復的效果比較Fig.4 Comparison of the effectiveness of typical rapid repair materials used in the thin?layer rehabilitation of airport runway

這些綜合性能和現場應用結果充分證明MPC非常適用于機場道面的超薄層修復，并確保超薄層修復層具有良好的耐久性.

3 結論

（1）MPC 早期強度發展快、強度高，且后期強度持續增長，可滿足機場道面的快速修補要求.

（2）MPC 與OPC 之間的黏結強度高，能夠確保兩者形成一個有機整體，可共同抵御機場道面惡劣的使用環境，對機場道面超薄層修復至關重要.

（3）MPC 的干縮率非常低，且其熱膨脹系數和彈性模量與機場道面混凝土非常匹配，可以有效防止收縮、大溫差和動荷載作用引起的MPC 修復層開裂和脫落，且其抗應力疲勞性能較佳.

（4）MPC 具有高抗鹽凍性和耐磨性，可以確保機場道面超薄層修復層能夠抵御除冰鹽、凍融循環和飛機輪胎共同作用的嚴酷考驗.