楊全兵， 王 薇， 吳方政， 孫娜峰

（1.同濟大學(xué) 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(yīng)力和動載應(yīng)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(jīng)撒鹽服役1～2 a 后，混凝土道面就經(jīng)常出現(xiàn)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(xiàn)道面修復(fù).大量研究也表明［5?9］，修補材料應(yīng)具有高抗鹽凍性、耐磨性和體積穩(wěn)定性，與道面混凝土保持良好的黏結(jié)性能，且兩者的彈性模量和熱膨脹系數(shù)等有良好匹配.機場道面薄層修復(fù)是一個病害處置的難題，且一般認為傳統(tǒng)純無機類特種搶修材料不適用于這類工程的修復(fù).

無機類磷酸銨鎂水泥基材料的綜合性能良好，被廣泛應(yīng)用于機場道面、公路、橋梁等交通基礎(chǔ)設(shè)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(fù)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(nèi)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(fù)工程中的示范應(yīng)用.數(shù)年工程實踐和現(xiàn)場嚴酷使用環(huán)境的考驗結(jié)果表明，MPC 超薄層修復(fù)層服役5 a 內(nèi)的完好率高達90%.

本文就MPC 可用于機場道面超薄層修復(fù)的內(nèi)在原因進行了系統(tǒng)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(chǎn)修復(fù)王薄層型MPC，由磷酸鎂水泥和特種耐磨細砂構(gòu)成，推薦用水量（質(zhì)量分數(shù)，文中涉及的用水量、水固比等均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比）為7%或水固比為0.07.

（2）環(huán)氧樹脂基砂漿（ER） 由環(huán)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(huán)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(shù)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(jié)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(yǎng)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(yǎng)護1 d 后脫模，之后放入（20±2）℃的水中繼續(xù)養(yǎng)護28 d 以上；MPC 和ER 試件在（20±5）℃和相對濕度（70±5）%的環(huán)境中自然養(yǎng)護1 h 后脫模，之后置于室內(nèi)自然養(yǎng)護.

1.3 試驗方法

1.3.1 黏結(jié)強度試驗

MPC?OPC 的黏結(jié)強度采用黏結(jié)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(jié)試件前，先把養(yǎng)護28 d 的OPC 飽水試件在試驗機上折斷，并把抗折強度數(shù)據(jù)異常或折斷面異常的試件剔除.將合格的半塊OPC 試件放在室內(nèi)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(nèi)空氣中養(yǎng)護1 h，脫模.所得黏結(jié)試件繼續(xù)放在室內(nèi)養(yǎng)護至規(guī)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(huán)；凍融介質(zhì)為4%NaCl 溶液.經(jīng)歷一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，測定試件的剝落量.若30次凍融循環(huán)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(shù)試驗

熱膨脹系數(shù)是材料的重要物理性質(zhì)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(biāo).材料的熱膨脹系數(shù)試驗采用40 mm×40 mm×160 mm 試件，其兩端帶有測量銅頭，養(yǎng)護齡期為28 d.熱膨脹系數(shù)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(shù)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(shù)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(yīng)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(yīng)力疲勞試驗時間，加載時施加較大的應(yīng)力比，其最大加載應(yīng)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(yīng)力與高應(yīng)力比σmin/σmax為0.1.同一應(yīng)力水平下疲勞試驗樣本數(shù)為6 個，加載至試件破壞為止；若加載次數(shù)超過1 000 000 次即視為不破壞，停止試驗.

MPC、ER 及其黏結(jié)試件脫模后，先置于室內(nèi)空氣中養(yǎng)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(biāo)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(guī)程》中T0506、T0556 和T0511 規(guī)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(jié)果與討論

2.1 自身強度

MPC 的強度發(fā)展見圖1.由圖1 可見，MPC 1 d前的早期強度發(fā)展迅速，7 d 后強度增長速率趨于平緩，但后期強度仍持續(xù)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(fā)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(fā)展規(guī)律Fig.1 Development of strength of MPC

2.2 黏結(jié)強度

MPC?OPC 的黏結(jié)強度是決定機場道面超薄層修復(fù)能否成功的最關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一.晾干時間和養(yǎng)護齡期對MPC?OPC 黏結(jié)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(jié)強度前期增加較快，晾干4 h 后黏結(jié)強度增速趨緩，晾干1 d 后黏結(jié)強度幾乎不再增大；隨著養(yǎng)護齡期的增加，MPC 的黏結(jié)強度發(fā)展快、強度高，養(yǎng)護14 d 后黏結(jié)試件的折斷面已經(jīng)不在MPC?OPC 黏結(jié)界面區(qū)，而是出現(xiàn)在OPC 試塊上.因此，當(dāng)采用MPC 修補尤其是超薄層修補時，應(yīng)保證混凝土修補表面處于干燥狀態(tài).

圖2 清楚地說明了MPC 具有非常優(yōu)異的黏結(jié)性能，可與OPC 基體結(jié)合成一個有機的整體，共同抵御使用環(huán)境的不利影響.原因主要是在MPC?OPC 的黏結(jié)界面區(qū)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(chǎn)物和骨料中含鈣、鎂的礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的相互交織、搭接的化學(xué)黏結(jié)，從而顯著提高界面的黏結(jié)強度.

圖2 晾干時間和養(yǎng)護齡期對MPC?OPC 黏結(jié)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(qū)機場道面混凝土最常見的病害，用于機場道面超薄層修復(fù)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(huán)次數(shù)的變化規(guī)律見圖3.由圖3 可見：MPC 具有非常優(yōu)異的抗鹽凍性能，明顯優(yōu)于C40 引氣混凝土（含氣量4.6%（體積分數(shù)））.經(jīng)受30 次凍融循環(huán)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(biāo)的要求值1.0 kg/m2；經(jīng)受50 次凍融循環(huán)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(huán)次數(shù)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(yīng)過程會產(chǎn)生氣體（如NH3和H2），在硬化MPC 中形成大量微小的化學(xué)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(chǎn)物為晶體礦物.

2.4 其他性能指標(biāo)

表1 為MPC 的其他性能指標(biāo)試驗結(jié)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(yīng)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(guān)的技術(shù)指標(biāo)包括干縮率、熱膨脹系數(shù)和彈性模量，它們分別對應(yīng)脫水、荷載和溫度作用引起的形變，其試驗結(jié)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(wěn)定性，主要原因是MPC 的水灰比極低，且主要水化產(chǎn)物為結(jié)晶度良好的晶體礦物［14?15］.因此，當(dāng)MPC 用于機場道面超薄層修復(fù)時，不會因自身材料的干燥收縮大而開裂.

（2）熱膨脹系數(shù) 由表1 可見，MPC 與OPC 的熱膨脹系數(shù)接近，但ER 的熱膨脹系數(shù)顯著大于OPC，其中MPC 和ER 的熱膨脹系數(shù)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(shù)非常匹配，但ER 與機場道面混凝土的熱膨脹系數(shù)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(biāo)試驗結(jié)果Table 1 Test results on other properties of MPC

2.5 抗彎拉應(yīng)力疲勞性能

MPC、ER 及其黏結(jié)試件的彎拉應(yīng)力疲勞試驗結(jié)果見表2.由表2 可見，不論是修補材料自身，還是黏結(jié)試件，MPC 的應(yīng)力疲勞破壞的加載次數(shù)顯著大于ER，但不管是哪種材料，它們均隨著應(yīng)力比的增大而大幅降低.這說明MPC 的抗應(yīng)力疲勞性能顯著高于ER，也驗證了前文彈性模量試驗結(jié)果的推斷.其主要原因是ER 中的黏結(jié)組分（環(huán)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(dǎo)致在動載應(yīng)力作用下很容易在黏結(jié)界面微區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力疲勞開裂，而MPC 與OPC 的彈性模量相近，在黏結(jié)界面微區(qū)產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力較小.

表2 砂漿試件的彎拉應(yīng)力疲勞試驗結(jié)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(jié)強度發(fā)展快、強度高，14 d 后的黏結(jié)界面區(qū)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(huán)境，對機場道面超薄層的耐久性和能否成功修復(fù)起到至關(guān)重要的作用，也是其他傳統(tǒng)無機類搶修材料無法用于機場道面超薄層修復(fù)的最主要原因.

其次，MPC 的熱膨脹系數(shù)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(huán)境如大溫差、動荷載及其疲勞應(yīng)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(jié)界面區(qū)產(chǎn)生大的破壞應(yīng)力，因此MPC 超薄層修復(fù)層不易發(fā)生脫落、開裂.與之相反，ER 的熱膨脹系數(shù)和彈性模量與OPC 很不匹配，導(dǎo)致其在溫度和動荷載應(yīng)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(huán)和飛機輪胎共同作用下，機場道面的MPC 超薄層修復(fù)層不會產(chǎn)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(xiàn)場修補時不需保濕養(yǎng)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(yīng)用于機場道面薄層修復(fù)的效果比較.由圖4 可見：環(huán)氧樹脂基材料（ER）和硫鋁酸鹽水泥基材料（SAC）的修復(fù)效果和耐久性不佳，其中SAC 在數(shù)月內(nèi)就開始出現(xiàn)開裂、剝蝕，1 a內(nèi)就出現(xiàn)嚴重的剝蝕，修補層幾乎潰散；ER 材料1 a內(nèi)基本保持完好，有少量開裂，開始出現(xiàn)變色，且經(jīng)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(xiàn)表面剝蝕破壞；MPC 現(xiàn)場服役2 a 后依然保持完好，未出現(xiàn)明顯開裂、剝蝕和脫落等損傷.機場道面的現(xiàn)場試驗結(jié)果驗證了上述內(nèi)在機理分析的正確性.

圖4 典型快速修補材料應(yīng)用于機場道面薄層修復(fù)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(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果充分證明MPC非常適用于機場道面的超薄層修復(fù)，并確保超薄層修復(fù)層具有良好的耐久性.

3 結(jié)論

（1）MPC 早期強度發(fā)展快、強度高，且后期強度持續(xù)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(jié)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(huán)境，對機場道面超薄層修復(fù)至關(guān)重要.

（3）MPC 的干縮率非常低，且其熱膨脹系數(shù)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(fù)層開裂和脫落，且其抗應(yīng)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(fù)層能夠抵御除冰鹽、凍融循環(huán)和飛機輪胎共同作用的嚴酷考驗.