机场水泥混凝土道面防水性能研究

时间：2024-09-30

元翔，于磊

［（福州）国际航空港有限公司，福建福州 350209］

0 引言

机场水泥混凝土道面通常都是大体量道面，由于温度应力的破坏作用[1-2]，不得不设置接缝，但却给水泥混凝土道面带来了许多问题，其中危害最大的是接缝成为表面雨水渗入道面结构内部的主要通道[3]。而目前我国生产的嵌缝料使用期都很短，一般在投产一年后都不同程度地出现渗水现象，特别是在南方多雨地区[4]。路基道面内外部排水关系着道面服务性能指标（道面行驶质量指数、道面抗滑性能指数），试验表明，水损坏是造成道面结构损坏的原因中最主要和危害性最大的一类[5-9]。调查显示[10]，水泥混凝土道面所产生的唧泥、错台、开裂和断板均与水的存在有关系。机场道面水的来源广泛，降落在道面表面的水，如果不能及时通过道面横坡或纵坡排走，会经由道面的纵、横向接缝、裂缝或面层空隙渗透到道面结构内部，即道面渗透；在道面排水沟较浅的地方，道面纵断面的坡度较平缓或零坡部位，水从高水位处向道面结构层中的路测渗流可能成为水的重要来源；此外，地下水位的上升可能显著增加进入道面结构层中的水[11-14]。当道面结构内存在自由水时，每一次重复轴载导致的结构损坏比道面处于相对干燥时要多 40 倍甚至更多[15]。水的存在是引起水泥混凝土道面结构破坏的主要原因，原因是处于板角和板边处的土基，易受表面降水的侵蚀，会使土基处于饱和状态[16]。土基中的细料土会随水的侵入而析出呈现出液态。在飞机荷载作用下，道面板对土基产生冲击作用，使得细粒土沿着板缝上升，即出现唧泥现象。随着唧泥现象的深入发展，进而在板角和板边出现脱空，引起道面板的断裂。引起冲刷和唧泥的主要原因可归结为：一是路基或基层材料中含有细料；二是频繁车辆荷载的作用；最关键的是道面板与基层及路基之间有自由水存在[17-20]。

此外，混凝土中多余的水分蒸发后，会形成空隙，而寒区机场所特有的冻融循环效应[21]，极易使水泥混凝土道面板在温度应力、湿度应力作用以及机轮重复荷载作用下产生使得空隙贯通，从而产生毛细细微裂纹，而这些细微裂纹成为外界水汽进入结构内部的通道，且极易产生虹吸作用[22]。

故机场道面防水关键是解决混凝土的孔隙率和透湿性问题。混凝土结构内的毛细管与混凝土的孔隙率和渗透性直接相关。混凝土的高渗透性允许空气和湿气的渗透，特别在道面设置钢筋的情况下，会导致钢的腐蚀，从而导致铁锈后内部钢筋体积的扩大，最终导致混凝土表层的开裂和剥落，从而结构恶化。故混凝土的低渗透性是保护材料免受硫酸盐、酸、碳化、霜冻、碱集料反应、风化和其他混凝土病害影响的最重要因素。它是混凝土的一个特性，可以延长暴露在恶劣环境条件下的结构寿命[23]。

因此，深入了解水对道面结构的损坏形式，提出相应的水损坏防治措施，对于提高道面使用性能、延长道面使用寿命具有重要的意义。南方，特别是沿海机场，由于其特殊的地理位置以及亚热带海洋性气候，海陆热力性质差异显著。受季风和海陆风的共同影响，产生大风的天气形势主要为台风和强冷空气或者冷台结合型。机场道面破损主要诱因是耐久性破坏。潮湿多雨，海风、雨水等对道面的侵蚀使得道面出现不同程度的剥落现象。雨水中的酸性成分使混凝土中碱浓度降低。而碱性环境下才有利于混凝土水化物的存在，否则将造成水泥石结构的耐久性破坏。本文为探究高温条件下，道面遭遇冷雨情况下的表面性能变化过程，开展室内模拟试验。以常用的道面表面处理材料以及普通水泥混凝土试块为对照，研究渗透结晶防水剂对机场道面的防护效果[24]。

1 试验

1.1 试验材料

根据 MH 5006—2015《民用机场水泥混凝土面层施工技术规范》和 MH/T 5004—2010《民用机场水泥混凝土道面设计规范》相关规定，选取如下试验原料：

（1）模拟机场道面板的立方体混凝土试块材料：水泥：唐山奥顺水泥厂 P·O52.5。

集料：5～20mm 和 20～40mm 连续级配碎石；0.63mm 的方孔筛下累计筛余量 68% 的天然河砂，其细度模数为 2.75。

水：自来水。

（2）表面处理覆层材料：已投入机场道面使用的超薄层快速修补材料，其硬化时间为 90 min，硬化强度为 35MPa。经过其表面处理后，道面表面性能提升至少 10%，具有较好的防水性能。

（3）深层渗透性封孔防水剂：无机水性渗透结晶防水剂。

1.2 试验仪器及方法

参照 JTG 3420—2020《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》用 YH-40B 型标准恒温恒湿养护箱对标准立方体混凝土试块（150mm×150mm×150mm）养护28d。

使用 DGG-101-2S 型电热鼓风干燥箱的加热功能模拟飞机尾流对道面快速升温作用。

使用 HC-U8 系列多功能混凝土超声波检测仪无损测试与观察试件表面形貌情况。

1.3 试验方案

为形成对照，将制备好的普通水泥混凝土试件表面用钢刷对其表面进行清洁处理以除去表层浮土和松动粒料（图 1），然后分为 3 组，a 组为普通水泥混凝土对照组，b 组进行表面防水处理（图 2），c 为普通表面处理覆层材料，有一定的防水功能，对试件表面进行同等厚度的表层处理（图 3）。将 3 组试块置于 75℃恒温箱（型号：DGG-101-2S 电热数显恒温鼓风干燥箱）烘烤 5h（图 4），以模拟日间道面处于较高环境温度状态下工作；取出立即使用近 0℃的水浇洒，使其表面温度骤降（图 5），以此来模拟道面遇冷雨状况的影响。待其温度降至室温，测试试件相关性能，即完成一组温度骤降试验，再次将 . 组试件置于恒温箱进行 75℃ 烘烤，为下一次试验做准备。

图1 除去表层浮土和松动粒料

图 2 试件喷涂

图3 制备完成的试样

图 4 置于恒温箱进行加热

图5 温度骤降模拟试验

2 试验结果与讨论

通过室内试验，利用多功能混凝土超声波检测仪无损测试试件表面结构层变化情况。利用 Matlab 编写程序，实现图像二值化转换。

由图 6 可以观察到，温度骤降试验循环 6 次之后，普通水泥混凝土试块表面已经出现贯穿裂缝以及表层剥落的状况，且在较宽较深的裂缝周围出现一系列微小裂缝；c 表面处理覆层材料表观具有较大原始坑洞，温度骤降作用下，其表面热胀冷缩导致使其坑洞之间出现细微裂缝；而 b 组进行表面防水处理之后的试块，未出现裂缝或者坑洞，表面基本完好，不影响使用。

由图 7 可以观察到，温度骤降试验循环 7 次之后，普通水泥混凝土试块表面已经呈现龟裂状，表层剥落严重，且裂缝宽度约为 1.0mm；较 6 次循环而言，表面状态恶化严重，有 FOD 风险存在，这是因为试件表面热胀冷缩所造成的裂缝、集料脱落等缺陷为水进出混凝土提供了通道，加速其劣化程度，这些与水有关的问题会导致进一步的混凝土损坏，例如剥落、收缩、起皮等。c 表面处理覆层材料表观原始坑洞之间出现细微裂缝贯穿、裂缝相互连接。而对于 b 组进行表面防水处理之后的试块而言，未出现裂缝或者坑洞，部分麻面产生，表面基本完好，不影响使用。

图7 温度骤降试验循环 7 次

由图 6 和图 7 可知，采用表面防水技术能有效抑制道面裂缝的发展速度、增强道面细观结构的完整性，对于提高场道使用寿命、减少 FOD 的形成具有积极作用。这是因为混凝土的劣化过程很大程度上取决于水和湿气通过孔隙和毛细管网络的渗透。影响混凝土性能的因素包括渗透性和其他传输特性。

渗透结晶防水剂是水基渗透结晶型防水材料，其优点是结构层中有水时还可以继续反应，直到“吸干”水分为止。防水机理是与混凝土中的游离碱产生化学反应，生成稳定的枝蔓状晶体胶质，能有效地堵塞混凝土内部微细裂缝和毛细孔，使混凝土结构具有持久的防水功能和更好的密实度及抗压强度，并为混凝土提供良好的透气性。该材料可渗透至混凝土内部，渗透深度达20～30mm，同时还能有效地阻止酸性物质、油渍和机油对混凝土的侵蚀。