飛機(jī)除冰液對機(jī)場停機(jī)坪混凝土凍融破壞試驗與研究

王勇 劉國金 鄧可庫

摘 要：近年來，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平的提升，人們出行時選擇飛機(jī)作為交通工具的現(xiàn)象已較為普遍。飛機(jī)作為空中交通工具，其飛機(jī)安全性至關(guān)重要，也受到全社會的普遍關(guān)注。在寒冷地區(qū)，飛機(jī)容易出現(xiàn)結(jié)冰的情況，一旦飛機(jī)結(jié)冰則會給飛行安全帶來較大的影響，所以在飛機(jī)結(jié)冰狀態(tài)下是嚴(yán)禁進(jìn)行飛行的。目前為了確保冬季飛機(jī)的安全，往往會使用除冰液來做避免飛機(jī)出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象。除冰液的主要成分為乙二醇，其使用后是對飛機(jī)結(jié)冰現(xiàn)象得到了有效的緩解，但對于停機(jī)坪上的混凝土也帶來了較大的破壞，使用飛機(jī)除冰液后，混凝土出現(xiàn)了不同程度的脫皮和砂石剝落的情況，這不僅對飛機(jī)起飛和降落時的舒適性帶來較大的影響，而且還危及到飛行的安全性。文中針對3.5%-25%濃度飛機(jī)除冰液作用下的混凝土的抗凍性能進(jìn)行了分析，從試驗中可以發(fā)現(xiàn)隨著飛機(jī)除冰液濃度的不斷升高，混凝土凍融破壞程度則隨之減弱，但飛機(jī)除冰液不會被化學(xué)侵蝕。

關(guān)鍵詞：機(jī)場停機(jī)坪混凝土；飛機(jī)除冰液；耐久性；凍融；濃度；剝落；腐蝕

前言

混凝土的耐久性破壞是一個非常復(fù)雜的問題，在飛機(jī)除冰液環(huán)境下的耐久性問題也是如此，涉及的因素很多，各個因素之間相互影響，相互作用，存在著復(fù)合作用和疊加的效應(yīng)，至今為止，科研部門和學(xué)者專家在該領(lǐng)域的研究非常有限，在飛機(jī)除冰液環(huán)境下混凝土的耐久性問題涉及面很多，有凍融循環(huán)，腐蝕作用，外部荷載的應(yīng)力效應(yīng)等等，鑒于現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)，分別選取了凍融循環(huán)作用和常溫腐蝕作用作為耐久性破壞的破壞因素，研究混凝土在飛機(jī)除冰液作用下的損傷規(guī)律和破壞機(jī)理，探討影響混凝土耐久性破壞的主要因素。

1 機(jī)場停機(jī)坪混凝土耐久性的現(xiàn)狀

據(jù)調(diào)查“三北”地區(qū)民航機(jī)場水泥混凝土停機(jī)坪破壞最為嚴(yán)重（水泥混凝土開裂，縫隙間有黑色及白色粉狀析出物、表面脫皮、砂石剝落、并有黃色水斑跡、個別地方出現(xiàn)孔洞）。大部分是出現(xiàn)在噴灑飛機(jī)除冰液區(qū)域的低洼積水地區(qū)，這些破壞現(xiàn)象與飛機(jī)除冰液有直接的關(guān)系（見圖1、圖2）。據(jù)估算，一架大型商用飛機(jī)每次除冰需要1.8-3.6噸除冰液，一座中型國際機(jī)場每年需要使用1000-10000噸飛機(jī)除冰液，每年平均需要除冰次數(shù)2037次。

圖1用飛機(jī)除冰液給飛機(jī)除冰

圖2飛機(jī)除冰液對停機(jī)坪的凍融破壞

當(dāng)飽和的混凝土處于寒冷的地區(qū)，隨著溫度的降低，混凝土毛細(xì)孔內(nèi)的水會結(jié)冰，按照水轉(zhuǎn)變成為冰的體積膨脹9%，這個增加的體積產(chǎn)生一個水壓力，隨著溫度的升高冰融化成水，氣溫的不斷交替，多次的凍融循環(huán)使得破壞作用累加，就同疲勞破壞，外觀表現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)微裂縫，并且不斷擴(kuò)大，形成大的相互貫通的裂縫，使得強(qiáng)度逐漸降低直到完全喪失，當(dāng)累積到一定程度混凝土結(jié)構(gòu)最終破壞。停機(jī)坪飛機(jī)除冰時含有除冰液的混合物流到機(jī)坪道面導(dǎo)致混凝土表面冰體融化，隨著除冰液主要成分乙二醇的揮發(fā)后使混凝土再次冰凍。增加了混凝土自然凍融次數(shù)。

機(jī)場停機(jī)坪混凝土凍融破壞與凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)，“三北”地區(qū)部分城市自然凍融循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計表。（見表1）

表1 我國部分城市自然凍融循環(huán)次數(shù)統(tǒng)計表

如果根據(jù)自然凍融次數(shù)來確定混凝土抗凍指標(biāo)，需要建立室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)抗凍試驗次數(shù)與室外自然凍融次數(shù)的關(guān)系。（室內(nèi)混凝土凍融溫度：混凝土試件的中心最低與最高溫度分別是-17℃±2℃和8℃±2℃）中國水利水電科學(xué)研究院在北京十三陵水庫建立了混凝土抗凍耐久性現(xiàn)場基地，并與室內(nèi)試驗進(jìn)行對照。結(jié)果表明一次室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)凍融試驗相當(dāng)于自然凍融10-15次的損傷效果，如按這一標(biāo)準(zhǔn)可以確定混凝土的抗凍指標(biāo)。

F-按安全運(yùn)行年限要求的抗凍性設(shè)計等極。Y-規(guī)定的安全運(yùn)行年限。（一般為20-30年）。M-混凝土所處環(huán)境的安全的年凍融循環(huán)次數(shù)。（次/年）。B-混凝土室內(nèi)外凍融損傷比例系數(shù)。（一般為1：10-15）。K-考慮到混凝土運(yùn)行條件的安全系數(shù)。（一般按≥1考慮）

座中型國際機(jī)場每年平均需要除冰次數(shù)2037次，加上自然凍融循環(huán)次數(shù)（如北京84次），室內(nèi)外凍融損傷比例系數(shù)按1：15。

F=（2037+84）/15=141（次）一年相當(dāng)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)抗凍試驗141次，兩年等于281次。北京地區(qū)設(shè)計混凝土抗凍融F=300次，所以機(jī)場水泥混凝土停機(jī)坪用飛機(jī)除冰液2至3年就產(chǎn)生凍融破壞現(xiàn)象。

2 混凝土試件的制備

2.1 混凝土所用原材料

（1）水泥：42.5級普通硅酸鹽低堿水泥；（2）砂：河砂，細(xì)度模數(shù)為2.81；（3）石：5mm～20mm連續(xù)級配石灰?guī)r碎石；（4）外加劑：AJF-6 減水劑；（5）水：普通自來水。（6）飛機(jī)除冰液（Aircraft deicer）乙二醇的主要性能指標(biāo)和飛機(jī)除冰液不同濃度配合比（見表二、表三）

表2 乙二醇的主要性能指標(biāo)

表3 飛機(jī)除冰液不同濃度配合比

2.2 混凝土配合比

選一個C30強(qiáng)度等級的普通混凝土（簡稱OPC）。配合比參數(shù)（見表4）。

表4混凝土的配合比參數(shù)

2.3 試樣制作

（1）制樣：抗凍試驗采用100mm×100mm×400mm的混凝土鋼制試模成型，3個試件為一組。（2）試樣養(yǎng)護(hù)：按國家標(biāo)準(zhǔn)（即養(yǎng)護(hù)溫度為（20±2℃，相對濕度大于90%的條件）養(yǎng)護(hù)28天。

3 混凝土抗凍試驗

混凝土的凍融循環(huán)試驗應(yīng)符合GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》試件養(yǎng)護(hù)28d齡期時進(jìn)行試驗。試驗前測試動彈性模量和重量，每次凍融循環(huán)應(yīng)在2-4h內(nèi)完成，一般每隔25次循環(huán)做一次動彈性模量的測試。遇到下列三種情況之一即可停止試驗：（1）已達(dá)到300次凍融循環(huán)；（2）相對彈性模量下降到60%以下；（3）質(zhì)量損失率達(dá)5%。

3.1 POC在水中快速凍融試驗的相對動彈性模量和質(zhì)量損失結(jié)果表明。在凍融作用下，POC出現(xiàn)快速明顯的劣化過程?；炷恋南鄬訌椥阅Ａ肯陆岛芸欤瑑H需要152次凍融循環(huán)即下降到破壞標(biāo)準(zhǔn)60%，完成425次凍融循環(huán)后，相對動彈性模量更是下降到14.52%（見圖3），表明在水的凍融循環(huán)作用下混凝土的內(nèi)部損傷巨大，從POC在凍融過程中質(zhì)量損失的指標(biāo)來看，完成300次凍融循環(huán)，質(zhì)量損失僅為1.92%，沒有達(dá)到質(zhì)量損失5%的標(biāo)準(zhǔn)，300次凍融循環(huán)之后，混凝土質(zhì)量損失訊速增大，至351次達(dá)到5%，在425凍融循環(huán)后質(zhì)量損失高達(dá)11.27%。POC凍融破壞的特征是表面出現(xiàn)微裂縫，有少量的起皮、剝落，混凝土表面出現(xiàn)一條大的橫向裂縫，橫向裂縫把試件分為兩截（見圖4）。

圖3 OPC在水中凍融過程中的相對動彈性模量和質(zhì)量損失

3.2 POC在3.5%飛機(jī)除冰液快速凍融試驗的相對動彈性模量和質(zhì)量損失。結(jié)果表明。POC劣化失效很快，213次凍融循環(huán)之后，相對動彈性模量降到了55.82%，質(zhì)量損失了14.46%，試件凍融破壞情況（見圖5）。

POC相對動彈性模量在水中下降的最快，在3.5%飛機(jī)除冰液中其次。從質(zhì)量損失上看，在3.5%飛機(jī)除冰液中損失大于在水中損失，達(dá)到快凍法質(zhì)量損失5%的破壞標(biāo)準(zhǔn)，3.5%飛機(jī)除冰液需要97次，而水中則要多達(dá)351次，POC在3.5%飛機(jī)除冰液凍融破壞的特征是從表面開始，出現(xiàn)層剝現(xiàn)象，最后是大量石子裸露，剝離深度超過了5mm，但末出現(xiàn)試件凍斷的現(xiàn)象。

3.3 POC在不同濃度飛機(jī)除冰液中的相對動彈性模量和質(zhì)量損失（見圖6）。結(jié)果表明：3.5%-25%飛機(jī)除冰液，都會對POC產(chǎn)生凍融損傷，相對動彈性模量降低，質(zhì)量損失增加。POC在水中相對動彈性模量降低的最快，其次是3.5%和12.5%飛機(jī)除冰液，在25%飛機(jī)除冰液中降低的最慢，隨著飛機(jī)除冰液濃度提高延緩作用明顯。這主要是因為飛機(jī)除冰液可以有效降低冰點(diǎn)，冰點(diǎn)降低可以有效抑制混凝土內(nèi)部孔隙水結(jié)冰生長，從而降低冰凍過程中在混凝土產(chǎn)生的拉應(yīng)力強(qiáng)度，抑制混凝土內(nèi)部損傷，飛機(jī)除冰液濃度越高，溶液冰點(diǎn)降低的越多，效果越明顯。飛機(jī)除冰液由原液依照當(dāng)天天氣情況按比例用水配兌，天氣越冷濃度越高。飛機(jī)除凍液濃度在50%時氣溫-25℃還沒有達(dá)到冰點(diǎn)。

圖6 OPC在不同濃度飛機(jī)除冰液中凍融過程中的

相對動彈性模量和質(zhì)量損失

在飛機(jī)除冰液濃度0-25%之間相對動彈性模量降至60%凍融循環(huán)次數(shù)和飛機(jī)除冰液濃度的關(guān)系（見圖7）、質(zhì)量損失達(dá)5%凍融循環(huán)次數(shù)與飛機(jī)除冰液濃度關(guān)系（見圖8）。

4 飛機(jī)除冰液化學(xué)侵蝕分析

化學(xué)侵蝕包括溶出性侵蝕、離子交換型侵蝕和膨脹型侵蝕。飛機(jī)除冰液是否對混凝土有侵蝕作用，取決于除冰液成分是否會與水泥混凝土中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[1]。重點(diǎn)研究乙二醇（C2H6O2）和水泥混凝土中最具有活性的氫氧化鈣（Ca（OH）2）之間的反應(yīng)可能性。

為了進(jìn)一步驗證水泥混凝土受除冰液化學(xué)侵蝕的可能性，在室內(nèi)進(jìn)行浸泡試驗。試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28d齡期后取出，在80℃下烘干16h，冷卻至室溫，把試件放入容器內(nèi)，加入飛機(jī)除冰液露出試件1/3高度處，露出試件的目的是在試件上有干濕變化的部位，為鹽的結(jié)晶創(chuàng)造條件。把容器放入22℃的環(huán)境內(nèi)，每4d充氧氣1次，浸泡28d。到期后取出試件，觀測每個試件的外觀變化（白色粉末的生成、侵蝕的孔洞等）。試驗結(jié)果除冰液pH值本身8.96增加到9.29。導(dǎo)致pH值增加的原因是水泥混凝土的部分氫氧化鈣溶解于除冰液的水中，使溶液堿性增強(qiáng)。這也說明經(jīng)過除冰液的浸泡后，除冰液仍然保持不容易引起水泥混凝土化學(xué)腐蝕的微堿性。

5 結(jié)束語

5.1 POC在水介質(zhì)中混凝土凍融破壞都是表層剝落和內(nèi)部開裂兩種破壞形式的復(fù)合，最典型的破壞特征是試件在凍融過程會出現(xiàn)凍斷的現(xiàn)象。

5.2 在3.5%飛機(jī)除冰液中，POC的凍融破壞包括內(nèi)部損傷和表層剝落，表層的大量剝落加劇了內(nèi)部的損傷。

5.3 飛機(jī)除冰液的濃度對混凝土的凍融破壞影響很明顯。POC在3.5%飛機(jī)除冰液的內(nèi)部損傷和表層剝落都很嚴(yán)重，在高濃度飛機(jī)除冰液中，凍融破壞主要表現(xiàn)為外層剝落。3.5%-25%飛機(jī)除冰液的凍融破壞順序是：3.5%飛機(jī)除冰液>12.5%飛機(jī)除冰液>25%飛機(jī)除冰液，3.5%飛機(jī)除冰液對POC的凍融破壞能力比水要強(qiáng)。

5.4 通過對飛機(jī)除冰液和混凝土成分的分析可知，兩者不會直接發(fā)生反應(yīng)。水泥混凝土試件在飛機(jī)除冰液浸泡28d后，從測定的飛機(jī)除冰液pH值試驗結(jié)果來看，混凝土試件并沒有被腐蝕，飛機(jī)除冰液中沒有新物質(zhì)的生成，因此，以為水泥混凝土不會被飛機(jī)除冰液化學(xué)侵蝕，剝落主要由凍融產(chǎn)生。

5.5 在混凝土中加入引氣劑[2]、合成纖維[3]和表面噴涂硅烷浸漬[4]能提高機(jī)場停機(jī)坪混凝土抗凍融破壞性能。

參考文獻(xiàn)

[1]趙鴻鐸.飛機(jī)除冰液對停機(jī)坪水泥混凝土的影響[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2004（2）1-5.

[2]鄧可庫.高原機(jī)場應(yīng)用引氣劑增強(qiáng)道面混凝土抗凍性研究[J].機(jī)場工程，2009（2）6-9.

[3]彭書成，鄧可庫，等.改性聚酯纖維在混凝土中阻裂增強(qiáng)抗凍試驗研究[J].工程抗震與加固，2007（1）47-51.

[4]鄧可庫，劉國金.硅烷浸漬在長白山機(jī)場站坪擴(kuò)建工程中試驗研究與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（23）31-32.

作者簡介：王勇（1984-），男，北京大興人，本科學(xué)歷、工程師，主要從事機(jī)場施工技術(shù)與管理。