聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料在混凝土場(chǎng)道的應(yīng)用★

嵇 譽(yù) 趙方冉

(中國(guó)民航大學(xué)機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)大部分民用機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)跑道在運(yùn)行一段時(shí)間都會(huì)出現(xiàn)不同程度的破損,包括板塊斷裂，板邊、板角的破碎，跑道表面剝落、龜裂等問(wèn)題，特別是那些交通承載繁重的機(jī)場(chǎng)表現(xiàn)尤為明顯。機(jī)場(chǎng)跑道出現(xiàn)以上病害后，若不及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)處理，隨著飛機(jī)荷載的反復(fù)作用，繼而引發(fā)道面出現(xiàn)其他多類破壞，連鎖破壞將愈演愈烈。因此，混凝土道面的使用壽命必須靠持續(xù)的、在局部破壞尚未發(fā)展成結(jié)構(gòu)性和整體性破壞時(shí)即已開(kāi)始的改善修補(bǔ)工作才能得以保證。

針對(duì)于機(jī)場(chǎng)的特殊運(yùn)營(yíng)環(huán)境，跑道道面需要進(jìn)行不停航修補(bǔ)施工[1]。大部分國(guó)內(nèi)航空白天6:00～0:00為航班運(yùn)行時(shí)間，因此夜間施工時(shí)間為0:00～6:00。機(jī)場(chǎng)不停航施工安全要求高，作業(yè)時(shí)間短且大多數(shù)需要在夜間進(jìn)行施工，各部門之間的協(xié)調(diào)工作量大。針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道快速修補(bǔ)，主要集中在新型建筑材料研發(fā)和施工工藝改進(jìn)這兩方面著手來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在快速修補(bǔ)材料研究上取得了較大的進(jìn)展，快速修補(bǔ)材料主要分為無(wú)機(jī)類快速修補(bǔ)料、有機(jī)類快速修補(bǔ)料、聚合物改性水泥基材快速修補(bǔ)料三大類[2-5]。Yang等[6]和孫佳龍等[7]認(rèn)為無(wú)機(jī)類快速修補(bǔ)料用作道路修補(bǔ)材料具有早強(qiáng)、快硬、粘結(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)，但該類修補(bǔ)材料需加入適量改性材料才可滿足路用性能要求，楊正宏等[8]和Luo等[9]研究表明有機(jī)類快速修補(bǔ)料干縮小、與舊路面粘結(jié)力強(qiáng)、修補(bǔ)方法簡(jiǎn)單，但該類砂漿存在疲勞破壞與老化現(xiàn)象。修補(bǔ)材料的研究表明聚合物改性水泥基修補(bǔ)材料相對(duì)于其他快速修補(bǔ)材料具有更高的粘結(jié)強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、抗沖擊韌性、耐磨性,且成本可控施工方便[10-13]。以上修補(bǔ)材料主要針對(duì)于道路混凝土病害修補(bǔ)，鮮有涉及機(jī)場(chǎng)跑道道面病害的修補(bǔ)，尤其缺少在繁忙機(jī)場(chǎng)不停航施工要求下機(jī)場(chǎng)道面。聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料在國(guó)內(nèi)起步比較晚,對(duì)其材料性能及應(yīng)用研究尚處于不成熟階段。針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道快速修補(bǔ)，通過(guò)室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料材料(XB型)性能及施工技術(shù)進(jìn)行分析研究，從而對(duì)以后的機(jī)場(chǎng)跑道道面快速修補(bǔ)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料主要技術(shù)特性及試驗(yàn)研究

1.1 聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料材料組成

聚合物快速結(jié)構(gòu)修補(bǔ)料(XB型)，是以水泥為基礎(chǔ)結(jié)合劑，高強(qiáng)度材料(金剛砂)作為主骨料，輔以高分子膠粉、高效減水劑、早強(qiáng)劑、膨脹劑、防離析等物質(zhì)配制而成的超早強(qiáng)型混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)材料。該修補(bǔ)料具有自流性好，快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)、無(wú)收縮、微膨脹;無(wú)毒、無(wú)害、不老化、對(duì)水質(zhì)及周圍環(huán)境無(wú)污染，自密性好、阻銹等特點(diǎn)。聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料材料技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料材料技術(shù)參數(shù)

1.2 修補(bǔ)料抗壓和抗折性能試驗(yàn)

彎拉強(qiáng)度(即抗折強(qiáng)度)作為機(jī)場(chǎng)跑道水泥混凝土面的設(shè)計(jì)強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo),飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ?yàn)锳，B的機(jī)場(chǎng)，其水泥混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度不應(yīng)低于4.5 MPa，飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ?yàn)镃，D，E，F(xiàn)的機(jī)場(chǎng)，其水泥混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度不應(yīng)低于5.0 MPa?；跈C(jī)場(chǎng)跑道強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

對(duì)聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料在試驗(yàn)室(室內(nèi)平均溫度20 ℃～25 ℃)測(cè)定立方體抗壓強(qiáng)度、棱柱體的抗折強(qiáng)度的力學(xué)性能。抗壓強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×50 mm立方體，抗折強(qiáng)度試件尺寸為150 mm×150 mm×600 mm棱柱體，每組試件各20個(gè)，共計(jì)3組。凝結(jié)時(shí)間見(jiàn)表2，強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度數(shù)據(jù)擬合關(guān)系如圖1所示，抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度平均值隨時(shí)間變化如圖2所示。

表2 聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料凝結(jié)時(shí)間 min

表3 聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料力學(xué)性能試驗(yàn) MPa

由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料固化后有非常強(qiáng)的抗壓和抗折能力，2 h的抗壓強(qiáng)度可達(dá)30 MPa，抗折強(qiáng)度達(dá)到4.5 MPa，即可滿足跑道開(kāi)放要求。根據(jù)圖1，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度基本成線性關(guān)系，采用最小二乘法構(gòu)造兩者曲線關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.996 8，擬合得到抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度的換算公式，如式(1)所示：

ff=1.55+fc×0.098 6

(1)

其中,ff為抗折強(qiáng)度；fc為抗壓強(qiáng)度。

以上擬合關(guān)系可用來(lái)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行抗折強(qiáng)度數(shù)值估算。由圖2可看出，該聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料在1 h～4 h內(nèi)強(qiáng)度上升速率最快，展現(xiàn)了該修補(bǔ)料早強(qiáng)的性能。后期強(qiáng)度不斷上升，峰值抗壓強(qiáng)度可達(dá)70 MPa以上，抗折強(qiáng)度可達(dá)9 MPa，對(duì)病害部位有很好的補(bǔ)強(qiáng)和支撐作用。

如表2所示，聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料初凝時(shí)間為35 min左右，終凝時(shí)間為45 min左右?？梢?jiàn)聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料初凝時(shí)間和終凝時(shí)間非常接近，有時(shí)甚至難以區(qū)分，這也是其早期強(qiáng)度發(fā)展特別快的原因之一。因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)在滿足施工條件的情況下，盡量縮短凝結(jié)時(shí)間，以最大限度的發(fā)揮材料的早強(qiáng)特性。

2 施工技術(shù)

2.1 機(jī)場(chǎng)混凝土跑道道面快速修補(bǔ)準(zhǔn)備工作

材料準(zhǔn)備：在機(jī)場(chǎng)跑道修復(fù)前，對(duì)施工段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)并在圖紙上標(biāo)注病害類型及修補(bǔ)范圍，準(zhǔn)確記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄結(jié)果進(jìn)行修補(bǔ)材料用量的準(zhǔn)確計(jì)算，提前做好材料的采購(gòu)及儲(chǔ)存工作。

施工工具準(zhǔn)備：1)混凝土切割機(jī)：為保證道面修補(bǔ)后美觀，沿機(jī)場(chǎng)跑道破損部位切割；2)電鎬：用于破碎混凝土的剔除及混凝土表面鑿毛；3)手推車：用于拆除混凝土、修補(bǔ)料、工具的運(yùn)輸；4)鐵鍬：用于破損混凝土、垃圾的清理及鏟料；5)高壓水槍清洗機(jī)或空壓機(jī)：用于清理剔鑿后混凝土基層粉塵及混凝土碎渣；6)攪拌桶及電動(dòng)攪拌器:用于修補(bǔ)料攪拌；7)臺(tái)秤：用于稱料及拌合用水質(zhì)量；8)水桶：用于盛水稱重；9)鐵板抹子：用于抹平壓實(shí)修補(bǔ)料；10)溫度計(jì):測(cè)量溫度用；11)噴燈:用于吹干混凝土基層水氣及預(yù)熱混凝土基層。

我國(guó)的部分北方機(jī)場(chǎng)及高海拔低溫機(jī)場(chǎng)常年夜間溫度為零下，在冬季施工時(shí)，溫度更低。機(jī)場(chǎng)跑道的修補(bǔ)容不得馬虎和拖延，所以不會(huì)因?yàn)榧竟?jié)的影響而停止修補(bǔ)施工。故考慮機(jī)場(chǎng)跑道冬季快速修補(bǔ)施工及高海拔低溫機(jī)場(chǎng)的施工溫度影響，結(jié)合材料的特性及快速修補(bǔ)施工工藝研制了一款移動(dòng)式攪拌烘烤一體機(jī)(見(jiàn)圖3)。該設(shè)備小巧輕便，制作簡(jiǎn)單，用1 mm鐵皮制作，可以用來(lái)烘干混凝土基層，同時(shí)提高上部攪拌修補(bǔ)料溫度，提高修補(bǔ)料入模溫度，溫度應(yīng)控制在5 ℃以上，可以加速修補(bǔ)料的固化，防止低溫施工時(shí)修補(bǔ)材料在進(jìn)行水化熱反應(yīng)前就已經(jīng)凍粉，使材料的各項(xiàng)指標(biāo)降低，嚴(yán)重影響修補(bǔ)工程質(zhì)量。

2.2 道面快速修補(bǔ)施工

2.2.1 混凝土破損道面的處理

對(duì)于機(jī)場(chǎng)混凝土跑道因表面起皮、剝落、龜裂等問(wèn)題引起的道面病害，這種病害修補(bǔ)屬于淺層快速修補(bǔ)，病害部位需進(jìn)行表面鑿毛處理，剔鑿至混凝土面露出堅(jiān)硬石子，以增強(qiáng)新舊材料的結(jié)合強(qiáng)度。因道面混凝土板斷裂，板邊、板角破碎與斷裂，這種深層快速修補(bǔ)為保證修補(bǔ)后道面美觀，首先用混凝土切割機(jī)沿著提前彈好的墨線進(jìn)行直線切割，使得混凝土道面待修復(fù)區(qū)與完整區(qū)分開(kāi)，之后再用電鎬和必要的混凝土破碎設(shè)備鑿除舊混凝土，直至露出基層材料。對(duì)舊混凝土面剔鑿清除后，用高壓空氣泵或者高壓水將其上的松動(dòng)石子及灰塵清理干凈。

2.2.2 聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料攪拌

機(jī)場(chǎng)跑道病害除整板更換，一般情況下機(jī)場(chǎng)跑道修補(bǔ)都是零星修補(bǔ)工程，每個(gè)修補(bǔ)部位修補(bǔ)料用量都不是很大。所以在聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)施工過(guò)程中，根據(jù)修補(bǔ)施工所需材料多少選擇修補(bǔ)料攪拌工具，如修補(bǔ)料一次用量較大，可選用大型攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌,如用量較小，且道面修復(fù)點(diǎn)較分散，可選用小型電動(dòng)攪拌機(jī)進(jìn)行人工攪拌。因修補(bǔ)料的凝結(jié)時(shí)間較多，每次用料爭(zhēng)取少拌合，多次拌合。人工攪拌時(shí)，葉片應(yīng)沿著桶周邊上下左右緩慢移動(dòng)，以使桶底和桶壁粘附的快速修補(bǔ)料能夠充分拌合，攪拌葉片不得提至料液面之上，以免空氣帶入。每次修補(bǔ)料攪拌，應(yīng)嚴(yán)格按照材料說(shuō)明書(shū)要求控制加水量，加水量嚴(yán)禁控制在16%～18%，加水量應(yīng)用臺(tái)秤進(jìn)行稱重，攪拌時(shí)間應(yīng)控制在2 min～3 min，待修補(bǔ)料充分?jǐn)嚢韬?，靜置5 min左右，待修補(bǔ)料中氣泡排出后方可進(jìn)行澆筑。修補(bǔ)料每次攪拌量應(yīng)在25 min內(nèi)施工完成，以防止修補(bǔ)料在攪拌器內(nèi)凝固。

2.2.3 聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料澆筑

聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料澆筑前，應(yīng)確?；炷两佑|面干燥清潔，并在混凝土面與澆筑修補(bǔ)料粘結(jié)面涂抹界面劑，增強(qiáng)新舊材料的結(jié)合強(qiáng)度。修補(bǔ)料澆筑時(shí)，盡可能從一側(cè)注入，防止空氣氣泡夾在澆筑修補(bǔ)料內(nèi)以及澆筑材料與混凝土面接觸面存在空氣氣泡，必要時(shí)可采用竹片等工具進(jìn)行導(dǎo)流。澆筑開(kāi)始后必須連續(xù)進(jìn)行，不得中斷。澆筑完畢后，在修補(bǔ)料初凝前用鐵板抹子壓實(shí)并找平。施工完畢，采用覆蓋薄膜進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù)，在冬季或者寒冷天氣，當(dāng)環(huán)境溫度低于-10 ℃時(shí)，可覆蓋電熱毯進(jìn)行加熱輔助養(yǎng)護(hù)，使修補(bǔ)面層溫度控制在15 ℃～20 ℃，通常情況下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間需要控制在2 h以上，當(dāng)修補(bǔ)料強(qiáng)度達(dá)到30 MPa時(shí)，方可撤去電熱毯等養(yǎng)護(hù)設(shè)施。

2.2.4 表面處理及切縫要求

聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料表面處理同混凝土道面，由于快速修補(bǔ)料凝結(jié)時(shí)間相對(duì)于普通混凝土短很多，因此，在表面處理過(guò)程中要抓緊時(shí)間。在修補(bǔ)料初凝前進(jìn)行跑道表面平整及拉毛工作，終凝后可進(jìn)行道面刻槽等施工。修補(bǔ)后的新道面切縫位置應(yīng)與原混凝土道面貫通，不得出現(xiàn)錯(cuò)槎。

3 聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)混凝土道面快速修補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

道面修補(bǔ)施工完畢后，利用回彈儀進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)得2 h強(qiáng)度值為30.4 MPa，4 h強(qiáng)度值為35.2 MPa。從抗壓強(qiáng)度上來(lái)看，2 h已經(jīng)滿足道路開(kāi)放要求。經(jīng)一段時(shí)間的使用，飛機(jī)的起降沖擊碾壓，修補(bǔ)后的道面未出現(xiàn)開(kāi)裂、空鼓、破碎、掉塊等問(wèn)題。可見(jiàn)，修補(bǔ)后的跑道強(qiáng)度，韌性與抗沖擊性高，粘結(jié)牢固，整體穩(wěn)定可靠。

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究得出如下結(jié)論：

1)聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料具有早強(qiáng)、高強(qiáng)的特性，其早期抗壓強(qiáng)度，抗折強(qiáng)度均滿足機(jī)場(chǎng)道面使用要求，基本能達(dá)到施工后2 h～3 h通車。2)施工時(shí)無(wú)需復(fù)雜的施工機(jī)械和技術(shù)要求，施工工藝簡(jiǎn)單快捷，能夠滿足機(jī)場(chǎng)不停航施工要求。3)采用聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料修補(bǔ)機(jī)場(chǎng)跑道道面，不但節(jié)約了大量的人力、物力，還節(jié)約了50%～60%的成本；更好的解決了因傳統(tǒng)施工造成的長(zhǎng)期封閉跑道的問(wèn)題，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。4)聚合物結(jié)構(gòu)快速修補(bǔ)料穩(wěn)定的材料性能及成熟簡(jiǎn)捷的施工技術(shù)，在經(jīng)濟(jì)上切實(shí)可行，可操作性強(qiáng)，在民航機(jī)場(chǎng)道面快速修補(bǔ)領(lǐng)域具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。