工程材料攔阻系統(tǒng)核心泡沫混凝土劣化規(guī)律及外防水性能提升

曾志軍 ，徐文 ，2，穆松 ，石亮 ，謝德擎

(1.東南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210000；2.高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103

0 引 言

針對(duì)跑道末端安全區(qū)域長(zhǎng)度不足的機(jī)場(chǎng)，在機(jī)場(chǎng)末端安裝較短的工程材料攔阻系統(tǒng)(Engineered Material Arresting System，EMAS)可大幅提升飛機(jī)降落的安全指數(shù)。EMAS 作用原理是利用黏土、細(xì)砂、礫石或泡沫等易壓縮變形材料作為壓潰吸能材料，逐漸迫使意外沖出跑道的飛機(jī)降速并停止。經(jīng)過(guò)大量研究，最新一代EMAS 選用壓潰強(qiáng)度可調(diào)控、長(zhǎng)期穩(wěn)定的泡沫混凝土作為壓潰吸能材料。國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注完善飛機(jī)制動(dòng)過(guò)程理論[1]與有限元模型[2]，用于計(jì)算特定EMAS 對(duì)特定機(jī)型在各種參數(shù)條件下沖出跑道時(shí)的攔停距離；或開(kāi)展真機(jī)沖停試驗(yàn)[3]或機(jī)輪仿真試驗(yàn)[4]，均側(cè)重于研究獲取EMAS 核心泡沫混凝土的最佳應(yīng)力-潰縮過(guò)程，指導(dǎo)EMAS 的制備。截至2010 年1 月，美國(guó)在35 個(gè)機(jī)場(chǎng)安裝了51 套EMAS，截止2018 年4 月，至少攔停了 12 架沖出跑道的飛機(jī)[5]。2012 年，我國(guó)首次在云南騰沖機(jī)場(chǎng)鋪裝了EMAS[6]。

隨著“一帶一路”建設(shè)及海洋開(kāi)發(fā)的逐步推進(jìn)，EMAS 攔阻系統(tǒng)應(yīng)用于濱海(島嶼)機(jī)場(chǎng)需求迫切，因所處位置頻受強(qiáng)降雨、甚至臺(tái)風(fēng)引起海浪作用，迫使EMAS 的核心泡沫混凝土將承受雨水(海水)長(zhǎng)期浸泡或周期性干濕作用。但EMAS極少應(yīng)用在該環(huán)境中，核心泡沫混凝土的耐海水侵蝕劣化性能很少受到關(guān)注。本文系統(tǒng)研究EMAS 單元體中泡沫混凝土在清水、模擬海水與干濕循環(huán)制度中吸水率、形變與壓潰強(qiáng)度的變化規(guī)律，獲取壓潰強(qiáng)度衰減規(guī)律，并提出結(jié)合實(shí)際工況的服役壽命計(jì)算方法。此外，通過(guò)涂刷有機(jī)硅外防水材料，研究并評(píng)價(jià)在該環(huán)境中的提升效果。

1 試 驗(yàn)

1.1 EMAS 核心泡沫混凝土

1.1.1 原材料

膠凝材料：P·Ⅱ52.5R 硅酸鹽水泥，28 d 抗壓強(qiáng)度為60.1 MPa，比表面積為 385 m2/kg；調(diào)凝劑：R·SAC42.5 硫鋁酸鹽水泥，28 d 抗壓強(qiáng)度為50.2 MPa，比表面積為352 m2/kg，初凝、終凝時(shí)間分別為35、66 min；無(wú)機(jī)摻合料：白云石粉，325 目標(biāo)準(zhǔn)篩通過(guò)率為99.5%；水：自來(lái)水；發(fā)泡劑：雙氧水，濃度為35%；穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣，純度為99.3%，密度為1080 kg/m3，比表面積為615 m2/kg；減水劑：聚羧酸醚類聚合物，固含量為20%，減水率為27%。

1.1.2 試驗(yàn)配合比

核心泡沫混凝土取自LANZU-1 型EMAS 單元體。其配合比為m(膠凝材料)∶m(無(wú)機(jī)摻合料)∶m(水)∶m(發(fā)泡劑)∶m(調(diào)凝劑)∶m(穩(wěn)泡劑)∶m(減水劑)=100∶80∶82.8∶9.5∶9.0∶12.6∶0.59。將單元體切割成不同尺寸的小試塊，如邊長(zhǎng)為100 mm立方體試塊等，以便于系統(tǒng)研究各項(xiàng)性能的劣化規(guī)律。

1.2 外防水材料

EMAS 核心泡沫混凝土是一種多孔材料、壓潰強(qiáng)度較低，因此采用有機(jī)硅涂料，保證混凝土表面較強(qiáng)粘結(jié)力及良好的彈性。其主要參數(shù)為：黏度16 s，表面硫化時(shí)間11 min，固含量33.0%，遮蓋力336 g/m2，實(shí)干時(shí)間20 h。試驗(yàn)中外防水材料用量為(380±20)g/m2。

1.3 試驗(yàn)制度

本文關(guān)注工程中EMAS 所鋪設(shè)位置瀕臨海邊，相對(duì)標(biāo)高較低，經(jīng)常受強(qiáng)降雨或臺(tái)風(fēng)海浪作用，雨水或海水通過(guò)排水管道倒灌入EMAS 內(nèi)。根據(jù)作用時(shí)長(zhǎng)，可以將其核心泡沫混凝土的侵蝕機(jī)制近似為雨水(海水)全浸泡、干濕循環(huán)。結(jié)合周邊海水溫度約30 ℃，海水主要組成約為3.5%NaCl 與0.5%Na2SO4，并考慮濃度加速，共設(shè)計(jì)了3 種侵蝕制度，如表1 所示。

表1 EMAS 核心泡沫混凝土性能劣化評(píng)價(jià)用試驗(yàn)制度

1.4 測(cè)試方法

吸水率測(cè)試：泡沫混凝土吸水軟化易導(dǎo)致強(qiáng)度損失，切割選取邊長(zhǎng)為100 mm 立方體試塊，測(cè)試不同侵蝕齡期時(shí)的質(zhì)量，將質(zhì)量增幅與初始質(zhì)量的比值作為吸水率。

形變測(cè)試：體積穩(wěn)定性是EMAS 的重要指標(biāo)之一，采用ISOBY-354 型混凝土比長(zhǎng)儀，定期測(cè)試100 mm×100 mm×330 mm 全浸泡試塊的長(zhǎng)度，計(jì)算長(zhǎng)度變化及其與初始長(zhǎng)度的比值。

壓潰強(qiáng)度及降幅：核心泡沫混凝土的應(yīng)力壓潰曲線是影響飛機(jī)攔停距離的關(guān)鍵，壓潰強(qiáng)度是量化表征該曲線的核心參數(shù)，本文參照MH/T 5111—2015《特性材料攔阻系統(tǒng)》測(cè)試獲取應(yīng)力-壓潰度曲線，并且以潰縮段的平均值作為壓潰強(qiáng)度。測(cè)試不同侵蝕齡期時(shí)試塊的壓潰強(qiáng)度均值，計(jì)算降低幅度。

2 結(jié)果與分析

2.1 泡沫混凝土的表觀密度

從EMAS 單元體隨機(jī)選取10 個(gè)100 mm 立方體試塊，測(cè)試其表觀密度，涂刷外防水材料后再次測(cè)試，如圖1 所示。

圖1 泡沫混凝土的表觀密度

由圖1 可見(jiàn)，統(tǒng)計(jì)涂刷前后泡沫混凝土的表觀密度均值分別為239.9、264.0 kg/m3，標(biāo)準(zhǔn)差分別為 11.0、12.2 kg/m3。單個(gè)立方體試塊質(zhì)量增大約24.2 g，外防水材料用量為400 g/m2。

2.2 侵蝕制度與外防水措施對(duì)吸水率的影響

2 種泡沫混凝土(普通與涂刷外防水涂層的混凝土)在3種制度中侵蝕不同時(shí)間的吸水率如圖2 所示，普通與外防水泡沫混凝土分別進(jìn)行了180 d、120 d 試驗(yàn)。

圖2 侵蝕制度與外防水措施對(duì)吸水率的影響

由圖2(a)可以看出，普通泡沫混凝土浸泡在30 ℃清水與30 ℃模擬海水中，吸水率的發(fā)展規(guī)律幾乎一致，120 d 內(nèi)吸水率隨時(shí)間的延長(zhǎng)幾乎呈線性增大規(guī)律，120 d 后吸水率穩(wěn)定在350%左右。干濕循環(huán)制度下的吸水率發(fā)展趨向一致，但吸水率絕對(duì)值高于模擬海水全浸泡制度。分析認(rèn)為，干濕制度導(dǎo)致鹽分不斷在混凝土內(nèi)富集。由圖2(b)可以看出，外防水泡沫混凝土浸泡在30 ℃清水與30 ℃模擬海水中的吸水率依舊成線性增大，相比于未做外防水時(shí)，達(dá)到相同吸水率時(shí)延緩了約30 d；但干濕循環(huán)制度下，侵蝕120 d 的吸水率僅為61.5%。分析認(rèn)為，泡沫混凝土強(qiáng)度低、多孔、表面缺陷多，采用的防水材料不能做到完全密封，但抵抗實(shí)際偶發(fā)降雨依舊效果明顯。

2.3 侵蝕制度對(duì)普通泡沫混凝土形變的影響(見(jiàn)圖3)

圖3 侵蝕制度對(duì)普通泡沫混凝土形變的影響

由圖3 可以看出，泡沫混凝土浸泡在清水與模擬海水中均發(fā)生了膨脹、且膨脹歷程幾乎一致，浸泡60 d 后的微應(yīng)變穩(wěn)定在1000 με 左右。分析認(rèn)為：在EMAS 單元體制成前，泡沫混凝土已經(jīng)得到充分的養(yǎng)護(hù)，其自身已經(jīng)發(fā)生了早期自收縮與干燥收縮；浸泡溶液前，泡沫混凝土內(nèi)孔隙多處于緊縮狀態(tài)，當(dāng)吸入水分(鹽水)時(shí)，孔隙逐漸進(jìn)入飽水狀態(tài)，致使整體發(fā)生膨脹；水中鹽分的存在對(duì)溶液黏度的影響不大，吸水率演變過(guò)程未受明顯影響，致使混凝土形變過(guò)程幾乎一致。

2.4 侵蝕制度與外防水措施對(duì)壓潰強(qiáng)度的影響

EMAS 依靠核心泡沫混凝土壓潰吸能攔停飛機(jī)，壓潰強(qiáng)度是其關(guān)鍵指標(biāo)，壓潰強(qiáng)度長(zhǎng)期穩(wěn)定在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)是保障EMAS 性能可靠、持續(xù)有效的前提。某單元中5 個(gè)涂刷外防水材料泡沫混凝土試塊的應(yīng)力-壓潰度曲線見(jiàn)圖4 所示。主要包括初始段、潰縮段(平臺(tái)段)和壓實(shí)段。

圖4 外防水泡沫混凝土的應(yīng)力-壓潰度曲線

由圖4 可以看出，5 個(gè)平行試塊的壓潰強(qiáng)度分別為0.351、0.323、0.265、0.324、0.293 MPa，平均值為 0.311 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.03 MPa，變異系數(shù)為9.52%。

普通泡沫混凝土與涂刷外防水涂層泡沫混凝土在3 種制度中侵蝕不同時(shí)間時(shí)的壓潰強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 泡沫混凝土在不同制度下的壓潰強(qiáng)度 MPa

由表2 可知，普通泡沫混凝土與涂刷外防水涂層泡沫混凝土的初始?jí)簼?qiáng)度分別為0.286、0.311 MPa。由于先后共使用了2 個(gè)EMAS 單元體的試塊分布進(jìn)行不同制度的試驗(yàn)，利用壓潰強(qiáng)度降低幅度進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，如圖5 所示。

圖5 侵蝕制度與外防水措施對(duì)壓潰強(qiáng)度的影響

由圖5(a)可見(jiàn)，普通泡沫混凝土在3 種制度中，壓潰強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低現(xiàn)象，在清水、模擬海水及干濕循環(huán)制度中侵蝕180 d，壓潰強(qiáng)度分別降低了15.7%、23.8%及74.1%。分析認(rèn)為，采用P·Ⅱ52.5R 水泥作為膠凝材料時(shí)具有較強(qiáng)的耐水性能，強(qiáng)度損傷主要源于鈣溶蝕作用，溶液中氯鹽與硫酸鹽加速了強(qiáng)度損傷速率，干濕循環(huán)作用一方面吸水膨脹、干燥收縮引起了基體損傷；另一方面，內(nèi)部鹽分濃縮加速腐蝕。從圖5(b)可以看出，涂刷外防水材料后，3 種制度下侵蝕120 d 壓潰強(qiáng)度分別降低了7.4%、12.5%及8.7%。涂刷外防水材料后，干濕循環(huán)制度中侵蝕120 d 時(shí)，壓潰強(qiáng)度降幅遠(yuǎn)小于未做防水處理時(shí)降幅(53.7%)。可見(jiàn)外防水涂層起到了十分積極的作用。

2.5 基于壓潰強(qiáng)度的服役壽命計(jì)算

對(duì)圖5 中數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲取普通泡沫混凝土及外防水泡沫混凝土的壓潰強(qiáng)度降幅擬合公式及擬合度，如表3 所示。由于EMAS 單元體核心泡沫混凝土的應(yīng)力-壓潰度曲線是影響飛機(jī)攔停距離的關(guān)鍵，壓潰強(qiáng)度是量化應(yīng)力壓潰性能曲線的關(guān)鍵參數(shù)之一。因此，本文選擇壓潰強(qiáng)度作為泡沫混凝土耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)合實(shí)際服役環(huán)境參數(shù)、壓潰強(qiáng)度降幅量化規(guī)律與可接受最大降幅，預(yù)測(cè)EMAS 系統(tǒng)有效服役壽命。假設(shè)：保證有效攔停距離時(shí)，EMAS 核心泡沫混凝土壓潰強(qiáng)度最大降幅為30%；所處位置平均強(qiáng)降雨(＞50 mm/24 h)時(shí)間為15 d/年；由臺(tái)風(fēng)等引起海水作用時(shí)間10 d/年。根據(jù)表3 中壓潰強(qiáng)度降幅公式計(jì)算各工況條件下的最大服役年限。

表3 某工況下服役的服役年限計(jì)算

由表3 可見(jiàn)，若EMAS 核心泡沫混凝土未涂刷外防水材料，3 個(gè)代表性制度中服役時(shí)間分別為 21.5、21.0、6.9 年，EMAS 整體服役壽命取最小值為6.9 年；若EMAS 核心泡沫混凝土涂刷外防水材料，3 個(gè)代表性制度中服役時(shí)間分別為29.9、34.8、48.4 年，EMAS 整體服役壽命取最小值為 29.9 年?？梢?jiàn)涂刷外防水材料對(duì)于提升服役壽命效果顯著。

2.6 泡沫混凝土微觀結(jié)構(gòu)

利用掃描電子顯微鏡觀測(cè)普通泡沫混凝土與外防水泡沫混凝土的外表面形貌，如圖6 所示。

圖6 泡沫混凝土的外表面形貌

由圖6 可以看出：未涂刷防水材料的普通泡沫混凝土孔壁不致密，存在大量缺陷，并且部分孔隙相互連通，導(dǎo)致長(zhǎng)期浸泡狀態(tài)下吸水率快速增大；干濕循環(huán)作用下，孔壁吸水膨脹、干燥收縮產(chǎn)生更多缺陷，加速吸水并導(dǎo)致壓潰強(qiáng)度加速降低。涂刷外防水材料后表面密封效果顯著提高，但仍存在局部涂刷密封不到位、移動(dòng)過(guò)程完整性破壞的現(xiàn)象，導(dǎo)致全浸泡條件下仍存在大量吸水的現(xiàn)象，但干濕循環(huán)作用下的吸水率及壓潰強(qiáng)度降低均得到大幅抑制。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)EMAS 核心泡沫混凝土初始平均壓潰強(qiáng)度為0.286 MPa，表觀密度為239.9 kg/m3，涂刷外防水材料后初始平均壓潰強(qiáng)度為0.311 MPa，外防水材料用量為400 g/m2。未做防水處理時(shí)，全浸泡與干濕循環(huán)制度下，吸水率均快速增大，120 d后穩(wěn)定在350%左右；采用外防水措施后，干濕循環(huán)制度下的吸水率快速增大的現(xiàn)象得到顯著抑制。

(2)核心泡沫混凝土耐海水侵蝕性能較差，在30 ℃清水中浸泡180 d，壓潰強(qiáng)度降低了15.7%，而模擬海水及干濕循環(huán)制度中則分別降低了23.8%與74.1%。海水中氯鹽、硫酸鹽可加速基體鈣溶蝕；干濕循環(huán)則導(dǎo)致鹽分濃縮加速鈣溶蝕，同時(shí)基體吸水膨脹、干燥收縮引起物理?yè)p傷。

(3)采用外防水措施后，干濕循環(huán)制度中侵蝕120 d 壓潰強(qiáng)度僅降低了8.7%，遠(yuǎn)小于未做防水處理時(shí)53.7%的降幅。針對(duì)某特定服役工況，涂刷外防水材料后，服役壽命從6.9 年提升至29.9 年。掃描電子顯微照片顯示，未涂刷外防水材料時(shí)，泡沫混凝土表面存在諸多連通孔；涂刷外防水材料時(shí)表面密封效果顯著提升。