聚合物结构快速修补料在混凝土场道的应用★

嵇 誉 赵方冉

(中国民航大学机场学院，天津 300300)

0 引言

目前，国内大部分民用机场飞行区跑道在运行一段时间都会出现不同程度的破损,包括板块断裂，板边、板角的破碎，跑道表面剥落、龟裂等问题，特别是那些交通承载繁重的机场表现尤为明显。机场跑道出现以上病害后，若不及时进行修补处理，随着飞机荷载的反复作用，继而引发道面出现其他多类破坏，连锁破坏将愈演愈烈。因此，混凝土道面的使用寿命必须靠持续的、在局部破坏尚未发展成结构性和整体性破坏时即已开始的改善修补工作才能得以保证。

针对于机场的特殊运营环境，跑道道面需要进行不停航修补施工[1]。大部分国内航空白天6:00～0:00为航班运行时间，因此夜间施工时间为0:00～6:00。机场不停航施工安全要求高，作业时间短且大多数需要在夜间进行施工，各部门之间的协调工作量大。针对机场跑道快速修补，主要集中在新型建筑材料研发和施工工艺改进这两方面着手来解决这个问题。目前，国内外学者在快速修补材料研究上取得了较大的进展，快速修补材料主要分为无机类快速修补料、有机类快速修补料、聚合物改性水泥基材快速修补料三大类[2-5]。Yang等[6]和孙佳龙等[7]认为无机类快速修补料用作道路修补材料具有早强、快硬、粘结性能好等优点，但该类修补材料需加入适量改性材料才可满足路用性能要求，杨正宏等[8]和Luo等[9]研究表明有机类快速修补料干缩小、与旧路面粘结力强、修补方法简单，但该类砂浆存在疲劳破坏与老化现象。修补材料的研究表明聚合物改性水泥基修补材料相对于其他快速修补材料具有更高的粘结强度、弯拉强度、抗冲击韧性、耐磨性,且成本可控施工方便[10-13]。以上修补材料主要针对于道路混凝土病害修补，鲜有涉及机场跑道道面病害的修补，尤其缺少在繁忙机场不停航施工要求下机场道面。聚合物结构快速修补料在国内起步比较晚,对其材料性能及应用研究尚处于不成熟阶段。针对机场跑道快速修补，通过室内及现场试验研究对聚合物结构快速修补料材料(XB型)性能及施工技术进行分析研究，从而对以后的机场跑道道面快速修补提供一定的理论基础。

1 聚合物结构快速修补料主要技术特性及试验研究

1.1 聚合物结构快速修补料材料组成

聚合物快速结构修补料(XB型)，是以水泥为基础结合剂，高强度材料(金刚砂)作为主骨料，辅以高分子胶粉、高效减水剂、早强剂、膨胀剂、防离析等物质配制而成的超早强型混凝土结构修补材料。该修补料具有自流性好，快硬、早强、高强、无收缩、微膨胀;无毒、无害、不老化、对水质及周围环境无污染，自密性好、阻锈等特点。聚合物结构快速修补料材料技术参数如表1所示。

表1 聚合物结构快速修补料材料技术参数

1.2 修补料抗压和抗折性能试验

弯拉强度(即抗折强度)作为机场跑道水泥混凝土面的设计强度的一个重要指标,飞行区指标Ⅱ为A，B的机场，其水泥混凝土设计强度不应低于4.5 MPa，飞行区指标Ⅱ为C，D，E，F的机场，其水泥混凝土设计强度不应低于5.0 MPa。基于机场跑道强度指标，对聚合物结构快速修补料进行了抗压强度和抗折强度试验研究。

对聚合物结构快速修补料在试验室(室内平均温度20 ℃～25 ℃)测定立方体抗压强度、棱柱体的抗折强度的力学性能。抗压强度试件尺寸为150 mm×150 mm×50 mm立方体，抗折强度试件尺寸为150 mm×150 mm×600 mm棱柱体，每组试件各20个，共计3组。凝结时间见表2，强度试验数据见表3，抗压强度与抗折强度数据拟合关系如图1所示，抗压强度及抗折强度平均值随时间变化如图2所示。

表2 聚合物结构快速修补料凝结时间 min

表3 聚合物结构快速修补料力学性能试验 MPa

由试验结果可见聚合物结构快速修补料固化后有非常强的抗压和抗折能力，2 h的抗压强度可达30 MPa，抗折强度达到4.5 MPa，即可满足跑道开放要求。根据图1，进行试验数据统计分析，抗压强度与抗折强度基本成线性关系，采用最小二乘法构造两者曲线关系，相关系数为0.996 8，拟合得到抗压强度及抗折强度的换算公式，如式(1)所示：

ff=1.55+fc×0.098 6

(1)

其中,ff为抗折强度；fc为抗压强度。

以上拟合关系可用来指导现场根据抗压强度进行抗折强度数值估算。由图2可看出，该聚合物结构快速修补料在1 h～4 h内强度上升速率最快，展现了该修补料早强的性能。后期强度不断上升，峰值抗压强度可达70 MPa以上，抗折强度可达9 MPa，对病害部位有很好的补强和支撑作用。

如表2所示，聚合物结构快速修补料初凝时间为35 min左右，终凝时间为45 min左右。可见聚合物结构快速修补料初凝时间和终凝时间非常接近，有时甚至难以区分，这也是其早期强度发展特别快的原因之一。因此，在实际工程中，应在满足施工条件的情况下，尽量缩短凝结时间，以最大限度的发挥材料的早强特性。

2 施工技术

2.1 机场混凝土跑道道面快速修补准备工作

材料准备：在机场跑道修复前，对施工段进行现场勘测并在图纸上标注病害类型及修补范围，准确记录测量数据，并根据现场记录结果进行修补材料用量的准确计算，提前做好材料的采购及储存工作。

施工工具准备：1)混凝土切割机：为保证道面修补后美观，沿机场跑道破损部位切割；2)电镐：用于破碎混凝土的剔除及混凝土表面凿毛；3)手推车：用于拆除混凝土、修补料、工具的运输；4)铁锹：用于破损混凝土、垃圾的清理及铲料；5)高压水枪清洗机或空压机：用于清理剔凿后混凝土基层粉尘及混凝土碎渣；6)搅拌桶及电动搅拌器:用于修补料搅拌；7)台秤：用于称料及拌合用水质量；8)水桶：用于盛水称重；9)铁板抹子：用于抹平压实修补料；10)温度计:测量温度用；11)喷灯:用于吹干混凝土基层水气及预热混凝土基层。

我国的部分北方机场及高海拔低温机场常年夜间温度为零下，在冬季施工时，温度更低。机场跑道的修补容不得马虎和拖延，所以不会因为季节的影响而停止修补施工。故考虑机场跑道冬季快速修补施工及高海拔低温机场的施工温度影响，结合材料的特性及快速修补施工工艺研制了一款移动式搅拌烘烤一体机(见图3)。该设备小巧轻便，制作简单，用1 mm铁皮制作，可以用来烘干混凝土基层，同时提高上部搅拌修补料温度，提高修补料入模温度，温度应控制在5 ℃以上，可以加速修补料的固化，防止低温施工时修补材料在进行水化热反应前就已经冻粉，使材料的各项指标降低，严重影响修补工程质量。

2.2 道面快速修补施工

2.2.1 混凝土破损道面的处理

对于机场混凝土跑道因表面起皮、剥落、龟裂等问题引起的道面病害，这种病害修补属于浅层快速修补，病害部位需进行表面凿毛处理，剔凿至混凝土面露出坚硬石子，以增强新旧材料的结合强度。因道面混凝土板断裂，板边、板角破碎与断裂，这种深层快速修补为保证修补后道面美观，首先用混凝土切割机沿着提前弹好的墨线进行直线切割，使得混凝土道面待修复区与完整区分开，之后再用电镐和必要的混凝土破碎设备凿除旧混凝土，直至露出基层材料。对旧混凝土面剔凿清除后，用高压空气泵或者高压水将其上的松动石子及灰尘清理干净。

2.2.2 聚合物结构快速修补料搅拌

机场跑道病害除整板更换，一般情况下机场跑道修补都是零星修补工程，每个修补部位修补料用量都不是很大。所以在聚合物结构快速修补施工过程中，根据修补施工所需材料多少选择修补料搅拌工具，如修补料一次用量较大，可选用大型搅拌机进行搅拌,如用量较小，且道面修复点较分散，可选用小型电动搅拌机进行人工搅拌。因修补料的凝结时间较多，每次用料争取少拌合，多次拌合。人工搅拌时，叶片应沿着桶周边上下左右缓慢移动，以使桶底和桶壁粘附的快速修补料能够充分拌合，搅拌叶片不得提至料液面之上，以免空气带入。每次修补料搅拌，应严格按照材料说明书要求控制加水量，加水量严禁控制在16%～18%，加水量应用台秤进行称重，搅拌时间应控制在2 min～3 min，待修补料充分搅拌后，静置5 min左右，待修补料中气泡排出后方可进行浇筑。修补料每次搅拌量应在25 min内施工完成，以防止修补料在搅拌器内凝固。

2.2.3 聚合物结构快速修补料浇筑

聚合物结构快速修补料浇筑前，应确保混凝土接触面干燥清洁，并在混凝土面与浇筑修补料粘结面涂抹界面剂，增强新旧材料的结合强度。修补料浇筑时，尽可能从一侧注入，防止空气气泡夹在浇筑修补料内以及浇筑材料与混凝土面接触面存在空气气泡，必要时可采用竹片等工具进行导流。浇筑开始后必须连续进行，不得中断。浇筑完毕后，在修补料初凝前用铁板抹子压实并找平。施工完毕，采用覆盖薄膜进行湿养护，在冬季或者寒冷天气，当环境温度低于-10 ℃时，可覆盖电热毯进行加热辅助养护，使修补面层温度控制在15 ℃～20 ℃，通常情况下，养护时间需要控制在2 h以上，当修补料强度达到30 MPa时，方可撤去电热毯等养护设施。

2.2.4 表面处理及切缝要求

聚合物结构快速修补料表面处理同混凝土道面，由于快速修补料凝结时间相对于普通混凝土短很多，因此，在表面处理过程中要抓紧时间。在修补料初凝前进行跑道表面平整及拉毛工作，终凝后可进行道面刻槽等施工。修补后的新道面切缝位置应与原混凝土道面贯通，不得出现错槎。

3 聚合物结构快速修补料应用于机场混凝土道面快速修补现场试验结果

道面修补施工完毕后，利用回弹仪进行了现场强度测试，测得2 h强度值为30.4 MPa，4 h强度值为35.2 MPa。从抗压强度上来看，2 h已经满足道路开放要求。经一段时间的使用，飞机的起降冲击碾压，修补后的道面未出现开裂、空鼓、破碎、掉块等问题。可见，修补后的跑道强度，韧性与抗冲击性高，粘结牢固，整体稳定可靠。

4 结论

通过上述研究得出如下结论：

1)聚合物结构快速修补料具有早强、高强的特性，其早期抗压强度，抗折强度均满足机场道面使用要求，基本能达到施工后2 h～3 h通车。2)施工时无需复杂的施工机械和技术要求，施工工艺简单快捷，能够满足机场不停航施工要求。3)采用聚合物结构快速修补料修补机场跑道道面，不但节约了大量的人力、物力，还节约了50%～60%的成本；更好的解决了因传统施工造成的长期封闭跑道的问题，取得了良好的社会效益和经济效益。4)聚合物结构快速修补料稳定的材料性能及成熟简捷的施工技术，在经济上切实可行，可操作性强，在民航机场道面快速修补领域具有较强的推广价值。