程國(guó)勇，楊依恒

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

目前，中國(guó)民航機(jī)場(chǎng)跑道建設(shè)絕大多數(shù)采用水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)類(lèi)型，其存在孔洞、表層開(kāi)裂起皮、摩擦系數(shù)下降等面層病害。此外，由于機(jī)場(chǎng)道面粘膠情況嚴(yán)重，高壓水槍等除膠作業(yè)又易造成面層紋理磨損、面層破碎，多次除膠后道面摩擦系數(shù)不僅難以提高甚至?xí)s短其壽命。對(duì)于面層性能缺陷，一般采用聚合物砂漿修補(bǔ)措施，嚴(yán)重時(shí)進(jìn)行整板置換或全道面加鋪瀝青層，其缺點(diǎn)在于施工和養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)、成本大、砂漿修補(bǔ)和瀝青加鋪層存在新舊混凝土之間界面薄弱、結(jié)合性差的問(wèn)題。因此，對(duì)水泥混凝土道面表面性能的恢復(fù)是機(jī)場(chǎng)場(chǎng)務(wù)管理中存在的難題。

機(jī)場(chǎng)跑道修補(bǔ)料相關(guān)系統(tǒng)性研究較少，但在公路工程快速修補(bǔ)材料研究方面，何建杰[1]針對(duì)TF 系列水泥混凝土快速修補(bǔ)劑進(jìn)行了全面研究，并將其用于成都市三環(huán)路修補(bǔ)工程。申愛(ài)琴[2]以普通水泥作為基質(zhì)材料，用聚合物和高效減水劑作為主要改性劑，開(kāi)發(fā)出新型水泥路面微裂縫修補(bǔ)材料，室內(nèi)試驗(yàn)表明，該修補(bǔ)材料可滿(mǎn)足路用性能要求。Wong 等[3]測(cè)試了苯乙烯-丙烯酸酯共聚物對(duì)水泥砂漿的動(dòng)彈模量、沖擊韌性和磨耗性能等影響，提供了水泥砂漿的改性思路。上述學(xué)者通過(guò)改性水泥混凝土作為修補(bǔ)材料，而水泥砂漿類(lèi)修補(bǔ)材料的缺陷在于界面處理困難。同時(shí)，由于機(jī)場(chǎng)跑道飛機(jī)荷載較大，普通水泥砂漿修補(bǔ)料難以滿(mǎn)足實(shí)際需要，且處理后存在二次破壞情況。因此應(yīng)考慮其他高性能材料作為修補(bǔ)材料。

為防護(hù)混凝土構(gòu)筑物面層損傷，陳韜等[4]提出，在海工混凝土結(jié)構(gòu)建筑中采用涂層技術(shù)，主要采用成膜型涂料，該涂料技術(shù)成熟、施工簡(jiǎn)單，能有效保護(hù)混凝土面層損傷。在道路整治方面，環(huán)氧樹(shù)脂抗滑磨耗層已在實(shí)際工程中得到應(yīng)用，其具有路面厚度增加少、抗滑性能及高溫穩(wěn)定性好、降噪性能顯著的優(yōu)點(diǎn)。李龍[5]通過(guò)對(duì)單一填料和復(fù)合填料的薄層性能研究，提出復(fù)合填料應(yīng)采用玻璃纖維、云母、氧化鈦（TiO2），確定了抗沖擊能力最佳的配比方案。基于其他領(lǐng)域高性能薄層材料的先例，結(jié)合機(jī)場(chǎng)道面實(shí)際病害情況，特種薄層材料能夠?yàn)檠泳彽烂媸褂脡勖?，改善和修?fù)表面損傷做出貢獻(xiàn)[6-12]。同時(shí)，水泥混凝土面層損傷處采用薄層修補(bǔ)技術(shù)在機(jī)場(chǎng)道面修復(fù)領(lǐng)域缺乏試驗(yàn)論證。薄層材料的選材以及各項(xiàng)性能均需進(jìn)一步試驗(yàn)探究。針對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道面層評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展摩擦系數(shù)試驗(yàn)、沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)、材料磨耗試驗(yàn)、耐久性試驗(yàn)，以論證薄層修補(bǔ)材料的最佳配比方案。

1 材料配比與試樣制備

1.1 材料選擇

1）基料

以環(huán)氧樹(shù)脂作為薄層材料基料，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠與多種不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的環(huán)氧樹(shù)脂固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)又能保留其黏結(jié)強(qiáng)度高、耐磨性能好、收縮率低、力學(xué)性能優(yōu)良和化學(xué)性能穩(wěn)定等特性，并與水泥混凝土道面形成較強(qiáng)的黏結(jié)結(jié)構(gòu)。

選擇4 種不同配方的填料，以市場(chǎng)常見(jiàn)的環(huán)氧樹(shù)脂（環(huán)氧值0.44）為基料、聚酰胺樹(shù)脂作為固化劑，相對(duì)分子質(zhì)量為60，固化條件為常溫下2 h，紫外線(xiàn)照射固化時(shí)間1 h。環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 環(huán)氧樹(shù)脂技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of epoxy resin

2）填料

由于填料存在基體屈服效應(yīng)和兩相界面效應(yīng)，涂層受沖擊區(qū)域內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量微裂紋和銀紋。因此填料尺寸越小，其顆粒比表面積就越大，涂層的抗沖擊效果越好。填料尺寸選擇如表2 所示。

表2 填料特性Tab.2 Filler characteristics

李龍[5]通過(guò)填料甲板用環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖擊性能試驗(yàn)得出，在填料沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)中抗沖擊性能最優(yōu)的復(fù)合填料配方為3%納米TiO2+15%玻璃纖維+10%云母AM606。將此配方填料加入到環(huán)氧樹(shù)脂體系中，其最大沖擊高度可達(dá)到1.5 m，不同配比的填料對(duì)薄層性能影響不同。

3）溶劑

目前，市場(chǎng)上環(huán)氧樹(shù)脂的常見(jiàn)溶劑為丁醇、石腦油、二甲苯、乙二醇甲基醚或其混合物。溶劑可以加快基料和填料的分散，使填料能充分與環(huán)氧樹(shù)脂和聚酰胺樹(shù)脂接觸，提高填料分布的均勻性。

1.2 試驗(yàn)配比

試驗(yàn)填料配比如表3 所示。

表3 填料配比值Tab.3 Filler ratio

1.3 試樣制備

制作水泥混凝土板塊，尺寸為150 mm×150 mm×50 mm，按機(jī)場(chǎng)道面設(shè)計(jì)規(guī)范，混凝土水灰比為0.45，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件養(yǎng)護(hù)28 天。每組成分制作4 塊混凝土板，另取一組做空白對(duì)照試驗(yàn)。

薄層試驗(yàn)配比，用天平稱(chēng)取質(zhì)量相等的4 組配比填料。環(huán)氧樹(shù)脂和聚酰胺樹(shù)脂按1 ∶1 制備，用高速攪拌機(jī)攪拌，將攪拌均勻的薄層材料按照厚度5 cm 均勻加鋪在混凝土道面板上，自然晾干3 h。薄層加鋪過(guò)程如圖1 所示。

圖1 薄層加鋪示意圖Fig.1 Schematic diagram of thin layer overlay

2 性能試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

2.1 摩擦系數(shù)試驗(yàn)

采用擺式摩擦系數(shù)儀（BM—III 型擺式儀），按操作規(guī)程對(duì)4 組不同配比的混凝土試樣進(jìn)行測(cè)試。此外，將未覆蓋薄層的混凝土試塊設(shè)置為參照組，得到摩擦系數(shù)（BPN,British pendulum number）值，每組測(cè)試5 次，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示。

圖2 BPN 試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 BPN test results

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在混凝土道面板上加鋪薄層的第1 組、第2 組、第3 組的摩擦系數(shù)分別比參照組提高27%、16%、14%，第4 組值低于參照組。對(duì)比4 組配比方案的成分，加入玻璃纖維的填料組能較好地提高道面摩擦性能，該種材料可作為提高道面摩擦性能的修補(bǔ)材料。其中第1 組配比方案的薄層修補(bǔ)效果最佳。利用薄層修補(bǔ)材料改善道面抗滑性能具有一定的可行性。

2.2 抗沖擊試驗(yàn)

采用落錘式?jīng)_擊強(qiáng)度試驗(yàn)，重錘從不同高度落到試樣上，求取落下高度與試樣破壞率的關(guān)系。采取試塊破壞率為50%、100%下落高度，衡量試樣的抗沖擊能力。試驗(yàn)落錘質(zhì)量選用3.5 kg，在30～200 cm 的不同高度，每10 cm 測(cè)試其破壞率，試驗(yàn)結(jié)果表4 所示。

表4 沖擊強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Impact strength test results

由試驗(yàn)結(jié)果可知，添加薄層修補(bǔ)料的試塊均比參照組抗沖擊強(qiáng)度高，各組相比參照組分別提高140%、320%、100%、260%。同時(shí)，第2 組試驗(yàn)結(jié)果最佳，主要在于填料中加入了金屬氧化鋯（ZrO2），該種金屬氧化物特性硬度大、耐磨性高。試驗(yàn)表明：環(huán)氧樹(shù)脂基料添加金屬氧化物能夠提高道面面層的抗沖擊性能和面層穩(wěn)定性，為機(jī)場(chǎng)跑道道面經(jīng)受機(jī)輪的高強(qiáng)度沖擊提供有效幫助，尤其在跑道接地處能夠減緩飛機(jī)對(duì)跑道面層的沖擊損傷。

2.3 材料磨耗試驗(yàn)

對(duì)混凝土試塊（拉毛處理）進(jìn)行加速磨耗儀試驗(yàn)。加速磨耗儀采用功率1.5 kW 的電機(jī)，轉(zhuǎn)速為5 000 r/h。通過(guò)增減荷載盤(pán)數(shù)來(lái)模擬不同荷載作用下道面的磨耗程度，加速磨耗試驗(yàn)儀采用聚氨酯輪胎，輪胎寬度為15 mm，直徑為200 mm，邵氏硬度為70～75 A，輪胎的平均胎壓為0.7 MPa。在進(jìn)行多組不同荷載、不同作用次數(shù)試驗(yàn)后，采用手工鋪砂法測(cè)定試驗(yàn)板表面構(gòu)造深度值，并以其為衡量指標(biāo)，即

其中：TD 為試驗(yàn)板表面構(gòu)造深度（mm）；V 為砂的體積（cm3）；D 為攤平砂平均直徑（mm）。

圖3 4 組配比TD 試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Four groups of TD test results

在試驗(yàn)過(guò)程中，試塊磨耗處呈黑色金屬光澤。不同配比的磨耗試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。對(duì)比4 組TD 值可知，在起始值不同的情況下，隨著作用次數(shù)的增加，累計(jì)磨耗損失量增大。參照組未經(jīng)荷載下的TD 值為0.73 mm，4 組TD 值中，第1、2、4 組在不同荷載下均大于參照組，因填料中金屬氧化物摻量較高，氧化鈦、氧化鋯耐磨性能較強(qiáng)，增強(qiáng)了薄層修補(bǔ)材料的抗磨耗性。第3 組在4 kg 時(shí)，荷載作用次數(shù)最多情況下TD值最小，修補(bǔ)料累計(jì)損失量最多，該組配比中金屬氧化物的摻量較少，云母粉和金剛砂摻量較高，因而耐磨性減弱。第2 組配比方案的耐磨性最佳，且在荷載增加均勻的情況下，TD 值下降均勻。試驗(yàn)表明添加金屬氧化物的薄層修補(bǔ)材料能夠增強(qiáng)道面面層的抗磨耗性能，作為機(jī)場(chǎng)跑道的修補(bǔ)材料具有可行性。

2.4 耐久性試驗(yàn)

對(duì)每組混凝土試驗(yàn)板分別進(jìn)行高溫試驗(yàn)和低溫環(huán)境下凍融試驗(yàn)。

高溫試驗(yàn)將試樣放入烘箱中，模擬道面在高溫環(huán)境下的自然條件，溫度控制在70 ～150 ℃范圍內(nèi)。與BPN試驗(yàn)結(jié)果比較，測(cè)得高溫試驗(yàn)下1～4 組的BPN 均值分別下降2%、1.5%、1%、4%，質(zhì)量損失均值小于1%，抗沖擊強(qiáng)度均值分別下降0.5%、0.8%、1%、0.7%。這表明4 組配比方案的薄層修補(bǔ)材料在高溫環(huán)境下，能夠維持性能穩(wěn)定，在暖季場(chǎng)，跑道面層的修補(bǔ)具有可行性。

凍融循環(huán)試驗(yàn)將試樣放置在凍融箱內(nèi)，每次凍融在3 h 內(nèi)完成，凍融溫度控制在-17 ℃，將凍融循環(huán)次數(shù)分別為50 次、100次、150 次、200 次、250 次的試樣從凍融機(jī)內(nèi)取出，擦干表面。凍融試驗(yàn)下1～4 組的BPN 均值較摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果分別下降0.22%、0.37%、0.44%、0.52%、0.56%，抗沖擊強(qiáng)度均值分別下降0.07%、0.18%、0.16%、0.27%、0.35%。凍融結(jié)果表明該材料抗凍性能強(qiáng)，可用于寒冷地區(qū)機(jī)場(chǎng)道面，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 凍融試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Freeze-thaw test results

上述高溫試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)表明，這4 組配比方案的薄層修補(bǔ)材料耐久性能較好，在實(shí)際機(jī)場(chǎng)跑道修補(bǔ)過(guò)程中具備適用性。

通過(guò)對(duì)4 種配比的薄層修補(bǔ)料試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，采用第2 組配比的薄層材料，在抗摩擦性能、抗沖擊性能、磨耗性、耐久性方面性能均較為優(yōu)異。在環(huán)氧樹(shù)脂中添加特種成分的修補(bǔ)材料能夠?yàn)闄C(jī)場(chǎng)跑道的修補(bǔ)材料配比使用提供新思路。

3 結(jié)語(yǔ)

薄層修復(fù)材料有望在機(jī)場(chǎng)道面修復(fù)中起積極作用。以金屬氧化物粉末作為主要填料，環(huán)氧樹(shù)脂為基料，聚酰胺樹(shù)脂作為固化劑，按一定配比制備試驗(yàn)所需的薄層修補(bǔ)材料。在相關(guān)道面試驗(yàn)中，其性能表現(xiàn)良好，在抗沖擊性、耐摩擦性、粘接力、抗老化性能等方面有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，且凝固時(shí)間短，能夠應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)跑道的道面損傷修復(fù)，可提高道面使用壽命，對(duì)于全道面加鋪薄層材料，預(yù)防道面面層受損具有借鑒意義。后續(xù)研究將進(jìn)一步探索多樣化的機(jī)場(chǎng)道面薄層修復(fù)材料配比方案，以適應(yīng)不同工況。