飛機除冰液對機場停機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，經濟的快速發展，人們物質生活水平的提升，人們出行時選擇飛機作為交通工具的現象已較為普遍。飛機作為空中交通工具，其飛機安全性至關重要，也受到全社會的普遍關注。在寒冷地區，飛機容易出現結冰的情況，一旦飛機結冰則會給飛行安全帶來較大的影響，所以在飛機結冰狀態下是嚴禁進行飛行的。目前為了確保冬季飛機的安全，往往會使用除冰液來做避免飛機出現結冰的現象。除冰液的主要成分為乙二醇，其使用后是對飛機結冰現象得到了有效的緩解，但對于停機坪上的混凝土也帶來了較大的破壞，使用飛機除冰液后，混凝土出現了不同程度的脫皮和砂石剝落的情況，這不僅對飛機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%濃度飛機除冰液作用下的混凝土的抗凍性能進行了分析，從試驗中可以發現隨著飛機除冰液濃度的不斷升高，混凝土凍融破壞程度則隨之減弱，但飛機除冰液不會被化學侵蝕。

關鍵詞：機場停機坪混凝土；飛機除冰液；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雜的問題，在飛機除冰液環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，存在著復合作用和疊加的效應，至今為止，科研部門和學者專家在該領域的研究非常有限，在飛機除冰液環境下混凝土的耐久性問題涉及面很多，有凍融循環，腐蝕作用，外部荷載的應力效應等等，鑒于現有的研究基礎，分別選取了凍融循環作用和常溫腐蝕作用作為耐久性破壞的破壞因素，研究混凝土在飛機除冰液作用下的損傷規律和破壞機理，探討影響混凝土耐久性破壞的主要因素。

1 機場停機坪混凝土耐久性的現狀

據調查“三北”地區民航機場水泥混凝土停機坪破壞最為嚴重（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、個別地方出現孔洞）。大部分是出現在噴灑飛機除冰液區域的低洼積水地區，這些破壞現象與飛機除冰液有直接的關系（見圖1、圖2）。據估算，一架大型商用飛機每次除冰需要1.8-3.6噸除冰液，一座中型國際機場每年需要使用1000-10000噸飛機除冰液，每年平均需要除冰次數2037次。

圖1用飛機除冰液給飛機除冰

圖2飛機除冰液對停機坪的凍融破壞

當飽和的混凝土處于寒冷的地區，隨著溫度的降低，混凝土毛細孔內的水會結冰，按照水轉變成為冰的體積膨脹9%，這個增加的體積產生一個水壓力，隨著溫度的升高冰融化成水，氣溫的不斷交替，多次的凍融循環使得破壞作用累加，就同疲勞破壞，外觀表現混凝土結構逐漸出現微裂縫，并且不斷擴大，形成大的相互貫通的裂縫，使得強度逐漸降低直到完全喪失，當累積到一定程度混凝土結構最終破壞。停機坪飛機除冰時含有除冰液的混合物流到機坪道面導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后使混凝土再次冰凍。增加了混凝土自然凍融次數。

機場停機坪混凝土凍融破壞與凍融循環次數有關，“三北”地區部分城市自然凍融循環次數統計表。（見表1）

表1 我國部分城市自然凍融循環次數統計表

如果根據自然凍融次數來確定混凝土抗凍指標，需要建立室內標準抗凍試驗次數與室外自然凍融次數的關系。（室內混凝土凍融溫度：混凝土試件的中心最低與最高溫度分別是-17℃±2℃和8℃±2℃）中國水利水電科學研究院在北京十三陵水庫建立了混凝土抗凍耐久性現場基地，并與室內試驗進行對照。結果表明一次室內標準凍融試驗相當于自然凍融10-15次的損傷效果，如按這一標準可以確定混凝土的抗凍指標。

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

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

F=（2037+84）/15=141（次）一年相當室內標準抗凍試驗141次，兩年等于281次。北京地區設計混凝土抗凍融F=300次，所以機場水泥混凝土停機坪用飛機除冰液2至3年就產生凍融破壞現象。

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，細度模數為2.81；（3）石：5mm～20mm連續級配石灰巖碎石；（4）外加劑：AJF-6 減水劑；（5）水：普通自來水。（6）飛機除冰液（Aircraft deicer）乙二醇的主要性能指標和飛機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

表3 飛機除冰液不同濃度配合比

2.2 混凝土配合比

選一個C30強度等級的普通混凝土（簡稱OPC）。配合比參數（見表4）。

表4混凝土的配合比參數

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）試樣養護：按國家標準（即養護溫度為（20±2℃，相對濕度大于90%的條件）養護28天。

3 混凝土抗凍試驗

混凝土的凍融循環試驗應符合GBJ82-85《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》試件養護28d齡期時進行試驗。試驗前測試動彈性模量和重量，每次凍融循環應在2-4h內完成，一般每隔25次循環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）已達到300次凍融循環；（2）相對彈性模量下降到60%以下；（3）質量損失率達5%。

3.1 POC在水中快速凍融試驗的相對動彈性模量和質量損失結果表明。在凍融作用下，POC出現快速明顯的劣化過程。混凝土的相對動彈性模量下降很快，僅需要152次凍融循環即下降到破壞標準60%，完成425次凍融循環后，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作用下混凝土的內部損傷巨大，從POC在凍融過程中質量損失的指標來看，完成300次凍融循環，質量損失僅為1.92%，沒有達到質量損失5%的標準，300次凍融循環之后，混凝土質量損失訊速增大，至351次達到5%，在425凍融循環后質量損失高達11.27%。POC凍融破壞的特征是表面出現微裂縫，有少量的起皮、剝落，混凝土表面出現一條大的橫向裂縫，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量損失

3.2 POC在3.5%飛機除冰液快速凍融試驗的相對動彈性模量和質量損失。結果表明。POC劣化失效很快，213次凍融循環之后，相對動彈性模量降到了55.82%，質量損失了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%飛機除冰液中其次。從質量損失上看，在3.5%飛機除冰液中損失大于在水中損失，達到快凍法質量損失5%的破壞標準，3.5%飛機除冰液需要97次，而水中則要多達351次，POC在3.5%飛機除冰液凍融破壞的特征是從表面開始，出現層剝現象，最后是大量石子裸露，剝離深度超過了5mm，但末出現試件凍斷的現象。

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

圖6 OPC在不同濃度飛機除冰液中凍融過程中的

相對動彈性模量和質量損失

在飛機除冰液濃度0-25%之間相對動彈性模量降至60%凍融循環次數和飛機除冰液濃度的關系（見圖7）、質量損失達5%凍融循環次數與飛機除冰液濃度關系（見圖8）。

4 飛機除冰液化學侵蝕分析

化學侵蝕包括溶出性侵蝕、離子交換型侵蝕和膨脹型侵蝕。飛機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生化學反應[1]。重點研究乙二醇（C2H6O2）和水泥混凝土中最具有活性的氫氧化鈣（Ca（OH）2）之間的反應可能性。

為了進一步驗證水泥混凝土受除冰液化學侵蝕的可能性，在室內進行浸泡試驗。試件在標準養護室養護至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，加入飛機除冰液露出試件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，為鹽的結晶創造條件。把容器放入22℃的環境內，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）。試驗結果除冰液pH值本身8.96增加到9.29。導致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。這也說明經過除冰液的浸泡后，除冰液仍然保持不容易引起水泥混凝土化學腐蝕的微堿性。

5 結束語

5.1 POC在水介質中混凝土凍融破壞都是表層剝落和內部開裂兩種破壞形式的復合，最典型的破壞特征是試件在凍融過程會出現凍斷的現象。

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

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

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

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]能提高機場停機坪混凝土抗凍融破壞性能。

參考文獻

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

[2]鄧可庫.高原機場應用引氣劑增強道面混凝土抗凍性研究[J].機場工程，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場站坪擴建工程中試驗研究與應用[J].科技創新與應用，2014（23）31-32.

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