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

針對跑道末端安全區(qū)域長度不足的機(jī)場，在機(jī)場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)過大量研究，最新一代EMAS 選用壓潰強(qiáng)度可調(diào)控、長期穩(wěn)定的泡沫混凝土作為壓潰吸能材料。國內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注完善飛機(jī)制動(dòng)過程理論[1]與有限元模型[2]，用于計(jì)算特定EMAS 對特定機(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-潰縮過程，指導(dǎo)EMAS 的制備。截至2010 年1 月，美國在35 個(gè)機(jī)場安裝了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，我國首次在云南騰沖機(jī)場鋪裝了EMAS[6]。

隨著“一帶一路”建設(shè)及海洋開發(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，通過涂刷有機(jī)硅外防水材料，研究并評價(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；無機(jī)摻合料：白云石粉，325 目標(biāo)準(zhǔn)篩通過率為99.5%；水：自來水；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，雨水或海水通過排水管道倒灌入EMAS 內(nèi)。根據(jù)作用時(shí)長，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價(jià)用試驗(yàn)制度

1.4 測試方法

吸水率測試：泡沫混凝土吸水軟化易導(dǎo)致強(qiáng)度損失，切割選取邊長為100 mm 立方體試塊，測試不同侵蝕齡期時(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 型混凝土比長儀，定期測試100 mm×100 mm×330 mm 全浸泡試塊的長度，計(jì)算長度變化及其與初始長度的比值。

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，測試其表觀密度，涂刷外防水材料后再次測試，如圖1 所示。

圖1 泡沫混凝土的表觀密度

由圖1 可見，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 侵蝕制度對普通泡沫混凝土形變的影響(見圖3)

圖3 侵蝕制度對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；水中鹽分的存在對溶液黏度的影響不大，吸水率演變過程未受明顯影響，致使混凝土形變過程幾乎一致。

2.4 侵蝕制度與外防水措施對壓潰強(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龋鐖D5 所示。

圖5 侵蝕制度與外防水措施對壓潰強(qiáng)度的影響

由圖5(a)可見，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，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。可見涂刷外防水材料對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

(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、干燥收縮引起物理損傷。

(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。