我国冰冻地区机场水泥混凝土道面冻融病害分析.pdf

3 8 道路交通 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 1 0 月第 1 0 期 我国冰冻地区机场水泥混凝土道面冻融病害分析 陈士昌 ， 罗 勇 ， 谭悦 ( 1 上海 民航新 时代机 场设计 研究 院有 限公司 ， 上海 市2 0 0 3 3 5； 2 上海 虹桥 国际机 场 ， 上海 市2 0 0 3 3 5 ) 摘要 ： 冻融病 害在我 国冰冻地 区机场水泥 混凝土道面普 遍存在 ， 且 对经济和社会影 响很大 。 该文通过 现场调研和理论 分析 ， 将冻 融病害划分 为普 通冻融损 坏和盐冻剥蚀损 坏两种 ， 并 分析 了各 自的成因机理 。 从设 计和维护角度提 出 了提高机场 混凝土 道面抗冻性能的方法。 在设计阶段， 可以采用选用高强度水泥和混凝土引气技术两种方法； 在维护阶段 ， 可以采用在道面表层 涂抹 水泥混凝土养 护剂 的方法 。 关键词 ： 机场； 水泥混凝土道面； 冻融； 混凝土引气； 水泥混凝土养护剂 中图分 类号 ： V 3 5 1 1 1 文献 标识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 1 0 0 0 3 8 0 4 0 引言 我 国冰冻地区( 主要是三北地 区) 机场道 面普 遍存在冻融病害 ，大部分机场在投入运行很短 时 间内就大 面积 出现冻融病 害。冻融病害主要表 现 为道面表层开裂 、 起皮 、 脱落 ， 早期 冻融病害一般 为功能性病害，其对道面结构承载能力无太大影 响。但由于缺乏有效处置方法， 对机场维护带来很 大压力。冻融病害后期道面表层混凝土会出现录 0 落 ， 甚至断板 ， 不仅影 响到道 面 的结构承 载能力 ， 还对飞机行驶安全构成安全隐患。简而言之 ， 冻融 病害一般具有数量多、 分布广、 处置难 、 危害大等 特点。 对于机场水泥混凝土道面而言 ，由于暴露在 自然环境中， 受到温度、 降水的综合作用。在寒冷 地区， 这种作用体现为冻融循环作用。与一般结构 混凝土不同的是 ，机场道面水泥混凝土除了要求 在冻融循环作用下保持较高的强度外，还需要保 持 良好 的表 面性能 。这就对机场水泥混凝土的性 能提出了更高的要求。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 7 3 1 作者简介： 陈士昌( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 上海人 ， 工程师 ， 从事机场工 程设计 与咨询工作 。 我 国现行 民航 的设计规范一般 只考 虑荷 载的 作用，对道面的抗冻性只有一些基本的要求 ， 如 民用机场水泥混凝土道面设计规范 ( M H T 5 0 0 4 2 0 1 0 )中要求 ：在寒冷地区 尚应具有 良好 的抗冻 性 ， 年最低月平均气温为 0一 1 0 的地区 ， 道面混 凝 土冻标号应不低于 F 2 0 0 ；年最低月平均气温小 于 一 l O 的地区 ，道面混凝土抗冻标号应不低 于 F 3 0 0 ； 有抗冰 ( 盐 ) 冻 要求地 区应掺减 水引气型外 加剂 。近年来 ， 国际上 已逐渐公认 ， 对于混凝 土 道面结构 的设计 仅仅考虑荷 载的影响是不够 的 ， 还要考虑环境因素引起 的破坏 ， 两者 同样重要 ， 环 境 因素主要指温度和湿度 。道面结构无 遮盖袒露 在大气 中 ， 长期受风 霜雨 雪的侵蚀 ， 在 冰冻地 区， 综合温度与湿度共 同作用 的冻融循环破坏成为影 响混凝土道面长期耐久性的主导因素 。 本文拟对机场道面冻融病害 的成因机理进行 分析 ，并从设计和维护角度提 出预防和处置机场 道面冻融病害 的方法 ，为我 国机场道面抗冻研究 提供借鉴和参考。 1 冻融病害的分类及特征 水泥混凝 土冻融破坏有 两种形式 ：内部开裂 空现象， 减少断板和板间弯沉差 ， 提高复合式路面 的抗反射裂缝效果。 4 结语 在车辆荷载和环境 的作 用下 ，水泥混凝土 + 沥 青混凝 土 复合式 路 面 的反 射裂缝 是 不可 避 免 的。在复合路面的设计 与施工过程中 ， 可以通过适 当增加沥青混凝土面层厚度 、 采用密级配感温性能 好的沥青混合料以及在水泥板与沥青面层间设置 抗裂层等措施延缓反射裂缝扩展速度。与此同时 ， 应该尽量做好路面的防水措施， 避免雨水渗人路面 体内， 导致水泥板底脱空， 加速反射裂缝的发展。 参 考文献 【 1 】 黄维扬 工程断裂力学【 M 】 北京： 航空工业出版社， 1 9 9 2 2 刘 先森 水 泥混凝土 加铺沥 青罩面 预防或延缓 反射裂缝 技术 探 讨 J 1 广东公路 交通， 2 0 0 2 ( 4 ) ： 4 0 4 3 【 3 李 淑明， 蔡喜棉， 许志鸿肪 止反射裂缝 的沥青加铺 层设 计方法 J 】 华 东公路， 2 0 0 1 ， 1 3 1 ( 4 ) ： 3 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 0 道路交通 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 1 0 月第 1 0 期 不 相 l司。 2 1 普通冻融损坏 机 场道 面混凝 土冻融病 害主要是 由于地表水 沿混凝土表层毛细管渗入，水由于低温结冰体积 膨胀 ， 长期反复作用使道面出现冻融病害。冻融过 程属于微 观结构作用 ， 很难直 观监测 ， 虽有许多学 者进行了大量研究 ， 提出各种假说 ， 但至今尚未完 全研究清楚 。但根据冻融循环对混凝土 的不 同作 用形式 ， 通常将普通冻融损坏分为膨胀压力作用 、 静水压力作用 和渗透压力作用三种【2 J 。 膨胀压力作用是冻融循环破坏作用最直观和 简单的一种： 根据水结冰的物理特性 ， 混凝土孔隙 中的水在冻融结冰时约有 8 3 的体积膨胀 ，从理 论上来说 ， 当孔隙的饱水状态超过 9 1 7 时 ， 孔 隙 不能适应水结 冰体积膨胀 的变形 ，从而产生膨胀 压力 ， 对混凝土产生破坏。 静水压力作用假说认 为 ： 在冰冻过程 中 ， 混凝 土孔 隙中的部分孔溶液结冰膨胀 ，迫使未结冰 的 孔溶液从结冰区向外迁移。孔溶液在可渗透的水 泥浆体结构 中移动 ， 必须克服粘滞阻力 ， 因而产生 静水压力 ， 对混凝土产生破坏作用 。 相对前两种作用力 ，渗透压力作用 的假定并 没有得到广泛的认 同，但可 以很好 的解释混凝 土 冻融过程 中前两种作用无法解 释的一些现象 。渗 透压力理论认为 ：由于孔 隙中水 的冰点 随孔 隙尺 寸的下降而降低，毛细孔尺寸极小 ，冰点温度很 低 ， 一般低于 一 7 O o ( = 。因此毛细孔内的水实际并非 结 冰而处 于过冷状态 。过冷水 的蒸 汽压 比同温度 下冰的蒸汽压高 ，混凝土冻融 时将发 生过冷 水向 毛细孔中冰的界面渗透的现象 ，从而产生了渗透 压力 。 目前国际学术界 比较普遍一致的观点是 ： 三 种作用均存在 ，但静水压力作用是水泥混凝土冻 融破坏 的主要原 因【2 _ 。 2 2 盐冻剥蚀损坏 盐物质具有吸水特性， 因此在盐环境作用下的 道面混凝土更容易 吸水而不容易失水 ，从而增加 了混凝土饱水 的机会和程度 ，加剧 了冻融循环 的 破坏作用， 这是产生盐冻剥蚀损坏的首要原因f6 。 道面混凝土表面 的冰雪在除冰液 的作用下融 化 ， 而冰雪的融化需要吸收大量 能量 ， 使得混凝土 表面 的温度降低 ，在混凝土表面形成较大 的温度 梯度 ， 容易引起表面 的裂缝和剥 落【 2 】 。含 除冰盐 的 溶液渗入混凝土后 ， 进入混凝土的盐很难排 出 ， 会 不断累积 。当渗透 到混凝土 中的溶液达到超饱 和 时 ， 除冰盐开始结晶， 析出的盐晶体会引起体积膨 胀 ， 产生膨胀 压力 和水压力 ， 从而导致盐 冻剥蚀损 坏 。 3融病害的预防和处置 冻融病害在我国冰冻地区机场普遍存在， 对我 国民航业造成 了重大的经济损失。通过 前文对冻 融病害 的成 因机理分析 ， 结合 国内外研究成果 ， 分 别从前期预防和后期处置两个角度提出相应的对 策 。 3 1 设计阶段的预防策略 根据前文对冻融破坏机理 的分析表 明， 产生冻 融破坏 的根本原 因是冻融时产生 的各种作用力 ( 膨胀压力、 水力压力、 渗透压力) 超过混凝土的极 限抗拉强度 ， 从而导致混凝 土开裂 。因此 ， 从设计 角度 出发 ，可 以从降低各种压力和提高混凝土 的 强度两方面来提高道面混凝土抗冻能力 。 3 1 1 降低 压 力 美 国和加拿大等国家在提高混凝 土抗冻性能 的研究思路是 ：通过将混凝土 内引人一定量 的气 泡， 为冻融过程提供足够的体积余量 ， 从而降低各 种压力作用 ， 达到混凝土不开裂破坏 的 目的。这种 方法的核心是确定引入气泡 的量 ，以及使气泡均 匀分析在混凝土内。引入气泡对混凝土强度有一 定影 响 ， 气泡量少时对强度影 响有 限。因此 ， 需要 在保证混凝土强度和保证抗冻效果之前做出适当 平衡 。 除了引气技术外 ， 还可以通过降低混凝土的水 灰比， 从而使混凝土更加“ 密实” ， 渗水通道更少 ， 吸性性更小 ，从而降低冻融过程中各种压力的作 用， 提高混凝土抗冻性能。 3 1 2 提高混凝土强度 采用高标号混凝土可以直接提高混凝土强度， 从而达到提高混凝土抗冻融性能的目的。但研究 表 明， 要使混凝土具备较好 的抗冻性能 ， 混凝土抗 压强度需高于 8 0 MP a tz 。 高强混凝土的价格较常规 混凝土高的多， 机场混凝土用量非常大 ， 大量采用 高强混凝土会大大提高机场工程造价 ，并不适合 我 国国情 。 3 2 使用 阶段的预防策略 道面建好投入使用， 在道面尚未出现冻融病害 时，可以采取一些预防措施来提高道面的抗冻融 性能。 近年来 出现 了一种新兴 混凝 土养护材料 水泥混凝土养护剂。养护剂是液体， 通过涂抹在混 凝土表层，可沿表层渗水通道渗入混凝土内的孔 隙和微裂缝 ，在混凝 土内的微孔 隙的内壁形成薄 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 1 0 月第 1 0 期 城 市道桥 与防洪 道路交通4 1 膜 ， 达到防水效果 。这种材料的实质是通过填充混 凝土表层渗水通道 ， 减少了水的渗入， 从而消除了 冻融问题。这种材料从机理来说是完全可行的， 近 些年 的应用效 果也 非常好。 目前 主要 的问题是成 本较高 。要处 理一个 中型机场所有混凝 土道面 ， 成 本在 1 0 0 0万元左右 。 3 3 使 用阶段的处置策略 道面一旦 出现冻融病 害很难 处置 。个别可 以 通过补丁方式处置， 但冻融病害往往具有普遍性 ， 范围和数量都非常大，显然无法通过补丁的方法 全部处置。目前国内许多机场的做法是前期放任 不管， 局部损坏严重则用补丁修补 ， 待到大面积损 坏严重时进行加铺或翻修来处置。这种做法造成 很大的资金浪费，但也从侧面反映出冻融病害的 难 以处置和危害大 的特点 。从现有道 面维 护技术 来看 ，对于 出现 的冻融病害也缺乏更有效 的处置 手段。 因此 ， 要提高机场道面混凝土的抗冻性能 ， 最 佳方法是道面结构设计时加以考虑 ，在使用过程 中一旦 出现冻融病害则很难处置 。 4结语 ( 1 ) 根据冻融病 害的表观特征和成 因的不 同 ， 将冻融病害划分为普通冻融损坏和盐冻剥蚀损坏 两种 。 ( 2 ) 针对普通冻融损坏和盐冻剥蚀损坏两种病 害损坏模式， 分析了各自的成因机理。其中普通冻 融损坏主要是受膨胀压力 、静水 压力和渗透压力 三种作用力所致 ；盐冻剥蚀损坏 主要是 由于盐的 吸水特性， 增加了混凝土饱水的机会和程度， 加剧 了冻融循环的破坏作用。 ( 3 ) 分别从设计和维护角度提出了提高机场混 凝土道面抗冻性能的方法。在设计阶段 ， 可以采用 选用 高强度水 泥和混凝 土引气技 术两种方法 ； 在 维护 阶段 ，可 以采用在道面表层 涂抹水泥混凝土 养护剂的方法。不同方法有各 自的优缺点， 其中混 凝土引气技术是最适合 目前我国国情的方法。 参考文献 【 1 】 MHT 5 0 0 4 2 0 1 0， 民用 机场水 泥混凝 土道 面设计规范 【 S 】 【 2 1 M P i g e o n ，RP l e a u D u r a b i l i t y o f C o n c t e i n C o l d C l i ma t e s E&F NS P ON1 9 9 5 3 】 英】 悉尼 明德斯 ， 【 美】 J 弗朗西斯科 扬 著方秋清， 等译 混凝土 M 】 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 8 9 【 4 姚祖康 铺面工程【 M 】 上海 ： 同济大学出版社 ， 2 0 0 1 【 5 】A M 内维 尔著 李 国 沣 ， 马贞 勇译 混凝 土的性 能【 M】 北 京 ： 中 国建筑工业 出版社 ， 1 9 9 3 【 6 】 杨全兵 ， 吴学礼 ， 黄士元 去冰盐引起的混凝土盐冻剥蚀破坏 J l 上海建材学院学报 。 1 9 9 1 ， ( 4 ) ： 3 4 1 3 4 6 渝北同茂隧道打通通车后驾车空港新城 5分钟到机场 近 日， 连接重 庆渝北 区空港新城 、 江北机场和两路城区的全长 8 7 5 m的同茂隧道左线隧洞胜利打通 ， 全 长 8 8 7 m的右线隧洞也将 于两个 月后打通 ， 届 时 ， 从 空港新城驾 车前 往江北机 场 ， 仅需要 5 m i n的时 间。 同茂隧道是同茂大道的重要组成部分， 左线隧洞长 8 7 5 m， 右线隧洞长 8 8 7 m， 设计标准为城市主干 道 I 级 ， 双 向 6车道 。 同茂隧道施工周围靠近两路老城区， 为了保证施工安全 ， 爆破作业的方式被施工方淘汰， 全线是通过 机械凿打的方式作业， 每天单洞单向进尺仅有 0 8 m， 这也给施工带来难度， 光左线隧洞打通 ， 前后就花了 1 年多 。 同茂大道通车后 ， 江北国际机场、 两路老城区将实现穿越同茂隧道而快速抵达重庆中央公园和重庆 国博中心。与此同时， 从江北机场到重庆国博中心的路程将缩短至 1 0 k m， 车程将缩短至大约 8 m i n ， 从空 港新城前往机场 ， 可以直接穿同贸隧道到达 ， 只需要 5 mi n 。 此外， 为了使同茂大道与机场连接 ， 完善道路交通功能， 3 车道的同茂大道左、 右线隧洞分别分离出 1 个车道， 汇合成机场隧道 ， 与机场立交改造工程中的机场隧道连接 ， 实现了同茂大道与机场的快速交通功 能 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m