一种机场道面薄层修复材料配比方案

程国勇，杨依恒

（中国民航大学机场学院，天津 300300）

目前，中国民航机场跑道建设绝大多数采用水泥混凝土道面结构类型，其存在孔洞、表层开裂起皮、摩擦系数下降等面层病害。此外，由于机场道面粘胶情况严重，高压水枪等除胶作业又易造成面层纹理磨损、面层破碎，多次除胶后道面摩擦系数不仅难以提高甚至会缩短其寿命。对于面层性能缺陷，一般采用聚合物砂浆修补措施，严重时进行整板置换或全道面加铺沥青层，其缺点在于施工和养护周期长、成本大、砂浆修补和沥青加铺层存在新旧混凝土之间界面薄弱、结合性差的问题。因此，对水泥混凝土道面表面性能的恢复是机场场务管理中存在的难题。

机场跑道修补料相关系统性研究较少，但在公路工程快速修补材料研究方面，何建杰[1]针对TF 系列水泥混凝土快速修补剂进行了全面研究，并将其用于成都市三环路修补工程。申爱琴[2]以普通水泥作为基质材料，用聚合物和高效减水剂作为主要改性剂，开发出新型水泥路面微裂缝修补材料，室内试验表明，该修补材料可满足路用性能要求。Wong 等[3]测试了苯乙烯-丙烯酸酯共聚物对水泥砂浆的动弹模量、冲击韧性和磨耗性能等影响，提供了水泥砂浆的改性思路。上述学者通过改性水泥混凝土作为修补材料，而水泥砂浆类修补材料的缺陷在于界面处理困难。同时，由于机场跑道飞机荷载较大，普通水泥砂浆修补料难以满足实际需要，且处理后存在二次破坏情况。因此应考虑其他高性能材料作为修补材料。

为防护混凝土构筑物面层损伤，陈韬等[4]提出，在海工混凝土结构建筑中采用涂层技术，主要采用成膜型涂料，该涂料技术成熟、施工简单，能有效保护混凝土面层损伤。在道路整治方面，环氧树脂抗滑磨耗层已在实际工程中得到应用，其具有路面厚度增加少、抗滑性能及高温稳定性好、降噪性能显著的优点。李龙[5]通过对单一填料和复合填料的薄层性能研究，提出复合填料应采用玻璃纤维、云母、氧化钛（TiO2），确定了抗冲击能力最佳的配比方案。基于其他领域高性能薄层材料的先例，结合机场道面实际病害情况，特种薄层材料能够为延缓道面使用寿命，改善和修复表面损伤做出贡献[6-12]。同时，水泥混凝土面层损伤处采用薄层修补技术在机场道面修复领域缺乏试验论证。薄层材料的选材以及各项性能均需进一步试验探究。针对机场跑道面层评价标准，开展摩擦系数试验、冲击强度试验、材料磨耗试验、耐久性试验，以论证薄层修补材料的最佳配比方案。

1 材料配比与试样制备

1.1 材料选择

1）基料

以环氧树脂作为薄层材料基料，其优点在于能够与多种不同结构类型的环氧树脂固化剂发生化学反应，同时又能保留其黏结强度高、耐磨性能好、收缩率低、力学性能优良和化学性能稳定等特性，并与水泥混凝土道面形成较强的黏结结构。

选择4 种不同配方的填料，以市场常见的环氧树脂（环氧值0.44）为基料、聚酰胺树脂作为固化剂，相对分子质量为60，固化条件为常温下2 h，紫外线照射固化时间1 h。环氧树脂技术参数如表1 所示。

表1 环氧树脂技术参数Tab.1 Technical parameters of epoxy resin

2）填料

由于填料存在基体屈服效应和两相界面效应，涂层受冲击区域内部会产生大量微裂纹和银纹。因此填料尺寸越小，其颗粒比表面积就越大，涂层的抗冲击效果越好。填料尺寸选择如表2 所示。

表2 填料特性Tab.2 Filler characteristics

李龙[5]通过填料甲板用环氧树脂的抗冲击性能试验得出，在填料冲击强度试验中抗冲击性能最优的复合填料配方为3%纳米TiO2+15%玻璃纤维+10%云母AM606。将此配方填料加入到环氧树脂体系中，其最大冲击高度可达到1.5 m，不同配比的填料对薄层性能影响不同。

3）溶剂

目前，市场上环氧树脂的常见溶剂为丁醇、石脑油、二甲苯、乙二醇甲基醚或其混合物。溶剂可以加快基料和填料的分散，使填料能充分与环氧树脂和聚酰胺树脂接触，提高填料分布的均匀性。

1.2 试验配比

试验填料配比如表3 所示。

表3 填料配比值Tab.3 Filler ratio

1.3 试样制备

制作水泥混凝土板块，尺寸为150 mm×150 mm×50 mm，按机场道面设计规范，混凝土水灰比为0.45，标准养护条件养护28 天。每组成分制作4 块混凝土板，另取一组做空白对照试验。

薄层试验配比，用天平称取质量相等的4 组配比填料。环氧树脂和聚酰胺树脂按1 ∶1 制备，用高速搅拌机搅拌，将搅拌均匀的薄层材料按照厚度5 cm 均匀加铺在混凝土道面板上，自然晾干3 h。薄层加铺过程如图1 所示。

图1 薄层加铺示意图Fig.1 Schematic diagram of thin layer overlay

2 性能试验及数据分析

2.1 摩擦系数试验

采用摆式摩擦系数仪（BM—III 型摆式仪），按操作规程对4 组不同配比的混凝土试样进行测试。此外，将未覆盖薄层的混凝土试块设置为参照组，得到摩擦系数（BPN,British pendulum number）值，每组测试5 次，试验结果如图1 所示。

图2 BPN 试验结果Fig.2 BPN test results

由试验结果可知，在混凝土道面板上加铺薄层的第1 组、第2 组、第3 组的摩擦系数分别比参照组提高27%、16%、14%，第4 组值低于参照组。对比4 组配比方案的成分，加入玻璃纤维的填料组能较好地提高道面摩擦性能，该种材料可作为提高道面摩擦性能的修补材料。其中第1 组配比方案的薄层修补效果最佳。利用薄层修补材料改善道面抗滑性能具有一定的可行性。

2.2 抗冲击试验

采用落锤式冲击强度试验，重锤从不同高度落到试样上，求取落下高度与试样破坏率的关系。采取试块破坏率为50%、100%下落高度，衡量试样的抗冲击能力。试验落锤质量选用3.5 kg，在30～200 cm 的不同高度，每10 cm 测试其破坏率，试验结果表4 所示。

表4 冲击强度试验结果Tab.4 Impact strength test results

由试验结果可知，添加薄层修补料的试块均比参照组抗冲击强度高，各组相比参照组分别提高140%、320%、100%、260%。同时，第2 组试验结果最佳，主要在于填料中加入了金属氧化锆（ZrO2），该种金属氧化物特性硬度大、耐磨性高。试验表明：环氧树脂基料添加金属氧化物能够提高道面面层的抗冲击性能和面层稳定性，为机场跑道道面经受机轮的高强度冲击提供有效帮助，尤其在跑道接地处能够减缓飞机对跑道面层的冲击损伤。

2.3 材料磨耗试验

对混凝土试块（拉毛处理）进行加速磨耗仪试验。加速磨耗仪采用功率1.5 kW 的电机，转速为5 000 r/h。通过增减荷载盘数来模拟不同荷载作用下道面的磨耗程度，加速磨耗试验仪采用聚氨酯轮胎，轮胎宽度为15 mm，直径为200 mm，邵氏硬度为70～75 A，轮胎的平均胎压为0.7 MPa。在进行多组不同荷载、不同作用次数试验后，采用手工铺砂法测定试验板表面构造深度值，并以其为衡量指标，即

其中：TD 为试验板表面构造深度（mm）；V 为砂的体积（cm3）；D 为摊平砂平均直径（mm）。

图3 4 组配比TD 试验结果Fig.3 Four groups of TD test results

在试验过程中，试块磨耗处呈黑色金属光泽。不同配比的磨耗试验结果如图3 所示。对比4 组TD 值可知，在起始值不同的情况下，随着作用次数的增加，累计磨耗损失量增大。参照组未经荷载下的TD 值为0.73 mm，4 组TD 值中，第1、2、4 组在不同荷载下均大于参照组，因填料中金属氧化物掺量较高，氧化钛、氧化锆耐磨性能较强，增强了薄层修补材料的抗磨耗性。第3 组在4 kg 时，荷载作用次数最多情况下TD值最小，修补料累计损失量最多，该组配比中金属氧化物的掺量较少，云母粉和金刚砂掺量较高，因而耐磨性减弱。第2 组配比方案的耐磨性最佳，且在荷载增加均匀的情况下，TD 值下降均匀。试验表明添加金属氧化物的薄层修补材料能够增强道面面层的抗磨耗性能，作为机场跑道的修补材料具有可行性。

2.4 耐久性试验

对每组混凝土试验板分别进行高温试验和低温环境下冻融试验。

高温试验将试样放入烘箱中，模拟道面在高温环境下的自然条件，温度控制在70 ～150 ℃范围内。与BPN试验结果比较，测得高温试验下1～4 组的BPN 均值分别下降2%、1.5%、1%、4%，质量损失均值小于1%，抗冲击强度均值分别下降0.5%、0.8%、1%、0.7%。这表明4 组配比方案的薄层修补材料在高温环境下，能够维持性能稳定，在暖季场，跑道面层的修补具有可行性。

冻融循环试验将试样放置在冻融箱内，每次冻融在3 h 内完成，冻融温度控制在-17 ℃，将冻融循环次数分别为50 次、100次、150 次、200 次、250 次的试样从冻融机内取出，擦干表面。冻融试验下1～4 组的BPN 均值较摩擦系数试验结果分别下降0.22%、0.37%、0.44%、0.52%、0.56%，抗冲击强度均值分别下降0.07%、0.18%、0.16%、0.27%、0.35%。冻融结果表明该材料抗冻性能强，可用于寒冷地区机场道面，试验结果如表5 所示。

表5 冻融试验结果Tab.5 Freeze-thaw test results

上述高温试验和冻融试验表明，这4 组配比方案的薄层修补材料耐久性能较好，在实际机场跑道修补过程中具备适用性。

通过对4 种配比的薄层修补料试验结果综合分析，采用第2 组配比的薄层材料，在抗摩擦性能、抗冲击性能、磨耗性、耐久性方面性能均较为优异。在环氧树脂中添加特种成分的修补材料能够为机场跑道的修补材料配比使用提供新思路。

3 结语

薄层修复材料有望在机场道面修复中起积极作用。以金属氧化物粉末作为主要填料，环氧树脂为基料，聚酰胺树脂作为固化剂，按一定配比制备试验所需的薄层修补材料。在相关道面试验中，其性能表现良好，在抗冲击性、耐摩擦性、粘接力、抗老化性能等方面有较强优势，且凝固时间短，能够应用于机场跑道的道面损伤修复，可提高道面使用寿命，对于全道面加铺薄层材料，预防道面面层受损具有借鉴意义。后续研究将进一步探索多样化的机场道面薄层修复材料配比方案，以适应不同工况。