水泥混凝土路面锈色斑块病害机理分析与防治措施

孙忠金

(民航机场规划设计研究总院有限公司东北分公司 沈阳市 110000)

0 引言

近期在某沿海机场出现了锈色斑块病害，根据锈色斑块的大小以及发展程度，分为初期、中期、后期三类：初期时多呈现锈色裂缝并轻微凸起的状态，此时砂浆层表面较为坚硬，未见明显脱落；中期表现形式为裂缝进一步扩大，浆层轻微脱落，受外力砂浆层即剥落；后期时砂浆层完全脱落，形成大小不一的锈色凹坑。三种状态如图1所示。锈色斑块主要分布于航站区道路以及巡场路上，并且有进一步扩大的趋势。这些锈色斑块使道面表面松散，砂浆层极易脱落，从而造成FOD风险，对机场运行产生安全隐患。

图1 锈色斑块状态

该机场出现的不明锈色斑块在国内外尚无资料记载，为一种在水泥路面中首次出现的大规模、持续扩散的表面病害。目前针对出现的锈色斑块非结构性病害持续发展情况，多采用快速修复材料对破损的区块进行修复。此方法只能对表现出破坏现象的区域进行修复，但是修复后通常几个月后又出现修复材料脱落的情况，而且不能抑制锈色斑块的进一步产生和发展。因此，针对典型的病害区域进行取样研究，通过扫描电镜及能谱分析、X射线衍射分析、劈裂强度试验和冻融循环试验，分析病害的强度和回弹模量，探究病害的成因与机理，并给出经济适用的防治方案。

1 道面病害的成因分析

扫描电镜可以观察纳米粒子的形貌、在基体中的分散情况以及粒径的测量、材料断口分析、镀层表面形貌分析和深度检测、微区化学成分分析及显微组织及超微尺寸材料的研究等分析应用[1]。能谱分析采用特征X射线分析法，在扫描电镜的基础上可以进一步分析材料微区成分元素种类和含量。X射线衍射分析可以利用X射线在晶体物质中的衍射效应对物质结构进行分析[2]。

从锈色斑块区域进行钻芯，用铁锤破碎后将锈色斑块取出，如图2所示。斑块按照颜色可分为正常色、绿色、红色及黄色，其中黄色接近于粉化的状态。

图2 锈色斑块芯样

1.1 扫描电镜与能谱分析

将正常块、绿色块、红色块及黄色块分别在扫描电镜下进行观察，其不同区域的能谱分析结果如表1所示。

通过对比正常区域、绿色区域、红色区域及黄色区域的能谱结果可以看出，正常区域的铁含量最低、绿色区域次之、红色区域再次之，黄色区域的铁含量最高。正常区域与绿色区域的钙含量较高，红色区域的钙含量较低、黄色区域的钙含量最低。从扫描电镜图片可以看出，黄色区域的腐蚀比较严重，结构比较松散。因此可以认为，铁含量较高的区域最容易受到腐蚀生成结构比较松散的产物。

1.2 X射线衍射分析

巡场路重腐蚀及正常区域的X射线衍射图谱分别如图3及图4所示。对图3及图4分析得知，锈色斑块与正常区域的主要物相组成均为石英、方解石、钾长石以及钙长石。锈色斑块区域的X射线衍射图谱在d=8.3233处出现了一个明显的衍射峰，这是透闪石(Ca2(Mg, Fe)5(Si4O11)2(OH)2)与阳起石(Na2Ca4(Mg, Fe)10[(OH)2O2Si16O44])的衍射峰，透闪石与阳起石中均含有铁元素[3]。这可能是由于腐蚀区域的铁含量较高，与水泥水化产物发生反应生成的。

表1 重腐蚀不同区域的能谱元素分析 %

1.3 道面病害形成机理分析

根据扫描电镜能谱仪分析及X射线衍射分析可以知道该机场的锈色斑块实际为铁相氧化物，根据氧化程度从轻至重呈现出浅绿、红色和黄色不同颜色。铁相氧化物需要铁相、水分及空气同时存在的情况下得以生成，三者缺一不可，因此，斑块多发生在路面存在微裂缝的表面，水分和空气通过微裂缝进入基体，与铁相发生氧化反应，生成膨胀性的氧化亚铁化合物，此时呈现出浅绿的色泽，体积膨胀导致道面表观微裂缝进一步扩大，水分及空气更为充裕的进入基体，与铁相的反应大幅加剧，生成膨胀性更大的铁氧化物，呈现出红色及黄色的色泽，体积膨胀导致砂浆层的脱落，随着砂浆层的脱落水分及空气可以更好与铁相反应，造成持续性的破损。

锈色斑块的形成与混凝土基体内存在的铁相元素有直接的因果关系，混凝土中铁元素主要有三方面的来源：水泥、粗骨料及细骨料。水泥及细骨料在混凝土中分布较为均质，若由水泥及细骨料引起的铁相锈蚀分布将更为广泛与无规则，但根据实际现场取样结果来看，锈色斑块主要在粗骨料周围，甚至严重锈色斑块区域出现了粗骨料脱离掉落形成较大凹坑的情况，因此，可以基本推测由于粗骨料的铁相离子与水、空气反应生成的氧化导致锈色斑块的产生。

图3 巡场路重腐蚀区域的X射线衍射图谱

图4 巡场路正常区域的X射线衍射图谱

2 路面病害处的性能分析

2.1 路面病害对力学性能的影响

机场水泥路面的强度控制指标是抗折强度，采用钻芯劈裂强度换算成抗折强度来代替，通过测定芯样的劈裂抗拉强度，作为评定混凝土结构性能的主要指标。将钻芯所取试样进行劈裂强度测试，结果如表2所示。

表2 钻芯强度测试结果

由表2可知，出现锈色斑状病害的巡场路弯拉强度平均为4.78MPa，弯拉回弹模量平均为34091MPa，弯拉强度已不满足5MPa的要求，且回弹模量也呈现了降低的趋势，说明内部已出现较为松散的区域。出现锈色斑块病害的航站区道路区域弯拉强度平均为5.08MPa，弯拉回弹模量平均为35536MPa，也出现了强度降低的情况，说明锈色斑块病害对道面强度和回弹模量有较大的影响。

2.2 路面病害对抗盐冻耐久性的影响

锈色斑块病害出现在路面表面，伴随着裂缝、鼓包及砂浆层剥落等情况，直接影响了路面表层状态，使水、盐溶液等更容易渗透进路面基体，将会对路面的表面抗盐冻性能产生较大影响[4]。对巡场路区域进行了钻芯后表层的抗盐冻性能测试，溶液为4%道面除冰盐，温度为-20～20℃之间，每10次循环后观察道面表层状态如图5所示。

图5 巡场路区域除冰盐冻融循环试验

可以发现，病害的巡场路道面极易出现除冰盐冻融破坏，甚至10次除冰盐冻融循环后，表面的砂浆层已完全脱落，裸露出粗骨料，用手触摸发现表面已成很松散的状态，已出现非常严重的破坏。20次盐冻循环后已完全散解，结构已完全破坏。这主要是因为病害使得混凝土表面较为疏松，除冰盐溶液更易渗透进混凝土基体，在冻胀的作用下，迅速发生破坏。

3 路面病害防治措施

对于病害区域，采取表层切割和涂刷防水、增粘涂层并使用快速修复材料进行修复的措施进行处治。同时为了防止其它区域产生病害，在机场路面的其它区域涂刷纳米防护涂层，使水和空气无法与混凝土中的铁相接触，避免氧化物的生成。所选用的材料应满足粘结性能、抗渗性能、抗盐冻性能的要求，并且具有较高的摩擦系数。

3.1 初期病害快速修复

锈色斑块初期表现形式为锈色裂缝并轻微凸起，此时水分及空气接触到铁相后进行氧化，生成的氧化物较少，此时应对裂缝进行有效封闭，隔绝水分及空气，使铁相无法继续氧化反应。

针对较为轻微的初期病害，可采用涂刷高防水、高防护纳米涂层的方法进行修复和预防。针对裂缝较长的初期病害，可以采用水钻钻头对病害区域进行切割，深度为2～3cm，在内壁上涂刷防水、增粘涂层，最后填补快速修复材料进行恢复。

3.2 中期病害快速修复

锈色斑块中期表现形式为裂缝进一步扩大，砂浆层轻微脱落。铁相与砂浆之间的粘接由于氧化物的存在显著降低，砂浆与铁相之间的空隙显著增加，水分及空气更加畅通地与铁相氧化反应，裂化速度显著增加。对于中期病害，首先用水钻进行切割，深度2～3cm，然后内壁涂刷防水、增粘涂层，最后采用快速修复材料进行修补处理。

3.3 后期病害快速修复

锈色斑块后期表现形式为砂浆层完全脱落，粗骨料脱离形成凹坑，凹坑内有肉眼可见黄色粉状铁相氧化物。首先将用水钻进行切割，深度4～5cm，然后内壁涂刷防水、增粘涂层，最后采用快速修复材料进行修补处理。

4 结论

(1) 通过对锈色斑块的区域进行扫描电镜能谱分析及X射线衍射物相分析，发现锈色斑块为铁相氧化物，初步判断为粗骨料引入的铁相。这是由于机场使用年限较久，表面砂浆层出现裂缝，水和空气通过裂缝与铁相接触，并在水和空气的共同作用下铁相氧化生成了膨胀性的铁氧化物。

(2) 锈色斑块产生的铁氧化物降低了路面强度，并且使混凝土内部基体结构松散，降低了混凝土的动弹性模量和抗盐冻性能。

(3)采用锈色斑块区局部修复+纳米涂层预防措施相结合的技术防治方案，能够显著降低修复成本，且可以在不停航的情况下进行修复和预防整治，减小对机场运行的影响。针对已经出现的锈色斑块破损，采用高粘结薄层快速修复手段进行不停航快速修复，薄层快速修复材料应具有优异的粘结性能，并且应具有良好的抗渗性能，防止水分和空气的再次渗入；针对尚未出现锈色斑块的区域，采用高防水、高防护纳米涂层材料进行预防性整治，高防水、高防护纳米涂层材料不仅可以有效阻止水、空气进入基体内部与铁相氧化反应，还能够显著增加路面的摩擦力，提升路面的抗盐冻性能。