工程材料拦阻系统核心泡沫混凝土劣化规律及外防水性能提升

曾志军 ，徐文 ，2，穆松 ，石亮 ，谢德擎

(1.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210000；2.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏省建筑科学研究院有限公司，江苏 南京 210008；3.江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏 南京 211103

0 引 言

针对跑道末端安全区域长度不足的机场，在机场末端安装较短的工程材料拦阻系统(Engineered Material Arresting System，EMAS)可大幅提升飞机降落的安全指数。EMAS 作用原理是利用黏土、细砂、砾石或泡沫等易压缩变形材料作为压溃吸能材料，逐渐迫使意外冲出跑道的飞机降速并停止。经过大量研究，最新一代EMAS 选用压溃强度可调控、长期稳定的泡沫混凝土作为压溃吸能材料。国内外学者重点关注完善飞机制动过程理论[1]与有限元模型[2]，用于计算特定EMAS 对特定机型在各种参数条件下冲出跑道时的拦停距离；或开展真机冲停试验[3]或机轮仿真试验[4]，均侧重于研究获取EMAS 核心泡沫混凝土的最佳应力-溃缩过程，指导EMAS 的制备。截至2010 年1 月，美国在35 个机场安装了51 套EMAS，截止2018 年4 月，至少拦停了 12 架冲出跑道的飞机[5]。2012 年，我国首次在云南腾冲机场铺装了EMAS[6]。

随着“一带一路”建设及海洋开发的逐步推进，EMAS 拦阻系统应用于滨海(岛屿)机场需求迫切，因所处位置频受强降雨、甚至台风引起海浪作用，迫使EMAS 的核心泡沫混凝土将承受雨水(海水)长期浸泡或周期性干湿作用。但EMAS极少应用在该环境中，核心泡沫混凝土的耐海水侵蚀劣化性能很少受到关注。本文系统研究EMAS 单元体中泡沫混凝土在清水、模拟海水与干湿循环制度中吸水率、形变与压溃强度的变化规律，获取压溃强度衰减规律，并提出结合实际工况的服役寿命计算方法。此外，通过涂刷有机硅外防水材料，研究并评价在该环境中的提升效果。

1 试 验

1.1 EMAS 核心泡沫混凝土

1.1.1 原材料

胶凝材料：P·Ⅱ52.5R 硅酸盐水泥，28 d 抗压强度为60.1 MPa，比表面积为 385 m2/kg；调凝剂：R·SAC42.5 硫铝酸盐水泥，28 d 抗压强度为50.2 MPa，比表面积为352 m2/kg，初凝、终凝时间分别为35、66 min；无机掺合料：白云石粉，325 目标准筛通过率为99.5%；水：自来水；发泡剂：双氧水，浓度为35%；稳泡剂：硬脂酸钙，纯度为99.3%，密度为1080 kg/m3，比表面积为615 m2/kg；减水剂：聚羧酸醚类聚合物，固含量为20%，减水率为27%。

1.1.2 试验配合比

核心泡沫混凝土取自LANZU-1 型EMAS 单元体。其配合比为m(胶凝材料)∶m(无机掺合料)∶m(水)∶m(发泡剂)∶m(调凝剂)∶m(稳泡剂)∶m(减水剂)=100∶80∶82.8∶9.5∶9.0∶12.6∶0.59。将单元体切割成不同尺寸的小试块，如边长为100 mm立方体试块等，以便于系统研究各项性能的劣化规律。

1.2 外防水材料

EMAS 核心泡沫混凝土是一种多孔材料、压溃强度较低，因此采用有机硅涂料，保证混凝土表面较强粘结力及良好的弹性。其主要参数为：黏度16 s，表面硫化时间11 min，固含量33.0%，遮盖力336 g/m2，实干时间20 h。试验中外防水材料用量为(380±20)g/m2。

1.3 试验制度

本文关注工程中EMAS 所铺设位置濒临海边，相对标高较低，经常受强降雨或台风海浪作用，雨水或海水通过排水管道倒灌入EMAS 内。根据作用时长，可以将其核心泡沫混凝土的侵蚀机制近似为雨水(海水)全浸泡、干湿循环。结合周边海水温度约30 ℃，海水主要组成约为3.5%NaCl 与0.5%Na2SO4，并考虑浓度加速，共设计了3 种侵蚀制度，如表1 所示。

表1 EMAS 核心泡沫混凝土性能劣化评价用试验制度

1.4 测试方法

吸水率测试：泡沫混凝土吸水软化易导致强度损失，切割选取边长为100 mm 立方体试块，测试不同侵蚀龄期时的质量，将质量增幅与初始质量的比值作为吸水率。

形变测试：体积稳定性是EMAS 的重要指标之一，采用ISOBY-354 型混凝土比长仪，定期测试100 mm×100 mm×330 mm 全浸泡试块的长度，计算长度变化及其与初始长度的比值。

压溃强度及降幅：核心泡沫混凝土的应力压溃曲线是影响飞机拦停距离的关键，压溃强度是量化表征该曲线的核心参数，本文参照MH/T 5111—2015《特性材料拦阻系统》测试获取应力-压溃度曲线，并且以溃缩段的平均值作为压溃强度。测试不同侵蚀龄期时试块的压溃强度均值，计算降低幅度。

2 结果与分析

2.1 泡沫混凝土的表观密度

从EMAS 单元体随机选取10 个100 mm 立方体试块，测试其表观密度，涂刷外防水材料后再次测试，如图1 所示。

图1 泡沫混凝土的表观密度

由图1 可见，统计涂刷前后泡沫混凝土的表观密度均值分别为239.9、264.0 kg/m3，标准差分别为 11.0、12.2 kg/m3。单个立方体试块质量增大约24.2 g，外防水材料用量为400 g/m2。

2.2 侵蚀制度与外防水措施对吸水率的影响

2 种泡沫混凝土(普通与涂刷外防水涂层的混凝土)在3种制度中侵蚀不同时间的吸水率如图2 所示，普通与外防水泡沫混凝土分别进行了180 d、120 d 试验。

图2 侵蚀制度与外防水措施对吸水率的影响

由图2(a)可以看出，普通泡沫混凝土浸泡在30 ℃清水与30 ℃模拟海水中，吸水率的发展规律几乎一致，120 d 内吸水率随时间的延长几乎呈线性增大规律，120 d 后吸水率稳定在350%左右。干湿循环制度下的吸水率发展趋向一致，但吸水率绝对值高于模拟海水全浸泡制度。分析认为，干湿制度导致盐分不断在混凝土内富集。由图2(b)可以看出，外防水泡沫混凝土浸泡在30 ℃清水与30 ℃模拟海水中的吸水率依旧成线性增大，相比于未做外防水时，达到相同吸水率时延缓了约30 d；但干湿循环制度下，侵蚀120 d 的吸水率仅为61.5%。分析认为，泡沫混凝土强度低、多孔、表面缺陷多，采用的防水材料不能做到完全密封，但抵抗实际偶发降雨依旧效果明显。

2.3 侵蚀制度对普通泡沫混凝土形变的影响(见图3)

图3 侵蚀制度对普通泡沫混凝土形变的影响

由图3 可以看出，泡沫混凝土浸泡在清水与模拟海水中均发生了膨胀、且膨胀历程几乎一致，浸泡60 d 后的微应变稳定在1000 με 左右。分析认为：在EMAS 单元体制成前，泡沫混凝土已经得到充分的养护，其自身已经发生了早期自收缩与干燥收缩；浸泡溶液前，泡沫混凝土内孔隙多处于紧缩状态，当吸入水分(盐水)时，孔隙逐渐进入饱水状态，致使整体发生膨胀；水中盐分的存在对溶液黏度的影响不大，吸水率演变过程未受明显影响，致使混凝土形变过程几乎一致。

2.4 侵蚀制度与外防水措施对压溃强度的影响

EMAS 依靠核心泡沫混凝土压溃吸能拦停飞机，压溃强度是其关键指标，压溃强度长期稳定在设计范围内是保障EMAS 性能可靠、持续有效的前提。某单元中5 个涂刷外防水材料泡沫混凝土试块的应力-压溃度曲线见图4 所示。主要包括初始段、溃缩段(平台段)和压实段。

图4 外防水泡沫混凝土的应力-压溃度曲线

由图4 可以看出，5 个平行试块的压溃强度分别为0.351、0.323、0.265、0.324、0.293 MPa，平均值为 0.311 MPa，标准差为0.03 MPa，变异系数为9.52%。

普通泡沫混凝土与涂刷外防水涂层泡沫混凝土在3 种制度中侵蚀不同时间时的压溃强度见表2。

表2 泡沫混凝土在不同制度下的压溃强度 MPa

由表2 可知，普通泡沫混凝土与涂刷外防水涂层泡沫混凝土的初始压溃强度分别为0.286、0.311 MPa。由于先后共使用了2 个EMAS 单元体的试块分布进行不同制度的试验，利用压溃强度降低幅度进行横向对比，如图5 所示。

图5 侵蚀制度与外防水措施对压溃强度的影响

由图5(a)可见，普通泡沫混凝土在3 种制度中，压溃强度均呈现降低现象，在清水、模拟海水及干湿循环制度中侵蚀180 d，压溃强度分别降低了15.7%、23.8%及74.1%。分析认为，采用P·Ⅱ52.5R 水泥作为胶凝材料时具有较强的耐水性能，强度损伤主要源于钙溶蚀作用，溶液中氯盐与硫酸盐加速了强度损伤速率，干湿循环作用一方面吸水膨胀、干燥收缩引起了基体损伤；另一方面，内部盐分浓缩加速腐蚀。从图5(b)可以看出，涂刷外防水材料后，3 种制度下侵蚀120 d 压溃强度分别降低了7.4%、12.5%及8.7%。涂刷外防水材料后，干湿循环制度中侵蚀120 d 时，压溃强度降幅远小于未做防水处理时降幅(53.7%)。可见外防水涂层起到了十分积极的作用。

2.5 基于压溃强度的服役寿命计算

对图5 中数据进行拟合，获取普通泡沫混凝土及外防水泡沫混凝土的压溃强度降幅拟合公式及拟合度，如表3 所示。由于EMAS 单元体核心泡沫混凝土的应力-压溃度曲线是影响飞机拦停距离的关键，压溃强度是量化应力压溃性能曲线的关键参数之一。因此，本文选择压溃强度作为泡沫混凝土耐久性评价指标。结合实际服役环境参数、压溃强度降幅量化规律与可接受最大降幅，预测EMAS 系统有效服役寿命。假设：保证有效拦停距离时，EMAS 核心泡沫混凝土压溃强度最大降幅为30%；所处位置平均强降雨(＞50 mm/24 h)时间为15 d/年；由台风等引起海水作用时间10 d/年。根据表3 中压溃强度降幅公式计算各工况条件下的最大服役年限。

表3 某工况下服役的服役年限计算

由表3 可见，若EMAS 核心泡沫混凝土未涂刷外防水材料，3 个代表性制度中服役时间分别为 21.5、21.0、6.9 年，EMAS 整体服役寿命取最小值为6.9 年；若EMAS 核心泡沫混凝土涂刷外防水材料，3 个代表性制度中服役时间分别为29.9、34.8、48.4 年，EMAS 整体服役寿命取最小值为 29.9 年。可见涂刷外防水材料对于提升服役寿命效果显著。

2.6 泡沫混凝土微观结构

利用扫描电子显微镜观测普通泡沫混凝土与外防水泡沫混凝土的外表面形貌，如图6 所示。

图6 泡沫混凝土的外表面形貌

由图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，并且部分孔隙相互连通，导致长期浸泡状态下吸水率快速增大；干湿循环作用下，孔壁吸水膨胀、干燥收缩产生更多缺陷，加速吸水并导致压溃强度加速降低。涂刷外防水材料后表面密封效果显著提高，但仍存在局部涂刷密封不到位、移动过程完整性破坏的现象，导致全浸泡条件下仍存在大量吸水的现象，但干湿循环作用下的吸水率及压溃强度降低均得到大幅抑制。

3 结 语

(1)EMAS 核心泡沫混凝土初始平均压溃强度为0.286 MPa，表观密度为239.9 kg/m3，涂刷外防水材料后初始平均压溃强度为0.311 MPa，外防水材料用量为400 g/m2。未做防水处理时，全浸泡与干湿循环制度下，吸水率均快速增大，120 d后稳定在350%左右；采用外防水措施后，干湿循环制度下的吸水率快速增大的现象得到显著抑制。

(2)核心泡沫混凝土耐海水侵蚀性能较差，在30 ℃清水中浸泡180 d，压溃强度降低了15.7%，而模拟海水及干湿循环制度中则分别降低了23.8%与74.1%。海水中氯盐、硫酸盐可加速基体钙溶蚀；干湿循环则导致盐分浓缩加速钙溶蚀，同时基体吸水膨胀、干燥收缩引起物理损伤。

(3)采用外防水措施后，干湿循环制度中侵蚀120 d 压溃强度仅降低了8.7%，远小于未做防水处理时53.7%的降幅。针对某特定服役工况，涂刷外防水材料后，服役寿命从6.9 年提升至29.9 年。扫描电子显微照片显示，未涂刷外防水材料时，泡沫混凝土表面存在诸多连通孔；涂刷外防水材料时表面密封效果显著提升。