除冰剂对机场跑道混凝土抗冻性能影响.pdf

2 0 1 5年 第 2 期 ( 总 第 3 0 4 期 ) N u mb e r 2 i n 2 0 1 5( T o t a l No 3 0 4 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACT【 CAL TECHNOLoGY d o i ： 1 0 。 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 2 0 4 2 除冰剂对机场跑道混凝土抗冻性能影响 陈继超， 李玉香 ， 朱晓燕，郑召， 付玉龙 ( 西南科技大学 四川省非金属复合与功能材料重点实验室 ， 四川 绵阳6 2 1 0 1 0 ) 摘要： 采用单面冻融法， 以试件表面剥落量作为混凝土抗冻性能 的评定参数， 探讨了经不同浓度乙二醇溶液浸泡后 的机场道 面混凝土的抗冻性能。 结果表明， 混凝土经中低浓度乙二醇溶液浸泡后， 冻融破坏严重， 当乙二醇浓度为 3 时， 冻融破坏达最大 值； 通过机场道面混凝土破坏机理分析， 破坏主要受混凝土 中溶液吸人率 、 除冰剂 自结冰膨胀率影响显著。 关键词： 混凝土 ； 除冰剂 ； 乙二醇； 抗冻性 ； 剥落量 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 2 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 1 5 0 0 5 E ffe c t s o f d e i c i n g a g e n t o n f r e e z i n g r e s i s t a n c e o f a i r f ie l d p a v e me n t c o n c r e t e CHEN J i c ha o， LI Yu x i a n g， ZHU Xi a o ya n， ZHENG Zha o，FU Yu l o n g ( Ke y L a b o r a t o r y o f S i c h u a n No n me t a l C o mp o s i t e s a n d F u n c fi o n N Ma t e ri a l s ， S o u t h we s t Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0， C h i n a ) Abs t r a ct ： Th e f r e e z i n g r e s i s t a n c e o f a i r p o r t p a v e me n t c o nc r e t e s wh i c h we r e i mme r s e d i n d i f f e r e n t c o n c e n t r a ti o ns o f e t hy l e n e g l y c o l S O l u ti o n wa s i n v e s tig a t e d b y s i n g l e s i d e f r e e z i n gtha wi n g me tho d， a n d the a mo u n t o f s a mp l e s s c Ni n g wa s r e ga r d e d a s e v a l ua tio n p a r a me t e r s o f t he f r e e z i ngt ha wi n g d u r a b i l i ty o f c o n c r e Re s u l t s s ho w tha t the f r e e z i n gtha wi n g d a ma g e i s t h e ff l O S t s e r i o u s i n l o w s a l t c o n c e n t r a t i o n s， a nd wh e n the c on c e n ffa ti o n o f e t h yl e n e g l y c o l wa s 3 ， f r e e z i ngt h a wi n g d a ma ge r e a c h e s the ma x i mu m ； By the f a i l u r e me c h a n i s m o f a irpor t pa v e me n t c o n c r e t e a na l ys i s ， the d a ma g e wa s s i g ni fic a n t l y a f f e c t e d b y t h e c o nc r e b i b u l o u s r a t e a n d d e i c i n g a ge n t i t s e l f f r e e z i n g i n fla t i o n r a t e Ke y wor ds： c o n c r e ； d e i c i n g a g e n t ； e thyl e n e g l yc o l ； f r e e z i n g r e s i s t a n c e； s c a l i n g 在我国严寒地区 ， 机场跑道冬季常因出现冰雪现象而 影响飞机安全起降 ， 通常措施是在跑道或飞机机身喷洒除 冰剂 以除去冰雪。 但是 ， 被 除冰剂污染 的混凝土道面， 在经 历持续 的冻融循环后不久便会 出现严重表面剥蚀破坏。 很 多新建或扩建的机场 ， 如兰州中川机场 、 沈阳桃仙机场 、 青 海玉树机场 、 乌鲁木齐机场等 ， 在投入使用后仅 过一两个 冬季便出现了道面表面开裂剥落， 骨料暴露等严重破坏现 象 ， 需要投入大量 的人力物 力进行 维修 。 但 是经过进 一 步研究却发现 ： 这些损坏的混凝土仍具有足够 高的强 度 ， 并非 由载荷破 坏造成的 ， 而只是在被 除冰剂 污染过 的 ? 昆 凝 土表面发生 了冻融破坏。 因此研究除冰液对机场混凝 土道面性能的劣化行为具有重要意义。 兵等人 单面冻融法 ， 系统研究 了不同浓度 乙二醇溶液 对机场道面混凝土抗冻性的影响 ， 并以表面剥落量作为混 凝土冻融破坏程度的评定参数 。 1 试 验 1 1 原材料 水泥 ： P O 4 2 5 R 级水泥 ， 物理 力学 性能 列于 表 1 。 细骨料 ： 本 地涪江河 砂 ， 细 度模数 2 8 4 ， 区级 配 ， 中砂 ， 表观 密 度 2 6 5 0 k g m ， 堆 积 密 度 1 6 2 0 k g m ， 含 泥 量 0 9 。 粗 骨 料 ： 江 油 青 莲 采 石 场 碎 石 ， 粒 径 分 别 为 5 1 0 n l l l l ， 1 0 2 0 I l k r n两种级配 ， 表观密度 为 2 7 8 0 k g m ， 堆 积密度 1 4 2 0 k g m 。 减 水剂 ： 采用 ME L F L V X 1 6 4 1 F型聚 羧酸高效减水剂 ， 粉状 ， 减水 率为 2 0 ； 除冰剂 ： 来 自中国 民航总局第二研究所 ， 成分 为乙二醇 ， 为无色透 明黏稠液 本试验以目前常用醇类除冰剂为研究对象， 采用杨全 体。 水： 自来水。 表 1 水泥主要物理力学性能 收稿 日期： 2 0 1 4 0 7 一 1 0 基金 项 目： 四川省教育基金项 目( 1 3 Z A 0 1 5 9 ) 1 5 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 配合 比 设计技术标准 中的方法进行配合比计算 ， 设计抗折强度 参照 G J B 1 5 7 8 1 9 9 2 机场道面水泥混凝土配合比 为4 5 MP a ， 经试配调整后的配合比及力学性能见表2 。 表 2 混凝土配合比及力学性能 1 3试 验 1 _ 3 1 抗冻试件制备 试件制作过程如下 ( 图 1 ) ： 采用边 长为 1 5 0 I n l T l 的立 方体 试 模 ， 中间垂 直 插入 一 片尺 寸与模 具 匹配 ， 厚 度为 2 mm的聚四氟乙烯片 ， 使试模 均分 为两部分 ， 浇筑振动成 型， 带模养护 1 d 脱模后 ， 标 准养 护至 7 d龄期 ， 将试块取 出， 从 中间的聚四氟乙烯片分开 ， 得到两个尺寸为 1 5 0 r n l n x 1 5 0 m m 7 0 mm( 5 mm) 试件 ， 其 中接触 聚四氟 乙烯 片 的面分别作为该块试件 的冻融测试面 。 再将试块置于温度 为( 2 0 2 ) 、 相 对湿度 为 ( 6 5 5 ) 的养 护室 中至 2 5 d 龄期 ， 除测试 面和 与测试面相平 行的顶面外 ， 其 他 四个侧 面均采用环氧树脂进行密封 。 达到 2 8 d龄期后 ， 即进行单 面冻融试验。 环氧 树脂 图 1 试 件制 作流 程示 意 图 1 3 2 冻融试验 将按图 1 制作好 的试块放入图 2所示 的试件盒中 ， 注 入 除冰剂溶液 ， 本试 验测定 的除冰剂 浓度 分别 为 0 、 3 、 5 、 1 0 、 1 5 和 2 5 。 然后将 试件 盒放入 冻融试 验箱 ， 在 (一 2 0 2 ) 的温度下冰冻 8 h ， 然后在( 2 0 2 ) 的温度 下解冻 8 h ， 每4个冻融循环对试件的剥落物， 质量等进行 测量 。 将经抽滤收集到 的剥落 物在 ( 1 1 0 5 ) 的烘箱 中 烘 干至恒重 ， 冷却 后称量剥 落物的质量 ， 并 以单 位面积 的 剥落量表示混凝土抗 冻性能 ， 剥 落量 = 试 件剥 落物质量 试件接触盐溶液 的表 面积。 当冻融循 环次数达到 2 8次冻 融循环 ， 或试件单位表面面积剥落物总质量 大于 1 5 0 0 g i n 2 时 ， 即停止试验。 盖子 混凝土 试件 图 2 试 件盒 示 意 图( 单位 ： mm) 1 3 3 除冰剂结冰膨胀率试验 用一根精度为 0 1 m L， 量程为 2 5 mL的玻璃 管 ， 吸入 初始体积 约大于 2 0 m L的测定溶液 ， 然后下端用特制橡 胶密封 ， 竖直 固定 在 水平 底 座上 ， 然 后放 在 平衡 温 度 为 一 _2 0的冻融箱 中， 通 过定时观 察记 录玻 璃 管中液 面的 刻度变化 ， 即可得 到该 测定液体 冰冻 过程 中 的体 积变化 A V ， 然后再 除以初始体积便得 到溶液结 冰膨胀率 ， 试验装 置如图 3所示 。 图 3除冰液膨胀率试验装置 2结果与讨论 2 1剥 落 量 图4为 混 凝 土 在 浓 度 分 别 为 3 、 5 、 1 0 、 1 5 和 2 5 的乙二醇溶液中在冻融过程 中的剥落量变化。 结 果表 明 ， 混凝土在浓度为 3 、 5 和 1 0 的 乙二醇溶液 中， 随着 冻融次数的增加 ， 剥 落量增加 明显 ， 说 明发 生的冻融破坏 较为严重 ， 而在浓度为 1 5 、 2 5 的 乙二醇溶液 中 ， 试块 剥 落量极少 ， 说 明冻融破坏不显著。 2 5 O O 2 o o o l 5 0 0 血l 甚1 o o o 500 循 环次数 ， 次 图 4 乙二醇 对混 凝土 冻融剥 蚀破 坏 的影 晌 当乙二醇浓度为 3 时， 混凝土试块破坏最严重 ， 如图5 所示 ， 在第 8 次冻融循 环时表面就 出现了大量裂纹 ， 表 面 砂浆层开始脱落。 达到 1 2 次循环时， 表面裂纹进一步扩展， 表面剥落加剧 ， 骨料开始外露 ， 剥落量达到了 1 3 1 g m 2 ， 达到 2 O次循环时 ， 试块表 面砂浆层几乎完 全剥落 ， 骨料大 量暴 露 ， 剥落量达到了 1 2 7 4 g m ， 第 2 4个循环时， 剥落量达到 了 l 6 3 1 g m ， 超过试验方法规定 的 1 5 0 0 g m 的破坏标 1 S1 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 2 2 除冰液结冰膨胀 率 分别测定 了乙二醇浓度为 3 、 5 、 1 5 和 2 5 水溶液 在 一 2 0温度下的结 冰膨胀率 ， 结果如图 7所示。 U 5U l UU l 5U ZUU 冰冻时间 ra i n 图7 乙二醇溶液结冰膨胀率随冷冻时间变化的规律 结果表 明， 随着 冷冻时 间增加 ， 乙二醇溶液 的体积均 先收缩后膨胀 ， 并最终达到平衡 。 在溶液开始结冰前 ， 最初 的体积收缩是 由溶 液温度降低引起 的热胀冷缩效 应造成 的， 当溶液温度下降到冰点时 ， 溶液水 开始结 冰， 从而引起 系统体积膨胀 。 当最终完全结冰后 ， 系统体积不再膨胀 ， 即 达到平衡。 图 7 还表 明， 乙二醇溶液浓度越高 ， 结冰越缓慢 ， 由收 缩 向膨胀转换 的时间延长 ， 平衡结冰膨胀 率越低 。 这是 因 为浓度越 高的溶液 ， 冰点越低 ， 从 而导致在冰冻时 ， 冰与过 冷液体共存 时问增 加 ， 更不易结冰 ， 因此浓 度高 的溶液结 冰更缓慢 ； 但 由于冰冻 温度始终 比溶 液冰点更低 ， 故 最终 均会结冰 ； 浓度越高 的溶液 ， 水含量越少 ， 当水结 冰时 ， 从 而造成的体积膨胀越小， 因此达到平衡时， 浓度越高的溶 液平衡结冰膨胀率 越小。 综合 以上原 因， 从而 出现 乙二醇 溶液结冰膨 胀率 随浓度 提高而 降低 的规 律 ， 这 也合理 解 释 了图 4中混凝土在越低 浓度的除冰剂 中破坏越 严重 的 现象。 2 3混 凝 土溶 液 吸 入 率 混凝 土内部存 在大量微小裂纹 和毛细管通道等缺 陷， 外部的水或溶液可通过这些缺陷渗透进入内部， 当这些水 受冻结冰时引起体积膨胀使混凝土发生冻融破坏。 本试验 中用溶液吸入率 表示进入混凝土内部试验液体的多 少 。 其计算 方法为 吸入率 =试块冻融 后质量净 增长 量 试块初始质量 。 图 8为混凝土在各浓度 乙二醇溶液 中冻融 时溶液吸 入率变化规律 。 结果表 明， 当浓度为 3 乙二醇溶液作为冻 融介质 时 ， 混凝 土试 块溶液吸入速率最快 ， 其 次是 浓度分 0 4 0 O 35 0 3 0 O 2 5 篓 o 2 0 0 1 5 0 1 O O O 5 0 5 1 0 1 5 2 O 2 5 3 0 冻融 次数 图8混凝土在 乙二醇中冻融时溶液吸入率 别为5 、 1 5 和2 5 H 。 从而说 明乙二醇溶液浓度越大 ， 试 块 吸水速 率 越缓慢 ， 经 查 阅相关 资料 发现 ， 这是 由乙二 醇 的特殊物理性质造成 的， 乙二醇 为一种黏稠 状液体 ， 在 1 6下 ， 黏度 可达 2 5 6 6 MP a S ， 约 为 同温度下 水 的 2 3 倍。 即使配制 成水溶 液， 其 黏度也 比水大， 根 据来 自 “ A S H R A E手册 2 0 0 5 ” 的数据 ， 乙二醇 部分浓度 的水溶液 的黏度随温度变化如 图 9 所示 。 温 度 图 9 乙二醇不同浓度水溶液在各温度下的黏度 图 9表 明， 乙二醇水溶液 的黏度随温度降低 而迅速增 大 ， 且随着浓度提高， 其黏度也迅速增大 。 特别是在高浓度 时 ， 当温度低于 0时 ， 黏度增长迅速。 这个性质正好解释 了图 8中试块在各浓度乙二醇溶液中的吸入率变化规律。 即乙二醇浓度越高 ， 黏度越 大 ， 则溶液通过混凝 土 内部裂 缝或毛细管道迁移 的阻力也越大 ， 因此试块 溶液吸入速率 也更缓慢 。 除此之外 ， 试验过程 中的试验 现象也验证 了这 一 推断 ， 试验 中， 在通过抽滤收集剥落物时 ， 当溶液浓度提 高时 ， 因溶液黏度也增大 ， 而造成 液体透过滤纸 的阻力大 大增大 ， 从而使抽滤时间大大延长。 将图 8中混凝 土最终稳定 的溶液 吸入率定 义为混凝 土平衡吸人率 c c， ， 则 乙二醇浓度对 ( c) 的影响见 图 1 0 。 浓 度 图 1 0 混凝土平衡吸入率随浓度变化规律 从图中可明显看 出， 在高浓度时试块的最大吸人率下 降迅速 ， 低浓度时溶液 吸人量 较高。 这是 由于乙二醇溶液 的黏度随浓度提高而迅速增大 ， 导致溶液沿着 混凝土 内部 迁移 的阻力也迅速增大 ， 从 而溶液吸入量 降低 。 但在浓度 为 5 时的溶液吸入率 大于 3 时的吸人率 ， 这是因为在一 定浓度范围内， 乙二醇浓度越高 ， 冰点降低得越 多， 使结 冰 时间延长 ， 相 当于混凝土吸入溶液时间更长 ， 因此 5 的乙 ： 二 醇溶液虽 比 3 时黏度稍 大 ， 但 因冰点更低 而吸人时 间 更长 ， 因此综合效应为 5 的乙二醇溶液 的平衡 吸人率 比 3 时更大 。 1 53 0 8 6 4 2 0 2 斟餐 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 因此混凝土在中低浓度 的乙二醇溶液 中， 既能保持一 定的吸入速率 ， 又有较长 的吸入 时间 ， 因此最终 的综合 效 应为平衡吸入率 最大 ； 而 高浓度 的乙二 醇溶液 虽冰点 最 低 ， 结冰最缓慢 ， 溶液 吸人时间最长 ， 但 因浓度 高 ， 溶液黏 度大大增加 ， 迁移 阻力最 大 ， 综 合效应是平衡 吸入 率反而 不如中低浓度时高。 2 4 混凝土在 乙二醇溶 液 中冻融破坏机理分析 目前业界所普遍接受的观点认为 ， 混凝土受盐冻破坏 的根本原因是混凝土内部存在多余 的可冻水 ， 其 结冰将产 生约 9 的体积膨胀 ， 形成很大的结 冰压 ， 从而使混凝土发 生破坏。 如 目前 公 认度 较 高 的 P o w e r s的静 水压 经典 理 论 和 F a g e r l u n d的饱水度理论 ， 均是基 于这一概念 提出的。 基于这一理论 ， 制约混凝土冻融破坏速率 的因素 有两个 ： 一是进入混凝 土内部溶 液的多少 ， 本试验 中用溶 液吸入率 表示 ， 其二是试验液体本 身的结 冰膨胀率 。 当两者值均较大时 ， 则会对混凝土造成最大的破坏。 从 图4中剥落量可看出 ， 混凝土在中低浓度乙二醇溶 液中破坏最严重 ， 而在高浓度时破坏很小 。 结合所测定 的 溶液结冰膨胀率和试块溶液吸入率试验结果 ， 则可充分解 释混凝土在乙二醇溶液 中的冻融破坏规律 。 即混凝 土试块 在中低浓度乙二醇溶液 中冰冻时， 溶液既有较大的结 冰膨 胀率 ， 试块又有最大的溶液吸入率 ， 因此试块破坏最严重； 而在高浓度时 ， 溶液膨胀率最低 ， 试块溶液吸入率也最低 ， 因此破坏最不显著 。 除此之外 ， 由于在一 定浓 度范 围内， 乙二醇溶液 的冰 点随浓度增大而降低 ， 在低 于冰点的温度下 ， 结冰速率将 延缓 。 根据来 自“ A S H R A E手册2 0 0 5 ” 的数据 ， 乙二醇部分 浓度的水溶液 的冰点见表 3 。 表 3乙二 醇溶 液冰 点 体积浓度 冰点， 18 3 6 44 8 9 1 3 6 l 8 1 2 0 1 21 O 2 3 9 2 4 8 2 5_ 8 一 O 6 1 3 一 1 4 3 2 5 4 7 8 8 9 9 5 1 14 1 2 0 一 l 2 7 从表 中可明显看 出， 在 一定浓 度范围 内， 乙二醇 冰点 随浓度增大而降低， 特别当浓度大于 1 0 时， 冰点降低速 率更加迅速 ， 本试验冰冻温度为 ( 一 2 0 2 ) ， 而在浓度为 2 5 的乙二醇溶液 中时 ， 冰点 已下降到 一1 2以下 ， 说明 在高浓度时 ， 因溶液 冰点很 低 ， 在 冰冻时的相 当长 时间 内 都不会结冰 ， 在每次 冰冻试验时间相 同条件下 ， 实际冻结 时间比低浓度更短 ， 这也是造成试块在高浓度 除冰剂 中破 坏不如低浓度严重的原 因之一。 1 4 3 结 论 ( 1 ) 混凝土在中低浓度的乙二醇溶液中冻融破坏最严 重 ， 在高浓度破坏较小。 ( 2 ) 乙二醇溶液的结冰膨胀率随浓度增大而 降低 ， 结 冰速率也更缓。 ( 3 ) 受乙二醇黏度 的影响 ， 试块在 中低浓度 乙二醇溶 液 中溶液吸人率最大 ， 高浓度吸入率最小 。 ( 4 ) 乙二醇溶液本身结冰膨胀率和混凝土试块 的溶液 吸人率共 同决定混凝土的冻融破坏速率。 ( 5 ) 除冰剂溶液浓度增加使其冰点降低 ， 造成试块 实 际冻结时间变短 ， 这也是造成试块在高浓度 除冰剂 中破坏 不如低浓度严重的原因之一。 参考文献 ： 1 F A G E R L U N D G E f f e c t o f a i r e n t r a i n i n g a n d o t h e r a d m i x t u r e s o n t h e s a l t s c a l i n g r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e C l n t e r n a t i o n a l S e mi n a r o n S o me As p e c t s o f Ad mi x t u r e s a n d I nd u s t r i a l By P r o d u c t s o n t h e D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e G o t h e n b u r g ： s n ， 1 9 8 6 ： 3 33 9 2 B I L O D E A U A， MA L H O T R A V M D e i c i n g s a l t s c a l i n g r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e i n c o r po r a t i n g s u pp l e me n t a r y c e me n ti n g ma t e r i a l s ： C A N ME T res e arc h C F r e e z eT h a w D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e Lo n d o n： E & F N SP ON， 1 9 9 7： 1 211 5 6 3 杨全兵 ， 吴学礼 ， 黄土元 去冰 盐引起的 混凝土盐 冻剥蚀破 坏r J 混凝土 ， 1 9 9 5 ( 6 ) ： 2 9 3 5 4 1谢槟羊 机场道面混凝土抗冻融问题探讨 J 机场建设 ， 2 0 0 1 ( 4) 5 敦晓 机场道面冻融损伤的影响及其评价技术研究 D ， 西安： 空军工程大学 ， 2 0 1 1 6 杨全兵 混凝土盐冻剥蚀破坏评定参数的研究 J 低温建筑技 术 ， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 4 6 1- 7 1杨全兵 水泥混凝土路面盐冻剥蚀破坏试验参数和评价指标 的研究 J 公路交通科技 ， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 3 1 3 3 8 J P O WE R S T C， H E L MU T H R A T h e o ry o f v o l u m e c h a n g e i n h a r d e n e d P o r t l a n d c e m e n t p a s t e s d u r i n g f r e e z i n g J P r o c e e d i n g s o f t he Hi g h wa y Re s e a r c h Bo a r d， 1 9 49， 3 2： 2 8 5 2 9 7 9 3 P O WE R S T C T h e m e c h a n i s m s o f f r o s t a c t i o n i n c o n c r e t e ( D u r a b i l i t y o f C o n c r e t e ， S P一 8 ) R D e t r o i t ： A C I ， 1 9 6 5 4 2 4 7 1 0 F A G E R L U N D G T h e c r i t i c a l d e g r e e o f s a t u r a ti o n me th o d o f a s s e s s i n g the f r e e z e th a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e J Ma t e r i a l s a n d S tr u c t u r e s ， 1 9 7 7 ( 1 0 ) ： 5 8 6 5 作者简介： 陈继超( 1 9 8 9一) ， 男 ， 硕士研究生 ， 研究方向： 主要从 联 系地址 联 系 电话 事混凝土耐久性研究。 四川省 绵阳市西 南科技大 学材 料科学与 工程学 院 ( 6 2 1 0 1 0 ) 1 8 08 48 8 0 6 8 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m