Influence of aircraft deicer on apron cement concrete
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摘要: 通过除冰液成分分析、混凝土试件除冰液浸泡实验、物相分析和冻融理论分析, 探讨了剥落损坏发生的原因和机理。研究发现除冰液和水泥混凝土之间并不会发生化学反应; 除冰液的渗入会增加混凝土内的水压力、渗透压、蒸气压差异和温度梯度。结果表明, 除冰液参与下的剥落属于物理损坏, 主要由冻融循环引起; 除冰液的存在和入渗加剧了混凝土表面层的冻融剥落发生。建议从减少除冰液的用量、使用范围、与混凝土的接触时间, 以及混凝土的抗冻等方面进行剥落防治。Abstract: In order to explore the cause and mechanism of apron cement concrete scaling, deicer component analysis, concrete specimen deicer soaking test and phase analyzing were carried out. It is found that there is no chemical reaction between deicer and cement concrete, water pressure, penetration pressure and vapor pressure variation are increased in concrete after deicer infiltration. The results show that scaling is caused by the freeze thawing cycle, infiltration of deicer deteriorates scaling. The scaling preventive treatments, such as reducing the volume of deicer, limiting its application area and contact time to concrete, and freeze proof ability of concrete could be considered.
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Key words:
- airport engineering /
- cement concrete scaling /
- phase analysis /
- soaking test /
- deicer
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0. 引言
中国东北地区各大城市的最低月平均气温都低于-10℃, 在这种气候环境下飞机表面的结冰、铺面的冻融不可避免。为了保证飞机的飞行安全, 机场都会采取物理或化学的手段除去飞机表面的冰、霜、雪等[1]。通过对东北机场的调查发现, 在采用除冰液对飞机除冰的停机坪区域, 水泥混凝土表层产生了大量的剥落损坏。这不仅造成机场设施的破坏和资产的损失, 更直接威胁到飞行的安全[2~7]。
寒冷地区飞机除冰液对水泥混凝土铺面的剥落影响, 在国外有一定的研究, 大多数研究认为是除冰液参与下的冻融剥落损坏, 但是目前还没有定论。在国内还没有专门对此展开过系统深入的研究。本文从东北机场调查的损坏形态出发, 通过室内试验和理论分析, 对东北地区除冰液作用下的停机坪水泥混凝土表面剥落损坏原因进行研究, 并提出进一步的防治措施。
1. 停机坪损坏形态与类型
在东北地区使用飞机除冰液的停机坪都出现了大面积的水泥砂浆层剥落, 集料暴露, 表面凹凸不平。在严重剥落的区域, 可以观测到混凝土有一定的剥落面和棱角, 粗集料暴露在外(图 1)。经敲击探察剥落的混凝土没有脱空的现象, 损坏的深度基本都集中在水泥混凝土表面1~2 cm的范围之内。在停机坪的中部和边缘也出现剥落的发生, 以停机坪门位地势较低处最为集中, 在损坏的部位沿着停机坪横坡剥落程度随着地势降低而加重, 见图 1。
2. 停机坪铺面损坏原因分析
水泥混凝土铺面的损坏按其性质可以分为物理损坏和化学损坏。除冰液(盐) 参与下的冻融、膨胀性化学侵蚀、以及不当的施工和养护都可能会引起水泥混凝土表面的剥落。在寒冷地区尤其以除冰液参与下的冻融剥落最为典型、严重。从东北地区机场表面剥落损坏的位置、形态可以认为不是由于施工原因引起的破坏。本文从化学和物理2个方面对损坏原因进行详细分析。
2.1 飞机除冰液成分分析
除冰液利用其能把冰点降低的特性来融化积聚在飞机表面的冰、霜和雪, 作用机理见图 2[3]。普通水的冰点为曲线上的A点, 当温度低于Tf时水开始结冰, 水的蒸汽压力迅速降低。当水与除冰液形成溶液时, 水的蒸汽压力整体降低, 从而把水的冰点降低到T, T越低除冰液的效果越好。东北地区使用的主要是符合ISO 11075标准的ISO Ⅰ型牛顿飞机除冰液(FCY-1A), 由成都民航六维航化有限责任公司生产。经测定东北地区飞机除冰液的主要成分为乙二醇, 乙二醇的质量百分含量为78.01%。除冰液的pH值为8.96, 呈微碱性。
2.2 飞机除冰液化学侵蚀分析
2.2.1 飞机除冰液的化学特性
化学侵蚀包括溶出性侵蚀、离子交换型侵蚀和膨胀型侵蚀。除冰液是否对水泥混凝土有侵蚀作用, 取决于除冰液成分是否会与水泥混凝土中的成分发生化学反应。东北地区使用的飞机除冰液的主要成分为乙二醇。除冰液在除冰时利用的是降低水冰点的物理特性, 期间并没有产生化学反应, 流淌到机场表面的溶液基本上保持了除冰液的化学组成和特性。因此, 本文重点考察乙二醇和水泥混凝土中最具活性的氢氧化钙之间的反应可能性。
在微生物的参与下, 如果氧气充足(20℃), 乙二醇可以被降解成草酸, 最后可分解成二氧化碳和水, 这种有氧降解需消耗大量的氧气和能量; 乙二醇在微生物参与和无氧的情况下(35℃) 可以和水作用产生甲烷、氢离子和碳酸氢根离子。有氧和无氧降解在常温、常压下不容易进行, 特别是有氧降解, 需要鼓吹入大量的氧气或空气才能保证反应的进行。所以在常温常压下乙二醇的化学性质比较稳定, 而且东北地区的飞机除冰液呈微碱性(pH值为8.96), 在这种条件下除冰液不会和水泥混凝土直接发生化学反应。
2.2.2 化学侵蚀室内试验
为了进一步验证水泥混凝土受除冰液化学侵蚀的可能性, 在室内进行了浸泡试验。试验采用425#普通硅酸盐水泥, 最大公称粒径为31.5 mm的级配碎石和中砂。参照东北牡丹江机场的设计资料, 按照表 1的配合比制成0.40、0.45、0.50和0.55四种水灰比, 尺寸为15 cm×15 cm×15 cm的立方体试件。试件在振动台振动成型, 静置24 h后脱模编号, 在标准养护室养护至28 d龄期后取出, 在80℃下烘干16 h, 冷却至室温, 称取试件质量, 试件的密度见表 2。
表 1 试件配比设计Table 1. Sample component design水灰比 水泥 砂 碎石 水 0.40 1.00 1.13 2.91 0.40 0.45 1.00 1.40 3.27 0.45 0.50 1.00 1.70 3.61 0.50 0.55 1.00 2.02 3.92 0.55 表 2 试件的密度Table 2. Sample density编号 质量/kg 密度/ (g·cm-3) 平均密度/ (g·cm-3) 编号 质量/kg 密度/ (g·cm-3) 平均密度/ (g·cm-3) 水灰比0.40 水灰比0.50 A1 8.42 2.495 2.481 C1 8.24 2.441 2.453 A2 8.32 2.465 C2 8.18 2.424 A3 8.36 2.477 C3 8.42 2.495 A4 8.40 2.489 C4 8.28 2.453 水灰比0.45 水灰比0.55 B1 8.26 2.447 2.440 D1 8.08 2.394 2.397 B2 8.32 2.465 D2 8.12 2.406 B3 8.20 2.430 D3 8.00 2.370 B4 8.16 2.418 D4 8.16 2.418 把不同水灰比试件放入容器内, 加入除冰液或水至露出试件1/3高度处, 露出试件的目的是让在试件上有干湿变化的部位, 为盐的结晶创造条件。把容器放入22℃的环境内, 每4 d充氧气1次, 浸泡28 d。到期后取出试件, 观测每个试件的外观变化(白色粉末的生成、侵蚀的孔洞等), 进行抗压强度测定和物相分析。
2.2.3 试验结果分析
(1) pH值变化
对除冰液浸泡后的pH值进行了测定, 其值为9.29, 比除冰液本身的8.96反而有所增加。导致pH值增加的原因是水泥混凝土中的部分氢氧化钙溶解于除冰液的水中, 使溶液碱性增强。这也说明经过除冰液的浸泡后, 除冰液仍然保持不容易引起水泥混凝土化学腐蚀的微碱性。
(2) 强度变化
把经跑道除冰液和水浸泡后的混凝土试件, 擦去试件表面脏物, 检测抗压强度, 按照式(1) 计算腐蚀系数, 结果列于表 3。一般认为若腐蚀系数大于0.80, 则认为混凝土没有受到腐蚀。从表中的数据可以看出腐蚀系数均大于0.8, 而且除一组为0.833, 其余均大于0.9, 所以可以认为水泥混凝土试件在除冰液浸泡后并没有被腐蚀
k=σadfσw (1)
表 3 混凝土浸泡腐蚀试验结果Table 3. Results of concrete erosion test处理方式 抗压强度/MPa 水灰比 0.40 0.45 0.50 0.55 水浸泡 48.00 44.00 37.78 27.78 除冰液浸泡 40.00 40.44 34.22 27.56 腐蚀系数 0.833 0.919 0.906 0.992 式中: k为腐蚀系数; σadf为除冰液浸泡后水泥混凝土抗压强度; σw为水浸泡后水泥混凝土抗压强度。
(3) 物相分析
分别取飞机除冰液和浸泡前的混凝土(水灰比为0.45) 物相分析(X-RAY), 作为初始成分对比试验。在浸泡后, 取飞机除冰液浸泡和水浸泡后试件的一部分做物相分析, 根据除冰液的化学特性, 重点在于确认是否有草酸盐的生成, 以及生成的量, 结果见图 3。经过对各种物相图谱的分析, 并没有发现在除冰液浸泡后的水泥混凝土中发现大量的新物质的生成, 特别是草酸盐的生成。这再一次确认了除冰液不会对水泥混凝土发生化学侵蚀作用。
通过上述试验结果的分析, 可以认为东北地区发生的停机坪剥落损坏, 不是由于除冰液对水泥混凝土的化学侵蚀引起的。
2.3 混凝土冻融破坏分析
根据对东北地区气候条件的分析, 机场水泥混凝土铺面遭受冻融的作用不可避免。水泥混凝土在水中受冻融循环的作用就有可能产生剥落损坏, 飞机除冰液的作用会加剧冻融剥落的产生。
2.3.1 冰融机理
目前对冻融机理的研究有3种比较有代表性的理论[3]: Powers的水压力理论、Powers和Helmuth的渗透压理论和Litvan的蒸汽压理论。水压力理论认为水泥石中毛细管中的水结冰时会产生9%的体积膨胀, 迫使毛细管中的水往别处渗流, 从而在水泥浆体内部产生内应力导致裂缝。渗透压理论认为, 在水泥浆体内的空隙或凝胶孔内的水含有一定可溶性物质, 是一种溶液。当温度降低时在毛细管或气孔壁上形成冰晶体, 由于水的结冰使得孔隙中溶液的浓度发生了变化, 不同浓度溶液之间就产生了渗透压, 从而驱使凝胶孔内的水流向毛细管或气孔, 产生内应力。而Litvan则认为由于毛细管内水的冰点与孔径有关, 孔径越小, 水的冰点越低。因此当温度降低时水不会马上结冰而是形成过冷水, 而在凝胶孔、气孔以及其他一些孔壁上会形成冰晶体。过冷水具有比冰高得多的饱和蒸汽压, 这样就导致了热力学不平衡, 会驱使形成冰晶体处吸附水的解吸附作用以降低蒸汽压力, 引起水在浆体内的运动, 产生内应力。
2.3.2 除冰液的剥蚀加剧作用
渗透到水泥混凝土孔隙中的除冰液有3个基本的特性: 较低的饱和蒸汽压、较低的冰点和较强的吸湿性。由于降低了水的冰点, 在一定程度除冰液对抗冻融有利, 但是大量的现象和研究表明除冰液的参与加剧了水泥混凝土表面剥蚀的产生。
(1) 基本机理
混凝土在水压力、渗透压和蒸汽压的作用下会导致冻融破坏, 在除冰液的参与下, 由于混凝土毛细管中更容易吸水, 且不容易失水, 因而具有更高的饱水度, 更容易产生水压力和膨胀压力; 除冰液本身就是溶液, 与凝胶孔中的水相比有更高的浓度差, 从而产生更大的渗透压; 除冰液较低的蒸汽压增加了浆体内壁面形成的冰表面饱和蒸汽压与毛细管中过冷水表面饱和蒸汽压之间的差异, 导致了更加剧烈的解吸附作用, 引起更大的内应力。
水压力、渗透压和蒸汽压理论都能比较好地解释在除冰液作用下的冻融加剧作用, 而混凝土表面与内部相比具有不同的物理特性, 在除冰液的作用下表现出一些特殊的性质和机理, 可作为基本机理的补充。
(2) 浓度梯度的影响
溶液的冰点和溶液的浓度有关, 溶液的浓度越高, 冰点越低。在受除冰液浸泡时混凝土表的浓度很高, 一般很难结冰, 在这个表层以下溶液浓度低, 比较容易结冰, 当下层混凝土结冰时膨胀就产生了较大的向上水压力, 当压力达到一定程度就可以把上面的浆体顶出, 在水泥混凝土的表面产生扁平状水泥浆体小块的剥落。在潮湿(雨、雪等) 的天气下, 混凝土表层由于雨水等的作用, 除冰液的浓度相对较低, 在表面下1 cm处将出现最高的浓度(图 4), 导致混凝土表层比较容易结冰, 而下层的浓度较高不容易结冰。
由于不同层冰的形成状况不一样, 就会产生渗透压力等热力学现象, 引起内应力。并且, 当冰在某一层形成时还会阻挡水的渗透, 这将导致在这一层中产生很大拉应力; 不同层中的不同结冰状况还会在层中产生的不同的膨胀而引起拉应力。这些内应力的产生都会导致混凝土的分层剥落破坏。另一方面当温度降低到足够的程度可以使过冷水结冰时, 由于过冷水的大量存在将迅速引起大量的结冰导致混凝土破坏。
(3) 温度变化的影响
当除冰液作用在混凝土表面形成的薄冰上时, 混凝土的温度会迅速降低, 给混凝土带来一次温度冲击, 从而引起开裂。混凝土表面的冰雪在除冰液的作用下开始融化, 而冰雪的融化需要大量能量, 这就进一步加快了下层混凝土温度的下降。图 5[3]混凝土表面温度的变化最明显, 因而也比较容易遭受到温度变化的冲击, 引起表面的裂缝和剥落。
(4) 除冰液渗入深度的影响
干燥的混凝土表面被除冰液湿润了以后, 在混凝土中渗入量随深度的变化而变化, 往往在混凝土的某一深度形成溶液前缘, 见图 6[1]。即在水泥混凝土的表面层内空隙的饱水度要比下面要高, 当冰冻发生时, 比较饱和的混凝土容易遭到侵害, 也容易发生破坏。
3. 剥落防治建议
由上面的分析可知, 使用飞机除冰液地区的混凝土表面剥落主要是由于冻融作用造成。因而, 对机场铺面表面剥落破坏的防治, 必须同时从除冰液和混凝土2方面入手。对除冰液应该尽量减少其渗入混凝土的量, 可以采取减少除冰液使用量、减少除冰液在停机坪表面停留的时间, 减少除冰液的影响范围与除冰液的适用浓度等措施; 对水泥混凝土来说应该综合考虑密度(空隙)、强度等特性[5, 7], 使其具有较强抗冻性能。
4. 结语
本文在对东北地区机场水泥混凝土停机坪表面剥落调查的基础上, 对剥落的成因进行了详细的分析。
通过对除冰液和水泥混凝土成分的分析可知, 两者不会直接发生反应。水泥混凝土试件在除冰液中浸泡28 d后, 从测定的除冰液pH值、腐蚀系数和物相试验结果来看, 混凝土试件并没有被腐蚀, 除冰液中也没有新物质的生成, 因此, 认为水泥混凝土不会被除冰液化学侵蚀, 剥落主要由冻融产生。
渗透到水泥混凝土孔隙中的除冰液有较低的饱和蒸汽压、较低的冰点和较强的吸湿性, 这3个特性都会加剧水泥混凝土的冻融剥落作用。在渗入除冰液后混凝土表层产生的温度梯度、浓度梯度和入渗深度都会对混凝土的剥落产生进一步的影响。
为了有效防治混凝土剥落损坏, 建议从除冰液的使用和水泥混凝土材料2方面同时采取措施。
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表 1 试件配比设计
Table 1. Sample component design
水灰比 水泥 砂 碎石 水 0.40 1.00 1.13 2.91 0.40 0.45 1.00 1.40 3.27 0.45 0.50 1.00 1.70 3.61 0.50 0.55 1.00 2.02 3.92 0.55 
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表 2 试件的密度
Table 2. Sample density
编号 质量/kg 密度/ (g·cm-3) 平均密度/ (g·cm-3) 编号 质量/kg 密度/ (g·cm-3) 平均密度/ (g·cm-3) 水灰比0.40 水灰比0.50 A1 8.42 2.495 2.481 C1 8.24 2.441 2.453 A2 8.32 2.465 C2 8.18 2.424 A3 8.36 2.477 C3 8.42 2.495 A4 8.40 2.489 C4 8.28 2.453 水灰比0.45 水灰比0.55 B1 8.26 2.447 2.440 D1 8.08 2.394 2.397 B2 8.32 2.465 D2 8.12 2.406 B3 8.20 2.430 D3 8.00 2.370 B4 8.16 2.418 D4 8.16 2.418
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表 3 混凝土浸泡腐蚀试验结果
Table 3. Results of concrete erosion test
处理方式 抗压强度/MPa 水灰比 0.40 0.45 0.50 0.55 水浸泡 48.00 44.00 37.78 27.78 除冰液浸泡 40.00 40.44 34.22 27.56 腐蚀系数 0.833 0.919 0.906 0.992
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