飞机除冰液对机场停机坪混凝土冻融破坏试验与研究

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摘 要：近年来，经济的快速发展，人们物质生活水平的提升，人们出行时选择飞机作为交通工具的现象已较为普遍。飞机作为空中交通工具，其飞机安全性至关重要，也受到全社会的普遍关注。在寒冷地区，飞机容易出现结冰的情况，一旦飞机结冰则会给飞行安全带来较大的影响，所以在飞机结冰状态下是严禁进行飞行的。目前为了确保冬季飞机的安全，往往会使用除冰液来做避免飞机出现结冰的现象。除冰液的主要成分为乙二醇，其使用后是对飞机结冰现象得到了有效的缓解，但对于停机坪上的混凝土也带来了较大的破坏，使用飞机除冰液后，混凝土出现了不同程度的脱皮和砂石剥落的情况，这不仅对飞机起飞和降落时的舒适性带来较大的影响，而且还危及到飞行的安全性。文中针对3.5%-25%浓度飞机除冰液作用下的混凝土的抗冻性能进行了分析，从试验中可以发现随着飞机除冰液浓度的不断升高，混凝土冻融破坏程度则随之减弱，但飞机除冰液不会被化学侵蚀。

关键词：机场停机坪混凝土；飞机除冰液；耐久性；冻融；浓度；剥落；腐蚀

前言

混凝土的耐久性破坏是一个非常复杂的问题，在飞机除冰液环境下的耐久性问题也是如此，涉及的因素很多，各个因素之间相互影响，相互作用，存在着复合作用和叠加的效应，至今为止，科研部门和学者专家在该领域的研究非常有限，在飞机除冰液环境下混凝土的耐久性问题涉及面很多，有冻融循环，腐蚀作用，外部荷载的应力效应等等，鉴于现有的研究基础，分别选取了冻融循环作用和常温腐蚀作用作为耐久性破坏的破坏因素，研究混凝土在飞机除冰液作用下的损伤规律和破坏机理，探讨影响混凝土耐久性破坏的主要因素。

1 机场停机坪混凝土耐久性的现状

据调查“三北”地区民航机场水泥混凝土停机坪破坏最为严重（水泥混凝土开裂，缝隙间有黑色及白色粉状析出物、表面脱皮、砂石剥落、并有黄色水斑迹、个别地方出现孔洞）。大部分是出现在喷洒飞机除冰液区域的低洼积水地区，这些破坏现象与飞机除冰液有直接的关系（见图1、图2）。据估算，一架大型商用飞机每次除冰需要1.8-3.6吨除冰液，一座中型国际机场每年需要使用1000-10000吨飞机除冰液，每年平均需要除冰次数2037次。

图1用飞机除冰液给飞机除冰

图2飞机除冰液对停机坪的冻融破坏

当饱和的混凝土处于寒冷的地区，随着温度的降低，混凝土毛细孔内的水会结冰，按照水转变成为冰的体积膨胀9%，这个增加的体积产生一个水压力，随着温度的升高冰融化成水，气温的不断交替，多次的冻融循环使得破坏作用累加，就同疲劳破坏，外观表现混凝土结构逐渐出现微裂缝，并且不断扩大，形成大的相互贯通的裂缝，使得强度逐渐降低直到完全丧失，当累积到一定程度混凝土结构最终破坏。停机坪飞机除冰时含有除冰液的混合物流到机坪道面导致混凝土表面冰体融化，随着除冰液主要成分乙二醇的挥发后使混凝土再次冰冻。增加了混凝土自然冻融次数。

机场停机坪混凝土冻融破坏与冻融循环次数有关，“三北”地区部分城市自然冻融循环次数统计表。（见表1）

表1 我国部分城市自然冻融循环次数统计表

如果根据自然冻融次数来确定混凝土抗冻指标，需要建立室内标准抗冻试验次数与室外自然冻融次数的关系。（室内混凝土冻融温度：混凝土试件的中心最低与最高温度分别是-17℃±2℃和8℃±2℃）中国水利水电科学研究院在北京十三陵水库建立了混凝土抗冻耐久性现场基地，并与室内试验进行对照。结果表明一次室内标准冻融试验相当于自然冻融10-15次的损伤效果，如按这一标准可以确定混凝土的抗冻指标。

F-按安全运行年限要求的抗冻性设计等极。Y-规定的安全运行年限。（一般为20-30年）。M-混凝土所处环境的安全的年冻融循环次数。（次/年）。B-混凝土室内外冻融损伤比例系数。（一般为1：10-15）。K-考虑到混凝土运行条件的安全系数。（一般按≥1考虑）

座中型国际机场每年平均需要除冰次数2037次，加上自然冻融循环次数（如北京84次），室内外冻融损伤比例系数按1：15。

F=（2037+84）/15=141（次）一年相当室内标准抗冻试验141次，两年等于281次。北京地区设计混凝土抗冻融F=300次，所以机场水泥混凝土停机坪用飞机除冰液2至3年就产生冻融破坏现象。

2 混凝土试件的制备

2.1 混凝土所用原材料

（1）水泥：42.5级普通硅酸盐低碱水泥；（2）砂：河砂，细度模数为2.81；（3）石：5mm～20mm连续级配石灰岩碎石；（4）外加剂：AJF-6 减水剂；（5）水：普通自来水。（6）飞机除冰液（Aircraft deicer）乙二醇的主要性能指标和飞机除冰液不同浓度配合比（见表二、表三）

表2 乙二醇的主要性能指标

表3 飞机除冰液不同浓度配合比

2.2 混凝土配合比

选一个C30强度等级的普通混凝土（简称OPC）。配合比参数（见表4）。

表4混凝土的配合比参数

2.3 试样制作

（1）制样：抗冻试验采用100mm×100mm×400mm的混凝土钢制试模成型，3个试件为一组。（2）试样养护：按国家标准（即养护温度为（20±2℃，相对湿度大于90%的条件）养护28天。

3 混凝土抗冻试验

混凝土的冻融循环试验应符合GBJ82-85《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》试件养护28d龄期时进行试验。试验前测试动弹性模量和重量，每次冻融循环应在2-4h内完成，一般每隔25次循环做一次动弹性模量的测试。遇到下列三种情况之一即可停止试验：（1）已达到300次冻融循环；（2）相对弹性模量下降到60%以下；（3）质量损失率达5%。

3.1 POC在水中快速冻融试验的相对动弹性模量和质量损失结果表明。在冻融作用下，POC出现快速明显的劣化过程。混凝土的相对动弹性模量下降很快，仅需要152次冻融循环即下降到破坏标准60%，完成425次冻融循环后，相对动弹性模量更是下降到14.52%（见图3），表明在水的冻融循环作用下混凝土的内部损伤巨大，从POC在冻融过程中质量损失的指标来看，完成300次冻融循环，质量损失仅为1.92%，没有达到质量损失5%的标准，300次冻融循环之后，混凝土质量损失讯速增大，至351次达到5%，在425冻融循环后质量损失高达11.27%。POC冻融破坏的特征是表面出现微裂缝，有少量的起皮、剥落，混凝土表面出现一条大的横向裂缝，横向裂缝把试件分为两截（见图4）。

图3 OPC在水中冻融过程中的相对动弹性模量和质量损失

3.2 POC在3.5%飞机除冰液快速冻融试验的相对动弹性模量和质量损失。结果表明。POC劣化失效很快，213次冻融循环之后，相对动弹性模量降到了55.82%，质量损失了14.46%，试件冻融破坏情况（见图5）。

POC相对动弹性模量在水中下降的最快，在3.5%飞机除冰液中其次。从质量损失上看，在3.5%飞机除冰液中损失大于在水中损失，达到快冻法质量损失5%的破坏标准，3.5%飞机除冰液需要97次，而水中则要多达351次，POC在3.5%飞机除冰液冻融破坏的特征是从表面开始，出现层剥现象，最后是大量石子，剥离深度超过了5mm，但末出现试件冻断的现象。

3.3 POC在不同浓度飞机除冰液中的相对动弹性模量和质量损失（见图6）。结果表明：3.5%-25%飞机除冰液，都会对POC产生冻融损伤，相对动弹性模量降低，质量损失增加。POC在水中相对动弹性模量降低的最快，其次是3.5%和12.5%飞机除冰液，在25%飞机除冰液中降低的最慢，随着飞机除冰液浓度提高延缓作用明显。这主要是因为飞机除冰液可以有效降低冰点，冰点降低可以有效抑制混凝土内部孔隙水结冰生长，从而降低冰冻过程中在混凝土产生的拉应力强度，抑制混凝土内部损伤，飞机除冰液浓度越高，溶液冰点降低的越多，效果越明显。飞机除冰液由原液依照当天天气情况按比例用水配兑，天气越冷浓度越高。飞机除冻液浓度在50%时气温-25℃还没有达到冰点。

图6 OPC在不同浓度飞机除冰液中冻融过程中的

相对动弹性模量和质量损失

在飞机除冰液浓度0-25%之间相对动弹性模量降至60%冻融循环次数和飞机除冰液浓度的关系（见图7）、质量损失达5%冻融循环次数与飞机除冰液浓度关系（见图8）。

4 飞机除冰液化学侵蚀分析

化学侵蚀包括溶出蚀、离子交换型侵蚀和膨胀型侵蚀。飞机除冰液是否对混凝土有侵蚀作用，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[1]。重点研究乙二醇（C2H6O2）和水泥混凝土中最具有活性的氢氧化钙（Ca（OH）2）之间的反应可能性。

为了进一步验证水泥混凝土受除冰液化学侵蚀的可能性，在室内进行浸泡试验。试件在标准养护室养护至28d龄期后取出，在80℃下烘干16h，冷却至室温，把试件放入容器内，加入飞机除冰液露出试件1/3高度处，露出试件的目的是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4d充氧气1次，浸泡28d。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）。试验结果除冰液pH值本身8.96增加到9.29。导致pH值增加的原因是水泥混凝土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。

5 结束语

5.1 POC在水介质中混凝土冻融破坏都是表层剥落和内部开裂两种破坏形式的复合，最典型的破坏特征是试件在冻融过程会出现冻断的现象。

5.2 在3.5%飞机除冰液中，POC的冻融破坏包括内部损伤和表层剥落，表层的大量剥落加剧了内部的损伤。

5.3 飞机除冰液的浓度对混凝土的冻融破坏影响很明显。POC在3.5%飞机除冰液的内部损伤和表层剥落都很严重，在高浓度飞机除冰液中，冻融破坏主要表现为外层剥落。3.5%-25%飞机除冰液的冻融破坏顺序是：3.5%飞机除冰液>12.5%飞机除冰液>25%飞机除冰液，3.5%飞机除冰液对POC的冻融破坏能力比水要强。

5.4 通过对飞机除冰液和混凝土成分的分析可知，两者不会直接发生反应。水泥混凝土试件在飞机除冰液浸泡28d后，从测定的飞机除冰液pH值试验结果来看，混凝土试件并没有被腐蚀，飞机除冰液中没有新物质的生成，因此，以为水泥混凝土不会被飞机除冰液化学侵蚀，剥落主要由冻融产生。

5.5 在混凝土中加入引气剂[2]、合成纤维[3]和表面喷涂硅烷浸渍[4]能提高机场停机坪混凝土抗冻融破坏性能。

参考文献

[1]赵鸿铎.飞机除冰液对停机坪水泥混凝土的影响[J].交通运输工程学报，2004（2）1-5.

[2]邓可库.高原机场应用引气剂增强道面混凝土抗冻性研究[J].机场工程，2009（2）6-9.

[3]彭书成，邓可库，等.改性聚酯纤维在混凝土中阻裂增强抗冻试验研究[J].工程抗震与加固，2007（1）47-51.

[4]邓可库，刘国金.硅烷浸渍在长白山机场站坪扩建工程中试验研究与应用[J].科技创新与应用，2014（23）31-32.

作者简介：王勇（1984-），男，北京大兴人，本科学历、工程师，主要从事机场施工技术与管理。