机场道面换板快速修复用陶瓷基水泥温控措施研究

Research on Temperature Control Measures of Ceramic-Based Cement for Rapid Repair of Airport Pavement Replacement Panels

摘要: 以陶瓷基快速修补特种水泥作为试验材料，制作与大型机场道面板厚度相近的直径20cm、高40cm圆柱体水泥砂浆试件，检测试件中心温度随垂直方向沿时间的变化规律，并设置降低拌和水温度、加入硼砂缓凝剂、表层保温、材料预冷、降低水灰比五种温控试验方法。统计并计算各试验组的峰值温度、最大温差、温度应力及抗折强度等参数。试验结果显示，各试验组最大温度应力分别为4.69 MPa、5.15 MPa、4.56 MPa、5.18 MPa、4.14 MPa，相比于对照组分别降低4.2%、−5.2%、7.0%、−5.6%、15.5%。因此降低水灰比是降低温度应力的有效措施，建议在现场施工过程中使用高效减水剂以减少拌和水用量并提高混凝土和易性，同时根据环境条件及使用需求采用多种温控措施组合的方式以防止道面开裂。

Abstract: Ceramic-based rapid repair special cement was used as the test material to make cylindrical cement mortar specimens with a diameter of 20 cm and a height of 40 cm, which were similar to the thickness of the pavement panels of large airports. The central temperature of the specimens was tested along the vertical direction with time. Five temperature control test methods were set, including lowering the mixing water temperature, adding borax retarder, surface insulation, material precooling, and reducing the water-cement ratio. The peak temperature, maximum temperature difference, temperature stress, and flexural strength of each test group were statistically calculated. The test results showed that the maximum temperature stress of each test group was 4.69 MPa, 5.15 MPa, 4.56 MPa, 5.18 MPa, and 4.14 MPa, respectively, which were 4.2%, −5.2%, 7.0%, −5.6%, and 15.5% lower than those of the control group, respectively. Therefore, reducing the water-cement ratio is an effective measure to reduce temperature stress. It is recommended that a high-efficiency water reducer be used during on-site construction to reduce the amount of mixing water and improve the workability of concrete. At the same time, a combination of multiple temperature control measures should be used according to environmental conditions and usage requirements to prevent pavement cracking.

1. 引言

机场道面快速修补水泥具有凝结快、水化放热集中、散热慢的特点，大体积道面换板修复用此类水泥会导致其内部温升速率过快，过大的内表温差会产生较大的温度应力，增大修补料在降温过程中开裂的风险，进而降低其承载能力并缩短结构的使用寿命。研究如何控制修补料水化反应的速率并降低其内表温差是预防道面板开裂的有效措施。

张献民[1]等建立有限元模型模拟道面结构温度场，并计算分析了机场道面板温度场和温度应力情况。叶雯等[2]通过试验室足尺混凝土试验进行混凝土施工前的温度的观测，由温度结果分析得出适宜的施工工艺。李灿[3]等采用试验与仿真相结合的方法分析大体积混凝土在浇筑一段时间后的温度及应力变化规律。李维[4]采用有限元热–力完全耦合及损伤分析方法对施工期地铁车站混凝土结构的温度应力进行了研究。关彬[5]等研究低热水泥混凝土在实际温度环境下早龄期导热系数的演化规律，设计并开展了不同养护温度和水胶比条件下低热水泥水化热和导热系数试验。Yunus [6]将降温胶凝材料与波特兰水泥结合以改变混凝土水化早期阶段的放热速率，提出了混凝土中混合水泥粘合剂热耗率曲线的简化数学形式，以此对大型混凝土结构中可能的早期时间–温度曲线进行设计阶段评估。王振红[7]等采用试验与仿真相结合的方法研究混凝土早期防裂措施，为混凝土抗裂性能评价提供了新的方法和思路。刘毅[8]等提出了一种大体积混凝土温控防裂智能监控技术，该技术可以实现对大体积混凝土温控的优化和实时监控。于利刚[9]等将废陶瓷作为水泥混合材料之一使用，生产出强度等级更高、性能更优越的通用硅酸盐水泥。张立卿[10]等综合评述了陶瓷废弃物集料和陶瓷废弃物粉末对水泥基复合材料基本力学性能影响的研究现状，揭示了陶瓷废弃物对水泥基复合材料基本力学性能的影响机理。

大量研究阐释陶瓷粉在水泥的生产及应用层面具有较高的使用价值及研究前景，且随着机场不停航施工的需求逐渐增强，不同种类快速修补材料的市场规模逐渐扩大。现有的大体积混凝土温控防裂研究大多集中在普通水泥混凝土，关于快速修补水泥的防裂研究较少，而韩国设计研究的一种新型陶瓷基特种水泥是由100%无机混合料制造的陶瓷类产品，与一般的普通水泥相比，其化学组分差异较大，但物理特性与快凝混凝土类似，配比方法和施工工艺与普通硅酸盐水泥相似。该材料具有强度高、无收缩、硬化速度快、耐久性好、防水、耐腐蚀、低温性能好、不燃及隔热效果(1000℃以上)好等优越的产品性能，同时还具备施工工艺简单、无需养护、与原结构粘结力强、环境亲和性好等优点。

2. 试验设计

2.1. 试验材料

普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥主要原材料包括石灰石、粘土、铁矿石和石膏，其水化产物主要为水化硅酸钙(C-S-H)、氢氧化钙(Ca(OH)₂)等。试验采用的陶瓷基水泥混合物中包含陶瓷粉、石英砂、氧化镁、氧化铝、氧化钙、木纤维等成分，其中陶瓷粉是以纳米陶瓷片与各种高分子材料通过物理、机械、化学等方法分散、熔融形成的聚合物，其水化产物除了水化硅酸钙、氢氧化钙外，还包括水化铝酸钙(C-A-H)、铝硅酸钙(C-A-S-H)、水化硅铝酸盐、钙矾石等，这种水泥的水化产物更为复杂，且水化反应产生的一些无定形微晶具有较高的化学稳定性，有助于填充孔隙，降低孔隙率，并提高材料的致密性。前期试验发现，粉煤灰、硅粉、棕榈油等普通水泥缓凝剂对陶瓷基水泥的水化反应抑制效果较差，而采用硼砂的缓凝效果较好，因此温控试验采用硼砂作为缓凝材料。除此之外，试验使用的拌和水为天然地下水，保温材料为铝箔橡塑棉和毛毡布。

2.2. 配合比及试件制作

试验采用直径20 cm、高40 cm的圆柱体特种水泥砂浆试件，每组试件使用水泥混合物25 kg，该水泥混合物中石英砂与陶瓷粉及各种附属外加剂的比例为0.45 : 0.55，在试件入模及脱模后都要用铝箔橡塑棉对底部及侧面做好保温处理，使热量只能向上单向传递。试件脱模后置于室内(20 ± 2) ℃自然降温至室温，部分陶瓷基特种水泥砂浆试验试件如图1所示。

Figure 1. Ceramic-based special cement mortar test specimens

图1. 陶瓷基特种水泥砂浆试验试件

2.3. 试验方案

2.3.1. 温度检测试验

通过预埋K型热偶温度传感器检测试件内部温度的变化规律，测温点设置于试件中心垂直方向，自上而下依次为0 cm、5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm共8个位置。温度记录设备为普美牌DC5508U型温度巡检仪，温度检测时间间隔为5 min/次，温度检测设备如图2所示。

Figure 2. Temperature detection equipment

图2. 温度检测设备

2.3.2. 温度控制试验

设置降低拌和水温度、加入硼砂缓凝剂、表层保温、材料预冷、降低水灰比五种温控试验方法，对比不同措施对峰值温度、内表温差的影响效果。不同试验组的材料组合、试验条件如表1所示，对照组、降低拌和水温试验组、缓凝剂试验组、表层保温试验组、材料预冷试验组、降低水灰比试验组分别用组别1、组别2、组别3、组别4、组别5、组别6表示。

Table 1. Test conditions for each test group

表1. 各试验组试验条件

试验组别	室温/℃	水温/℃	硼砂用量/g	表层保温材料	水泥温度/℃	拌和水用量/kg
1	22	20	0	无	22	4
2	22	5	0	无	22	4
3	22	20	250	无	22	4
4	22	20	0	毛毡布(覆盖2 h)	22	4
5	22	20	0	无	5	4
6	22	20	0	无	22	3

2.3.3. 力学性能试验

施加温控措施后会对试件的力学性能产生影响，现场施工时不仅要考虑如何降低道面峰值温度及温度梯度，还应研究如何保持前期强度不会下降。以各温控试验组的试验条件为基础，依据GB/T 0506-2005水泥胶砂强度试验方法(ISO法)制作40 mm × 40 mm × 160 mm的快速修补料水泥胶砂标准试件，并测试1 h、2 h、4 h、8 h、24 h、48 h试件的抗折强度及抗压强度，快速修补料胶砂试件抗折及抗压强度检测设备如图3所示。

Figure 3. Rapid repair material mortar specimen strength testing equipment

图3. 快速修补料胶砂试件强度检测设备

3. 试验数据

3.1. 各时段最高温度

试验使用的陶瓷基特种水泥不同于普通水泥，其水化速率较快，试件从升温到降至室温几乎在几天内完成，因此试验记录前48 h试件各位置的温度变化，各试验组不同时段内部最高温度变化时程图如图4所示。

Figure 4. Time history of maximum temperature change inside the specimen

图4. 试件内部最高温度变化时程图

由图4可知，试验组1、2、3、4、5、6的峰值温度分别为84.4℃、81.2℃、79.9℃、86.4℃、83.5℃、82.3℃，峰值温度在浇筑完成后出现的时刻分别为4 h、3 h、10 h、3 h、3 h、4 h。整个温度巡检过程中，除了缓凝剂试验组出现二次峰值外，对照组及其他温控试验组几乎都在4小时左右达到峰值温度，但在降温阶段各试验组试件内部降温速率都比较缓和，从峰值温度出现的时刻到浇筑完成的48小时内，试件的最高温度降至30℃左右。由此可知试件体积变化是迅速膨胀、缓慢收缩直至体积稳定，所以控制升温阶段试件膨胀产生的压应力以降低开裂风险是研究重点，加入硼砂缓凝剂后会延缓水泥前期的反应速率，但同时也会抑制试件力学性能的进展，所以在现场施工时需要合理控制缓凝剂的添加量，以免影响道面板修补后正常使用。机场道面板强度发展与水泥的水化进程紧密联系，经过检测可知试验使用的陶瓷基快速修补水泥水化反应几乎在4小时内完成，这对于机场不停航施工提供有效支持，但是过快的水化反应会导致道面板内部温度分布不均匀，进而会产生较大的温度梯度，为此进一步分析试件不同深度的温度梯度及内表最大温差变化。

3.2. 各时段最大温差

实际换板施工时修补料四周及底部接触面近乎属于绝热材料，为模拟真实的温度传递情景，试验时试件底部及侧面都用铝箔橡塑棉进行保温。经过对比8个检测点的温度检测数据发现，试件深度在20~40 cm的温度分布非常相近，而在0~20 cm范围内的温度分布差异显著，这是由于试件只能从表面散热，导致中部至表面温度变化幅度较大，即产生较大的温度梯度，建议通过分层加铺钢筋网以防止温度梯度过大带来的危险。温度应力过大是造成道面板开裂的主要原因，温度应力与材料的弹性模量、应力松弛系数、泊松比、内表温差等多种因素有关，而内表温差产生温度应力的影响最大，因此预防道面板开裂不但要降低内部峰值温度、温度梯度，还要从减小内表温差方向入手。各试验组试件内表最大温差变化时程图如图5所示。

Figure 5. Time history of maximum temperature difference between the inner and outer surfaces of the specimen

图5. 试件内表最大温差变化时程图

由图5可知，试验组1、2、3、4、5、6的内表最大温差分别为21.2℃、20.5℃、25.5℃、20.1℃、23.3℃、17.9℃，内表最大温差在浇筑完成后出现的时刻分别为5 h、6 h、11 h、6 h、7 h、5 h。由于试件表面开始降温时刻出现较早，此时水化反应还没完成，内部仍然处于升温阶段，从而导致各试验组内表温差峰值出现时刻都晚于最高温度峰值出现时刻。尽管表层保温试验组在前3小时内能够有效控制内表温差，但是在2小时撤去表层毛毡布后，试件表面温度迅速降低，内表温差峰值并没有得到有效控制；加入缓凝剂虽然导致内表温差峰值提高，但能够延缓内表温差峰值出现时刻；降低水灰比试验组减少了胶凝材料的生成，抑制热量的流失，对于降低内表温差效果较好。

(a)

(b)

Figure 6. Strength test results of specimens in each test group

图6. 各试验组试件强度测试结果

3.3. 强度试验结果

抗折强度和抗压强度分别是影响道面板抗裂性能和使用需求的主要指标，各试验组试件抗折强度和抗压强度如图6所示。试件的强度进展与水泥的水化反应过程一致，各试验组水泥胶砂试件的抗折强度及抗压强度在48 h内就能达到理想状态，且除了缓凝剂试验组外，其他试验组试件在4 h时的抗折强度超过4 MPa，抗压强度超过25 MPa。机场道面换板修复现场施工使用的混凝土包含粗骨料，其力学性能相比于水泥胶砂将进一步提升，满足紧急抢修及不停航施工的使用需求。

4. 结果讨论

4.1. 温控效果分析

以对照组温度检测数据作为参考，对比了5种温控试验组的温控效果，降低拌和水温试验组、缓凝剂试验组、表层保温试验组、材料预冷试验组、降低水灰比试验组分别使试件内部峰值温度降低3.2℃、4.5℃、−2.0℃、0.9℃、2.1℃，最大温差降低0.7℃、−4.3℃、1.1℃、−2.1℃、3.3℃。通过降低拌和水温度、加入硼砂及降低拌和水用量能够降低试件的峰值温度，但降温效果一般；材料预冷对峰值温度几乎没有影响；而表层保温会使热量散失较慢，反而会导致峰值温度提高。降低拌和水温度对于减小内表最大温差的效果较差；加入硼砂后内表温差增大，其原因是表面开始降温的时刻较早，当试件内部温度缓慢上升直至峰值温度时，表面温度已经降低5℃，导致内表温差不降反升；表层保温虽然会抑制热量的散发，但对于降低内表最大温差的效果较好；材料预冷会使试件表层降温速度加快从而增大内表温差；降低水灰比对于降低试件内表最大温差的效果最好。综合来看，降低水灰比相比于其他温控措施对于控制峰值温度及内表温差其效果更好。

4.2. 性能影响讨论

各试验组水泥胶砂试件2 h的抗折强度分别为4.34 MPa、4.51 MPa、3.43 MPa、4.39 MPa、3.87 MPa、4.79 MPa，抗压强度分别为26.79 MPa、28.23 MPa、17.58 MPa、29.40 MPa、25.44 MPa、30.39 MPa。降低拌和水温度、材料预冷、表层保温对胶砂试件的抗折强度和抗压强度影响较小，因为这几种措施是通过物理方法实现降温，仅影响热量生成及传递，对材料内部结构的影响较小，其强度几乎没有变化。加入硼砂缓凝剂、降低水灰比是通过化学方法控制材料内部水化胶体的生成及增长，其前期强度变化十分明显。

4.3. 温度应力计算

由于内表温差导致的道面板自约束应力可按照公式(1)进行计算：

${\sigma }_s(\tau )=\frac{2{\alpha }_0}{3(1-\mu )}\times E(\tau )\times \Delta T(\tau )\times K(\tau )$ (1)

式中：

${\sigma }_s\left(\tau \right)$ ——道面板期龄为$\tau$ 时的自约束应力累计值，MPa；

${\alpha }_0$ ——道面板线膨胀系数，℃⁻¹，取1.5 × 10−5℃⁻¹；

$\mu$ ——泊松比，取0.2；

$E\left(\tau \right)$ ——道面板龄期为$\tau$ 时的弹性模量，MPa；

$\Delta T\left(\tau \right)$ ——道面板期龄为$\tau$ 时的内表温差，℃；

$K\left(\tau \right)$ ——道面板龄期为时的应力松弛系数；

试验使用的特种水泥不仅强度高，还具有较好的回弹抗裂性能，其28 d标准试件弹性模量为2.7 × 10⁴ MPa，不同龄期的修补料弹性模量拟合计算公式如公式(2)所示：

$E(\tau )=E_0\cdot \left(1-a{e}^{-b\tau }\right)$ (2)

式中：

$E\left(\tau \right)$ ——龄期为$\tau$ 时试件的弹性模量，MPa；

$E_0$ ——$\tau$ →∞时的最终弹性模量，MPa，一般取试件养护28 d的弹性模量；

$a,b$ ——系数，分别取0.28、0.52；

施工要求道面板换板后2 h左右即可投入使用，施加荷载后对道面板的温度应力产生松弛效应，应力松弛系数按照公式(3)进行计算：

$\begin{array}{l}K(t,\tau )=1-(0.2125+0.3786{\tau }^{-0.4158})\times (1-e^{-0.5464(t-\tau )})\\ -(0.0495+0.2558{\tau }^{-0.0727})\times (1-e^{-0.0156(t-\tau )})\end{array}$ (3)

式中：

$K(t,\tau )$ ——应力松弛系数；

$t$ ——计算时刻龄期，d；

$\tau$ ——受荷时龄期，d，取2 h；

$t-\tau$ ——持荷时间，d；

不同试验组温度应力随时间的变化如图7所示。

Figure 7. Time history of temperature stress change of specimen

图7. 试件温度应力变化时程图

6个试验组最大温度应力出现的时刻分别为5 h、5 h、10 h、5 h、6 h、5 h，其中对照组的最大温度应力为4.90 MPa，各温控试验组最大温度应力分别为4.69 MPa、5.15 MPa、4.56 MPa、5.18 MPa、4.14 MPa。相比于对照组，各温控试验组最大温度应力分别降低了4.2%、−5.2%、7.0%、−5.6%、15.5%，降低水灰比对于控制温度应力的效果最佳。虽然加入缓凝剂不能够降低最大温度应力，但其延缓了温度应力的变化速率，同时温度应力的二次峰值相比于其他试验组延缓了5h左右。对于一些机场非紧急使用的区域，如维修机坪、滑行道等，换板施工时根据实际情况调整缓凝剂的加入量未尝不是一个好的温控措施。

对比温度应力及强度的变化曲线可以看出，试验使用的陶瓷基特种水泥试件在6h内的温度应力及强度变化速率较大，因此道面板施加防裂措施应集中在浇筑完成后至机场通航前这个时间段。由于实际施工过程中道面板中会铺设钢筋网，且粗骨料的加入提高了其力学性能，而试验测得的胶砂试件强度相比于道面板低很多，但其力学强度曲线可以作为陶瓷基水泥的性能发展参考，并为裂缝出现的时间节点提供理论依据。

5. 结论

通过试验对比了不同条件下机场道面陶瓷基快速修补水泥试件的温度及强度变化，结果表明在各种防裂技术措施中，以降低水灰比的优化配合比方法是降低温度应力的有效措施，为防止减少拌和水用量造成施工难度上升，建议使用高效减水剂以提高混凝土和易性。各试验组试件表面峰值温度出现的时刻相比于内部都较早，同时内部温度降低速率较慢，导致内表温差增大，在道面板浇筑完成后应及时覆盖毛毡布等保温材料以延缓表层降温时刻，同时在特定区域采用分时段间接性保温措施有利于防止内部温度过高。试验采用的是水泥砂浆试件，没有考虑到粗骨料对于试件的降温效果，但通过试验发现水泥预冷降温效果较差，根据普通混凝土的施工经验采用粗骨料预冷能够吸收大量水泥水化反应产生的热量，建议施工时采用粗骨料预冷的降温方式。虽然单一防裂措施的作用并不明显，但是根据环境条件及使用需求合理采用多种温控措施组合的方式能够大大提高防裂能力。

本研究存在的不足及改进措施如下：1) 为方便布置温度传感器、铺设保温材料及收集温度检测数据等，试验试件尺寸(直径20 cm、高40 cm圆柱体)与大型机场厚度相近，但体积较小，对比体积增大5倍后的试件(40 cm × 40 cm × 40 cm)发现其中心不同深度的温度变化曲线相近，因此试验试件的温度变化规律可以作为机场工程参考。为得到现场施工的准确数据，可以在施工区域预埋传感器，同时通过ABQUS、ANSYS等仿真软件建立热力耦合仿真模型模拟道面板的温度变化规律以提供前期预防准备。2) 本试验旨在对比不同温控措施对温度应力的控制效果，试验环境的温度、湿度、风速变化较小，而现场施工环境较为复杂，因此需要根据不同环境条件合理采用温控措施，如夏季温度较高应适当降低材料及拌和水温度，而冬季温度较低应加厚表层保温材料并延长保温时间等。3) 目前有关陶瓷基水泥在机场工程中的研究较少，且缺少水化反应过程中微观层面的细致研究，后续可以采用先进的表征技术(如X射线衍射、扫描电子显微镜等)分析水化产物的晶体结构和形貌，结合力学测试和耐久性评估，建立微观结构与宏观性能的关联模型。

NOTES

^*通讯作者。