科技日报记者 都 芃
起飞和降落是飞机安全运行的重要环节，许多安全事故往往发生在起飞和降落阶段。当飞机遭遇突发状况冲出跑道时，跑道端拦阻系统将成为保障飞机安全的“减速带”。
不同于过去传统的拦阻方式，如今有一项新的拦阻系统成果，它使用的混凝土从外表上看和普通水泥地面没有差别，但在关键时刻，可在数秒内让上百吨的“钢铁巨兽”温柔刹车，平稳停止。这就是中国建筑材料科学研究总院有限公司（以下简称“中国建材总院”）所属水泥新材院联合航科院（北京）科技发展有限公司、中国民航科学技术研究院共同研发的由超轻泡沫混凝土制成的跑道端拦阻系统。该成果日前荣获中国建材联合会技术发明奖二等奖。
提出成本低、性能优的“中国方案”
为了保证民航客机起飞和降落安全，国际民航组织要求现代大型机场要在机场跑道尽头设置跑道端安全区。安全区长度至少为90米，建议达到240米，宽度则必须大于跑道宽度的2倍。一旦发生飞机冲出跑道的意外情况，安全区可以将飞机及机上乘客受到的伤害降至最低。
安全区要发挥作用，就要求其地面材质不能太硬，也不能太软，既要能够拦住飞机，又不能对飞机造成严重损害。人们最初曾利用草地、沙土甚至水池等来充当安全区。“但这些材质都有不小的缺点，如水池容易结冰、吸引动物，土壤地面对环境温湿度十分敏感，力学性能不稳定。”中国建材总院研发工程师方俊告诉记者，经过多年研发迭代，超轻泡沫混凝土已成为备受青睐的新一代拦阻材料。
方俊介绍，超轻泡沫混凝土如同混凝土中的“棉花糖”。它内部的孔隙率大于80%，每立方米重量只有约200公斤，是普通混凝土重量的十分之一。因此，它坚硬的外表下是一用力就会破碎的“内心”。这种独特体质，让它具备一种特殊功能——破碎吸能。
当上百吨重的大型民航客机冲出跑道、进入安全区，庞大的机体压到拦阻系统上时，超轻泡沫混凝土会立即碎裂，将巨大的冲击动能吸收，从而让飞机安全缓慢地停下。
要练就破碎吸能的超能力，超轻泡沫混凝土的力学溃缩性能要恰到好处。“如果太硬，破碎不了就无法吸能；如果太软，碎得太快，减缓冲击的作用就比较差。”方俊介绍，以波音747飞机为例，其要求拦阻用的泡沫混凝土强度要精准控制在0.30—0.35兆帕范围内。“普通的泡沫混凝土，强度越高越好。我们这个材料在要求强度更低的前提下，波动区间非常窄。”方俊说，这对超轻泡沫混凝土的生产提出了极高要求。
此前国外的相关技术方案采用硫铝酸盐水泥作为原材料，其优点是硬化速度快，降低了成型难度。但国外飞机拦阻系统价格较贵，许多低成本运行的小型机场难以承受。此外，硫铝酸盐水泥本身的性质也导致其在长期服役期间易发生粉化，使得强度大大降低，溃缩性能受到影响。“这些材料价格不划算，本身缺点也比较明显，因此我们和航科院（北京）科技发展有限公司团队决定，自主研发新一代超轻泡沫混凝土。”方俊说，中国建材总院在水泥等无机非金属材料研发领域积累了大量经验，这使他们很快就掌握了生产超轻泡沫混凝土所需的基本理论。“我们之前做过类似的泡沫混凝土，主要用于制作保温材料，有一定的经验积累。”他说。
虽然有基础，但用于飞机拦阻系统的超轻泡沫混凝土在力学性能、耐久性和耐候性等方面有更严苛的要求，具体的生产技术方案仍然需要团队一点点摸索尝试。
“从发泡剂、引气剂的选择，到成型过程中温湿度的调控，我们做了很多试验，试了很多配方。”方俊介绍，发泡是超轻泡沫混凝土生产的关键环节，整个过程就像在混凝土里吹泡泡。但在发泡时，如果孔壁强度不足，不能支撑起混凝土，便容易引起塌陷；如果发泡速度太快，“泡泡”会合并为“大泡”，然后上蹿，同样容易导致材料塌陷。
为了提升气泡液膜厚度和强度，团队创新性地引入马来松香基双子引气剂，让引气剂分子在气泡膜上紧密排列，形成一道结实的铠甲，避免了材料塌陷。
确保长期服役性能稳定
飞机拦阻系统需在户外长时间服役，如何让材料在长期风吹雨打中依然保持力学性能稳定？针对这一难题，团队提出两级调控超轻泡沫混凝土强度发展技术。其原理是通过精准调控强度形成过程，让强度层层释放。这样，混凝土在长期服役中，可以通过自身强度的缓慢释放来弥补因环境造成的强度损失。
“传统混凝土中，不仅有水泥，还有矿渣、煤灰等活性掺合料，它们都可以提供一定的强度。但是东西一多，强度的来源也变得复杂，难以精准控制。”方俊说，要想精准控制强度形成过程，最好的办法就是让强度只来源于水泥，这样就可以通过精准调控水泥的相关参数，控制强度形成过程。为此，团队提出用惰性掺合料替代活性掺合料稀释水泥熟料，消除二次水化作用对强度增长的影响。
但要让强度按照设计好的路径层层释放，还需从水泥本身入手。水泥颗粒粒径差异显著，从几微米到上百微米不等。通常，粒径越小，水化速度越快，强度形成也越迅速。得益于此前积累的大量研究，团队成功建立了水泥颗粒度与水化速度之间的准确关系。
“多大颗粒的水泥，可以在什么时间内水化到多少强度，我们摸清了这个关系。”方俊告诉记者，通过不同颗粒大小水泥的精准配比，团队设计了“窄区间集中分布、多区间梯度分布”的多级水化胶凝体系。该体系可按照粒径与水化时间的关系，控制超轻泡沫混凝土的溃缩强度，使得强度层层释放。在此体系作用下，超轻泡沫混凝土在长时间服役中损失的强度得到动态补充，实现强度动态平衡。
监测数据显示，2018年应用于高海拔林芝米林机场的拦阻系统，截至目前整体力学性能波动只有3%，远低于±10%的设计波动范围。目前，该成果已应用于全国14个机场跑道，用自主技术守护每一次安全起降。
