起飛和降落是飛機安全運行的重要環節，許多安全事故往往發生在起飛和降落階段。當飛機遭遇突發狀況沖出跑道時，跑道端攔阻系統將成為保障飛機安全的“減速帶”。

　　不同于過去傳統的攔阻方式，如今有一項新的攔阻系統成果，它使用的混凝土從外表上看和普通水泥地面沒有差別，但在關鍵時刻，可在數秒內讓上百噸的“鋼鐵巨獸”溫柔剎車，平穩停止。這就是中國建筑材料科學研究總院有限公司(以下簡稱“中國建材總院”)所屬水泥新材院聯合航科院(北京)科技發展有限公司、中國民航科學技術研究院共同研發的由超輕泡沫混凝土制成的跑道端攔阻系統。該成果日前榮獲中國建材聯合會技術發明獎二等獎。

　　提出成本低性能優的“中國方案

　　為了保證民航客機起飛和降落安全，國際民航組織要求現代大型機場要在機場跑道盡頭設置跑道端安全區。安全區長度至少為90米，建議達到240米，寬度則必須大于跑道寬度的2倍。一旦發生飛機沖出跑道的意外情況，安全區可以將飛機及機上乘客受到的傷害降至最低。

　　安全區要發揮作用，就要求其地面材質不能太硬，也不能太軟，既要能夠攔住飛機，又不能對飛機造成嚴重損害。人們最初曾利用草地、沙土甚至水池等來充當安全區。“但這些材質都有不小的缺點，如水池容易結冰、吸引動物，土壤地面對環境溫濕度十分敏感，力學性能不穩定。”中國建材總院研發工程師方俊介紹，經過多年研發迭代，超輕泡沫混凝土已成為備受青睞的新一代攔阻材料。

　　方俊介紹，超輕泡沫混凝土如同混凝土中的“棉花糖”。它內部的孔隙率大于80%，每立方米重量只有約200公斤，是普通混凝土重量的十分之一。因此，它堅硬的外表下是一用力就會破碎的“內心”。這種獨特體質，讓它具備一種特殊功能——破碎吸能。

　　當上百噸重的大型民航客機沖出跑道、進入安全區，龐大的機體壓到攔阻系統上時，超輕泡沫混凝土會立即碎裂，將巨大的沖擊動能吸收，從而讓飛機安全緩慢地停下。

　　要練就破碎吸能的超能力，超輕泡沫混凝土的力學潰縮性能要恰到好處。“如果太硬，破碎不了就無法吸能;如果太軟，碎得太快，減緩沖擊的作用就比較差。”方俊介紹，以波音747飛機為例，其要求攔阻用的泡沫混凝土強度要精準控制在0.30—0.35兆帕范圍內。“普通的泡沫混凝土，強度越高越好。我們這個材料在要求強度更低的前提下，波動區間非常窄。”方俊說，這對超輕泡沫混凝土的生產提出了極高要求。

　　此前國外的相關技術方案采用硫鋁酸鹽水泥作為原材料，其優點是硬化速度快，降低了成型難度。但國外飛機攔阻系統價格較貴，許多低成本運行的小型機場難以承受。此外，硫鋁酸鹽水泥本身的性質也導致其在長期服役期間易發生粉化，使得強度大大降低，潰縮性能受到影響。“這些材料價格不劃算，本身缺點也比較明顯，因此我們和航科院(北京)科技發展有限公司團隊決定，自主研發新一代超輕泡沫混凝土。”方俊說，中國建材總院在水泥等無機非金屬材料研發領域積累了大量經驗，這使他們很快就掌握了生產超輕泡沫混凝土所需的基本理論。“我們之前做過類似的泡沫混凝土，主要用于制作保溫材料，有一定的經驗積累。”他說。

　　雖然有基礎，但用于飛機攔阻系統的超輕泡沫混凝土在力學性能、耐久性和耐候性等方面有更嚴苛的要求，具體的生產技術方案仍然需要團隊一點點摸索嘗試。

　　“從發泡劑、引氣劑的選擇，到成型過程中溫濕度的調控，我們做了很多試驗，試了很多配方。”方俊介紹，發泡是超輕泡沫混凝土生產的關鍵環節，整個過程就像在混凝土里吹泡泡。但在發泡時，如果孔壁強度不足，不能支撐起混凝土，便容易引起塌陷;如果發泡速度太快，“泡泡”會合并為“大泡”，然后上躥，同樣容易導致材料塌陷。

　　為了提升氣泡液膜厚度和強度，團隊創新性地引入馬來松香基雙子引氣劑，讓引氣劑分子在氣泡膜上緊密排列，形成一道結實的鎧甲，避免了材料塌陷。

　　確保長期服役性能穩定

　　飛機攔阻系統需在戶外長時間服役，如何讓材料在長期風吹雨打中依然保持力學性能穩定?針對這一難題，團隊提出兩級調控超輕泡沫混凝土強度發展技術。其原理是通過精準調控強度形成過程，讓強度層層釋放。這樣，混凝土在長期服役中，可以通過自身強度的緩慢釋放來彌補因環境造成的強度損失。

　　“傳統混凝土中，不僅有水泥，還有礦渣、煤灰等活性摻合料，它們都可以提供一定的強度。但是東西一多，強度的來源也變得復雜，難以精準控制。”方俊說，要想精準控制強度形成過程，最好的辦法就是讓強度只來源于水泥，這樣就可以通過精準調控水泥的相關參數，控制強度形成過程。為此，團隊提出用惰性摻合料替代活性摻合料稀釋水泥熟料，消除二次水化作用對強度增長的影響。

　　但要讓強度按照設計好的路徑層層釋放，還需從水泥本身入手。水泥顆粒粒徑差異顯著，從幾微米到上百微米不等。通常，粒徑越小，水化速度越快，強度形成也越迅速。得益于此前積累的大量研究，團隊成功建立了水泥顆粒度與水化速度之間的準確關系。

　　“多大顆粒的水泥，可以在什么時間內水化到多少強度，我們摸清了這個關系。”方俊介紹，通過不同顆粒大小水泥的精準配比，團隊設計了“窄區間集中分布、多區間梯度分布”的多級水化膠凝體系。該體系可按照粒徑與水化時間的關系，控制超輕泡沫混凝土的潰縮強度，使得強度層層釋放。在此體系作用下，超輕泡沫混凝土在長時間服役中損失的強度得到動態補充，實現強度動態平衡。

　　監測數據顯示，2018年應用于高海拔林芝米林機場的攔阻系統，截至目前整體力學性能波動只有3%，遠低于±10%的設計波動范圍。目前，該成果已應用于全國14個機場跑道，用自主技術守護每一次安全起降。(都 芃)