近年来,随着航班起降架次明显增多,飞机冲出、偏出跑道的事故次数呈上升趋势,威胁着航空安全和乘客生命财产安全。飞机拦阻系统(Engineered Material Arresting System,简称EMAS)是一种采用超轻质混凝土作为单元体拼装而成的吸能系统,能够安全拦停冲出跑道的飞机以保证飞机及机上人员的安全。EMAS用超轻质混凝土要求轻质、低强,设计服役周期长达20年。由于EMAS在服役过程中是直接暴露在大气中,特别是在高原大温差、大蒸发等复杂服役环境下,易出现老化、粉化等现象,导致超轻质混凝土性能不满足设计要求,不得不提前退出服役。为提高EMAS用超轻质混凝土在高原等复杂环境下的服役寿命和服役性能,本文设计的“P·I水泥+惰性掺合料”胶凝材料体系提高了超轻质混凝土力学性能稳定性,同时基于水泥颗粒粒度分布,提出梯级控制胶凝体系的水化进程,精准控制超轻质混凝土溃缩强度按设计要求发展。取得以下试验结果:1.设计“P·I水泥+惰性掺合料”胶凝材料体系,其中P·I水泥为活性水硬性胶凝材料,采用大掺量惰性掺合料替代活性掺合料和部分水泥,研究了新体系下原材料对超轻质混凝土性能和孔径分布的影响。在试验用量范围内,发泡剂用量决定超轻质混凝土干密度,增大稳泡剂用量使超轻质混凝土孔径分布更集中,增大水胶比使孔径趋于变小,增大惰性掺合料掺量使超轻质混凝土溃缩强度减小。基于超轻质混凝土的干密度及溃缩强度的变化规律确定了新体系超轻质混凝土中惰性掺合料、发泡剂和稳泡剂的取值范围分别为63.0%～64.3%、4.4%和5.0%,水胶比为0.54～0.56。2.对比研究了P·I水泥体系、P·II水泥体系和硫铝酸盐水泥体系制备超轻质混凝土的制备工艺、孔结构特征、力学性能和耐久性,结果显示P·I水泥体系制备的超轻质混凝土性能最好,但还需进一步提高。(1)从制备工艺上看,P·I水泥体系和P·II水泥体系下浆体碱度高(p H分别为10.41和10.47),发泡速率快;硫铝酸盐水泥体系下浆体碱度最低(p H为9.01),发泡速率最慢。(2)从孔径分布上看,P·I水泥体系和P·II水泥体系制备的超轻质混凝土孔径大小和分布相近,气孔集中分布在1.0 mm～2.0 mm;硫铝酸盐体系制备的超轻质混凝土孔径较大,气孔集中分布在1.5 mm～2.5 mm。(3)从力学性能上看,P·I水泥体系制备的超轻质混凝土力学性能稳定性远高于其它两种胶凝体系,60 d～150 d溃缩强度变化率为4.81%(约为设计要求的1/4)。(4)从耐久性上看,P·I水泥体系制备的超轻质混凝土半溃缩能软化系数和抗冻系数分别为0.67和0.70,略低于其它两种胶凝体系和设计要求(设计要求为0.8～1.2,越接近1说明耐水性和抗冻性越好);质量吸水率和质量损失率分别为22.66%和1.91%,也略低于其它两种胶凝体系(质量吸水率和质量损失率越低说明耐水性和抗冻性越好)。3.基于不同粒度水泥水化对超轻质混凝土强度的贡献,将P·I水泥分为粗(>35μm)、中(8～35μm)、细(<8μm)三个粒度区间,研究了不同粒度水泥的水化速率。细粒度水泥水化速率快,1 d和3 d的水化程度分别为58.6%和80.9%,能够快速形成强度,避免生产过程中的塌模;中粒度水泥水化速率适中,7 d和28 d水化程度分别为69.4%和76.2%,能够得到较高的7 d和28 d溃缩强度;粗粒度水泥各个龄期水化程度均较低,可以补偿超轻质混凝土后期强度损失。4.通过优化水泥颗粒的粒度分布,实现了梯级调控超轻质混凝土水化进程,超轻质混凝土溃缩强度按照设计要求发展,1 d、7 d和28 d溃缩强度分别达到300 d的56%、68%和86%,90 d～300 d溃缩强度变化率为1.8%,半溃缩能软化系数为0.874、抗冻系数为0.885。采用“级配水泥+大掺量惰性掺合料”胶凝材料体系制备的超轻质混凝土具有稳定的力学性能、良好的耐水性能和抗冻融性能。