不同表面處理劑對(duì)道面混凝土性能的改善作用

吳永根，吳豪祥，李天倫，劉慶濤，梁 磊

(1.空軍工程大學(xué) 航空工程學(xué)院，陜西 西安 710038； 2.中國(guó)人民解放軍94923部隊(duì)，福建 南平 353000)

1 前 言

混凝土是一種常用的建筑材料，由于其原料來源廣泛，強(qiáng)度高，剛度強(qiáng)，在機(jī)場(chǎng)、公路以及建筑物等基礎(chǔ)設(shè)施建造中得到了廣泛應(yīng)用。由于混凝土是一種多孔結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在大量孔隙，因此容易受到外界環(huán)境的影響。水分從混凝土表面滲入內(nèi)部，在寒冷氣候下結(jié)冰，易引起混凝土膨脹；水中的有害離子進(jìn)入混凝土后會(huì)與內(nèi)部的羥鈣石發(fā)生反應(yīng)，造成水泥組分流失或者膨脹，從而引起混凝土內(nèi)部損傷及開裂；飛機(jī)航油滲入到混凝土的界面過渡區(qū)，也會(huì)破壞水泥和骨料的界面，影響其強(qiáng)度[1]。因此如何保證混凝土在預(yù)期壽命中維持良好的性能顯得至關(guān)重要。

新建混凝土結(jié)構(gòu)目前主要通過調(diào)整材料配合比，或在混凝土中摻入粉煤灰、硅灰以及外加劑來改善混凝土的耐久性。但當(dāng)混凝土在服役期間受到破壞，出現(xiàn)麻面或者損傷時(shí)，上述通過原材料改善混凝土性能的方法就無法使用。針對(duì)已建成的混凝土結(jié)構(gòu)，目前采用的方法包括(1)用修補(bǔ)材料修復(fù)受損部位；(2)采用表面處理改良混凝土表層，使其密實(shí)、防水；(3)采用注射技術(shù)進(jìn)行裂縫密封；(4)用碳酸氫鈉等溶液對(duì)混凝土進(jìn)行電化學(xué)再堿化[2]；(5)智能型修復(fù)材料[3]。其中表面處理施工方便，可行性強(qiáng)，是一種極其重要的修復(fù)方法。

EN 1504-2標(biāo)準(zhǔn)將混凝土表面處理分為成膜涂層、孔隙封閉和憎水浸漬三種類型[4]。成膜涂層由于完全覆蓋道面表面的紋理，造成表面摩擦力急劇下降，因此不能單獨(dú)在道面上使用。憎水浸漬類材料以硅烷和硅氧烷為主，主要通過在混凝土表面形成幾毫米疏水層來降低水分的滲透[5]，目前主要用于橋面修復(fù)，其使用壽命可達(dá)12年[6]，然而當(dāng)水的傳輸機(jī)制是一定壓力下的滲透而不是毛細(xì)吸力時(shí)，硅烷的防水效果會(huì)明顯下降[7]。

孔隙封閉能夠增強(qiáng)混凝土表面密實(shí)性，改善混凝土耐久性，近年來得到了廣泛研究。硅酸鹽、氟硅酸鹽均能有效地降低混凝土的透氣性和吸水性，增強(qiáng)混凝土的抗碳化能力[8]，同時(shí)改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，減少混凝土內(nèi)部大于100 nm的孔隙，其中，水玻璃主要減少100～1000 nm的孔隙[9]，納米二氧化硅憑借尺寸優(yōu)勢(shì)滲入混凝土中與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成致密的水化硅酸鈣[10]。Hou等[11]探究了納米二氧化硅表面處理對(duì)混凝土性能的影響，結(jié)果表明其能夠降低混凝土的透氣性、吸水率和孔隙率，提高混凝土抵抗外界環(huán)境侵蝕的能力。硅酸乙酯(TEOS)是一種新型的表面處理材料，可以滲入混凝土內(nèi)部3～5 mm[12]，在混凝土內(nèi)與羥鈣石發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣，且能加長(zhǎng)水化硅酸鈣的鏈長(zhǎng)[13]。侯濤系統(tǒng)地研究了硅酸乙酯表面處理對(duì)水泥砂漿的作用，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)硅酸乙酯與乙醇的體積比為1∶1時(shí)處理效果最好，其混合溶液能夠降低水泥砂漿的吸水率和孔隙率[14]。

目前，針對(duì)硅酸乙酯和納米二氧化硅的研究主要集中在水泥砂漿，且涂刷后普遍采取高濕度養(yǎng)護(hù)，不符合機(jī)場(chǎng)的實(shí)際情況。本研究選取硅酸乙酯、納米二氧化硅和硅酸鹽滲透劑(簡(jiǎn)稱硅滲劑)三種表面處理材料，探究這些材料對(duì)道面混凝土性能的影響及運(yùn)用于機(jī)場(chǎng)跑道設(shè)施的可行性。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 原材料及表面處理

2.1.1原材料 表1為混凝土配合比及其基本性能，其中水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，粗集料為石灰石，細(xì)集料采用灞河河砂，水為普通自來水。

表1 混凝土配合比及性能Table 1 Mixture proportion and properties of concrete

選用的表面處理材料包括硅滲劑、納米二氧化硅和硅酸乙酯，表面處理材料相關(guān)性能參數(shù)分別見表2～5，其中硅滲劑是以硅酸鋰為主要成分的混合物。本文以N、L、S、T分別表示未處理、硅滲劑處理、納米二氧化硅處理和硅酸乙酯處理的混凝土試樣。其中T7表示處理材料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的硅酸乙酯和25%的無水乙醇混合后的溶液，T5則為55%的硅酸乙酯和45%的無水乙醇混合后的溶液。

表2 硅滲劑性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of silicate infiltration agent

表3 納米二氧化硅性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of nano-SiO2

表4 硅酸乙酯性能參數(shù)Table 4 Performance parameters of tetraethyl orthosilicate

2.1.2對(duì)混凝土的表面處理 使用處理劑對(duì)混凝土進(jìn)行表面處理時(shí)混凝土的干燥狀態(tài)以及處理后的養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)處理效果有著重要影響[15]。根據(jù)JSCE的要求，硅酸鋰屬于固化類溶劑，需在干燥條件下形成不溶性晶體才能填充混凝土孔隙[16]。PIGINO和HOU分別用試驗(yàn)證明了硅酸乙酯和納米二氧化硅用于干燥混凝土表面處理的可行性[12,17]。因此對(duì)混凝土試樣自養(yǎng)護(hù)室取出后進(jìn)行烘干，烘箱保持(45±5) ℃，將混凝土烘干至無明顯水分即可。

烘干后置室內(nèi)冷卻，冷卻至室溫后進(jìn)行表面涂刷處理。對(duì)于TEOS，每10 min涂刷一次，連續(xù)涂刷四次。而對(duì)于硅滲劑和納米二氧化硅，由于兩者滲透較慢，因此保證混凝土表面在涂刷后的40 min內(nèi)保持濕潤(rùn)即可。每種表面處理材料均按上述方法連續(xù)涂刷3 d。對(duì)于TEOS處理后的養(yǎng)護(hù)環(huán)境，目前還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，普遍采用的是RH>90%的高濕度養(yǎng)護(hù)。Sandrolini等[13]研究表明TEOS在干燥和較高濕度條件下均能與羥鈣石發(fā)生反應(yīng)，干燥條件下反應(yīng)速率相對(duì)較慢。Franzoni等[18]的試驗(yàn)結(jié)果則表明即使在低濕度(RH=45%～50%)狀態(tài)下TEOS處理也能取得良好的效果。為保持試驗(yàn)條件的一致，本次表面處理后的混凝土均在室內(nèi)環(huán)境下(T=(20±5) ℃，RH=(45±5)%)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1試件制備 采用單臥軸強(qiáng)制式攪拌機(jī)攪拌，先將水泥和砂干拌30 s，然后加入1/2的水繼續(xù)攪拌30 s，最后加入骨料和剩余1/2水后連續(xù)攪拌120 s。

2.2.2摩擦試驗(yàn) 測(cè)試試件尺寸為100 mm×100 mm×400 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后取出，按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程(JTG E60-2008)》[19]測(cè)試原始BPN值，然后進(jìn)行烘干和表面處理，10 d后重新測(cè)試BPN值，測(cè)試過程中小梁測(cè)試面保持潤(rùn)濕狀態(tài)，并保證前后測(cè)試過程中試件位置以及擺的擺動(dòng)方向一致。

2.2.3吸水率試驗(yàn) 將150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行切割，切割面作為測(cè)試面。將切割后的試件放入烘箱干燥后進(jìn)行表面處理，處理10 d后參考ASTM C1585-13[20]進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試前2 d需將待測(cè)混凝土的側(cè)面用環(huán)氧樹脂涂抹。到達(dá)測(cè)試時(shí)間后稱量混凝土質(zhì)量，然后將混凝土試件放入圖1的裝置中，試驗(yàn)過程中液面始終高于混凝土測(cè)試面1～2 mm，間隔一定時(shí)間后將混凝土取出，擦除多余水分后稱量，稱量完畢后重新放入裝置中。

圖1 吸水率試驗(yàn)裝置Fig.1 Water absorption test device

2.2.4氯離子滲透性試驗(yàn) 按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50082-2009)》[21]進(jìn)行試樣制作和養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后放入烘箱干燥，由于是雙面測(cè)試，因此采取浸泡處理，試件經(jīng)烘干冷卻后在表面處理溶液中浸泡3 h。取出后在室內(nèi)干燥8 d，然后放入水中浸泡2 d以保證混凝土處于吸水飽和狀態(tài)，隨后將試件側(cè)面涂上環(huán)氧樹脂，待環(huán)氧樹脂固化后即進(jìn)行真空飽水和電通量測(cè)試，電通量測(cè)試使用RCM-8T型多功能耐久性綜合測(cè)試儀進(jìn)行。

2.2.5耐磨性試驗(yàn) 將150 mm×150 mm×150 mm立方體試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，然后放入烘箱干燥后進(jìn)行表面處理，處理10 d后使用NS-2耐磨試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試程序參照《混凝土及其制品耐磨性試驗(yàn)方法(滾珠軸承)(GB/T 16925-1997)》[22]的規(guī)范進(jìn)行。試件的耐磨度按式(1)進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：Ia為耐磨度；R為磨頭轉(zhuǎn)數(shù)，千轉(zhuǎn)；P為磨耗深度(最終磨耗深度-初始磨耗深度)，mm。

2.2.6單面凍融試驗(yàn) 試件的制作和養(yǎng)護(hù)均按照規(guī)范[21]進(jìn)行，由于試件養(yǎng)護(hù)期的第7 d～28 d 均在RH<70%的環(huán)境中進(jìn)行，因此達(dá)到28 d齡期即可進(jìn)行表面涂刷處理，處理完10 d后將試件放入試驗(yàn)盒中進(jìn)行預(yù)吸水，經(jīng)預(yù)吸水7 d后使用SRCDF-16型單邊凍融試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行凍融試驗(yàn)。

3 結(jié)果與討論

3.1 摩擦試驗(yàn)結(jié)果分析

摩擦試驗(yàn)結(jié)果見圖2，由于本試驗(yàn)非現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，無法采用絕對(duì)值進(jìn)行評(píng)判，因此采用前后測(cè)試的BPN差值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于未經(jīng)處理的混凝土，前后測(cè)試的差值為±1，因此可以認(rèn)為前后測(cè)試差值在±1以內(nèi)的表面處理對(duì)混凝土摩擦性能無影響。由圖2可以看出，T5、T7對(duì)于混凝土表面摩擦性能基本沒有影響，T7處理后部分混凝土BPN的增大可能與試樣表面水接觸角的增大有關(guān)[18]，而硅滲劑和納米二氧化硅均會(huì)顯著降低混凝土的表面摩阻，其中硅滲劑處理引起的降低最為明顯。這并非意味硅滲劑和納米二氧化硅無法在道路混凝土上使用，因?yàn)楣铦B劑和納米二氧化硅均屬于孔隙封閉類材料，在本次試驗(yàn)中為保證測(cè)試性能為處理達(dá)到飽和時(shí)的性能，試劑用量均大于施工實(shí)際用量，過量的處理劑會(huì)在混凝土表面凝結(jié)成膜，因此若將硅滲劑或納米二氧化硅應(yīng)用于道面時(shí)，在施工過程中要嚴(yán)格控制用量，使其對(duì)混凝土表層密封性的增強(qiáng)效果和對(duì)摩擦的影響均能滿足要求。

圖2 經(jīng)不同表面處理劑處理后的混凝土試件的BPN差值圖Fig.2 BPN difference of different surface treatment

3.2 吸水率試驗(yàn)結(jié)果分析

吸水試驗(yàn)結(jié)果見圖3，混凝土表面毛細(xì)吸水量的增長(zhǎng)速度隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而減緩，7 d時(shí)混凝土吸水量仍未完全收斂。N、L、S、T5、T7的7 d吸水量分別為1.64、0.95、1.30、0.41和0.36 mm，T5、T7處理使得混凝土吸水量的降低最為明顯，降低率分別為75%和78%，而L和S的吸水量降低率只有42%和21%。按照式(2)、(3)對(duì)混凝土吸水率進(jìn)行擬合求解，初始吸水率擬合采用5 min～6 h的吸水量數(shù)據(jù)，二次吸水率則采用1 d～7 d的數(shù)據(jù)，擬合結(jié)果及吸水率降低率分別見表5和表6。由表5和表6可以看出，二次吸水率相較于初始吸水率急劇減小，N、L、S、T5、T7的二次吸水率分別為初始吸水率的21.8%、38.0%、26.2%、38.8%、56.0%。所采用的表面處理材料均能夠有效地降低吸水率，且對(duì)初始吸水率的降低最為有效，隨著混凝土吸水飽和，表面處理材料的降吸水效率有所下降，S、L對(duì)二次吸水率的降低均小于20%。

(2)

(3)

圖3 不同表面處理后的混凝土試件的吸水量Fig.3 Water absorption of different surface treatment

表5 初始吸水率擬合結(jié)果Table 5 Fitting results of Si

表6 二次吸水率擬合結(jié)果Table 6 Fitting results of Ss

3.3 氯離子電通量試驗(yàn)結(jié)果分析

氯離子電通量的試驗(yàn)結(jié)果見圖4，硅滲劑、納米二氧化硅和硅酸乙酯均能夠提高混凝土抗氯離子滲透的能力，L、S、T5、T7的6 h氯離子電通量降低率分別為32.4%、10.1%、69.8%和68.9%。通過吸水率和氯離子電通量的綜合分析，可以看出納米二氧化硅對(duì)混凝土表面致密性的增強(qiáng)作用最弱，不能有效地阻擋有害氯離子的滲透，而硅酸乙酯則有最好的處理效果。這與表面處理材料的滲透能力有關(guān)，硅酸乙酯相對(duì)于其他兩種材料而言，滲透能力最強(qiáng)，因此可以在較深的區(qū)域與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)生成的水化硅酸鈣能夠有效填充混凝土內(nèi)部的孔隙，降低孔隙的連通率，改善混凝土的滲透性。

圖4 不同表面處理后的混凝土試件的氯離子電通量Fig.4 Coulomb electric flux of different surface treatment

3.4 耐磨性試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖5可以看出，前1000轉(zhuǎn)的磨耗深度最大，約為總5000轉(zhuǎn)時(shí)磨耗深度的50%～62%，這是由于試驗(yàn)以混凝土收漿面作為耐磨面，水泥浮漿的耐磨性較差。N、L、S、T5、T7的耐磨度分別為1.92、2.39、1.95、2.62和2.53。硅滲劑和硅酸乙酯表面處理均能增強(qiáng)混凝土表面的耐磨性，而納米二氧化硅則對(duì)此沒有影響。這可能與試驗(yàn)未完全按照標(biāo)準(zhǔn)的使用方法有關(guān)，推薦涂刷納米二氧化硅后對(duì)混凝土表面進(jìn)行磨光，但考慮到道面混凝土表面摩擦性能的要求，本次試驗(yàn)并未對(duì)處理表面進(jìn)行打磨。T5相對(duì)于T7能更好地改善混凝土的耐磨性，這是由于T5混合溶液中乙醇的含量較高，硅酸乙酯更容易滲入混凝土內(nèi)部，所以當(dāng)混凝土磨耗達(dá)一定深度后，T5處理的混凝土耐磨性更好。

圖5 不同表面處理后的混凝土試件的磨耗深度Fig.5 Wear depth of different surface treatment

3.5 單面凍融試驗(yàn)結(jié)果分析

由于T5和T7處理效果相似，且T7防水效果更好，因此在進(jìn)行單面凍融試驗(yàn)時(shí)只采用T7混合溶液處理后的混凝土試件。試驗(yàn)結(jié)果見圖6，發(fā)現(xiàn)混凝土在經(jīng)歷凍融循環(huán)后超聲波相對(duì)動(dòng)彈模量無明顯下降，因此以表面剝落累計(jì)量作為試驗(yàn)的終止指標(biāo)。未處理混凝土經(jīng)歷16次凍融循環(huán)后即達(dá)到試驗(yàn)終止條件，納米二氧化硅為20次，硅滲劑為24次，而硅酸乙酯處理的混凝土經(jīng)歷28次循環(huán)后剝落物總量只有251 g/m2。20次凍融循環(huán)后，N、L、S、T7的剝落物總量分別為2423.5、1407.0、2011.6、123.7 g/m2，T7僅為N的5.1%。這是由于硅酸乙酯能夠有效地阻擋氯離子和水分的進(jìn)入，因此在凍融循環(huán)過程中其受凍面不會(huì)出現(xiàn)膨脹和水泥脫落，只有少量的顆粒脫落，而其他表面處理的防水作用有限，雖然都可以增強(qiáng)混凝土表面的致密性，但在多次凍融循環(huán)作用下表面仍會(huì)出現(xiàn)掉皮現(xiàn)象，這些損壞會(huì)導(dǎo)致受處理部分直接脫落，間接減小了表面處理的效果。

圖6 凍融循環(huán)后的剝落物總量Fig.6 Total mass of spalling after freeze-thaw cycles

4 結(jié) 論

本研究采用硅滲劑、納米二氧化硅、硅酸乙酯作為混凝土的表面處理材料，對(duì)處理前后混凝土的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試分析，得到以下結(jié)論：

1、硅酸乙酯是一種理想的表面處理材料，它能夠增強(qiáng)混凝土的抗氯離子滲透性和耐磨性，減小混凝土的吸水率，提高混凝土抗鹽凍能力，經(jīng)硅酸乙酯處理的混凝土在經(jīng)歷28次凍融循環(huán)后剝落物累計(jì)只有251 g/m2，因此推薦硅酸乙酯作為道面混凝土表面處理劑，。

2、納米二氧化硅處理對(duì)混凝土滲透性和抗凍性的改善作用相對(duì)有限，處理后的混凝土初始吸水率降低率為21.7%，氯離子電通量的降低率為10.1%，對(duì)混凝土的耐磨度基本沒有影響。

3、硅滲劑處理能夠有效降低混凝土的吸水率，處理后的混凝土初始吸水率降低率可達(dá)50%，對(duì)混凝土的耐磨性、抗氯離子滲透能力和抗凍性能也有積極的影響，可將衡量混凝土表面剝落終止指標(biāo)的單面凍融循環(huán)次數(shù)由16次提高至24次，使混凝土耐磨度提高24.5%，6 h氯離子電通量降低32.4%，但需注意施工用量，防止在混凝土表面出現(xiàn)成膜現(xiàn)象。

目前試驗(yàn)主要針對(duì)未損壞混凝土，適用范圍受限，下一步將對(duì)經(jīng)受凍融破壞且表面出現(xiàn)脫落的混凝土進(jìn)行表面處理并分析其對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用。