不同表面处理剂对道面混凝土性能的改善作用

吴永根，吴豪祥，李天伦，刘庆涛，梁 磊

(1.空军工程大学 航空工程学院，陕西 西安 710038； 2.中国人民解放军94923部队，福建 南平 353000)

1 前 言

混凝土是一种常用的建筑材料，由于其原料来源广泛，强度高，刚度强，在机场、公路以及建筑物等基础设施建造中得到了广泛应用。由于混凝土是一种多孔结构，内部存在大量孔隙，因此容易受到外界环境的影响。水分从混凝土表面渗入内部，在寒冷气候下结冰，易引起混凝土膨胀；水中的有害离子进入混凝土后会与内部的羟钙石发生反应，造成水泥组分流失或者膨胀，从而引起混凝土内部损伤及开裂；飞机航油渗入到混凝土的界面过渡区，也会破坏水泥和骨料的界面，影响其强度[1]。因此如何保证混凝土在预期寿命中维持良好的性能显得至关重要。

新建混凝土结构目前主要通过调整材料配合比，或在混凝土中掺入粉煤灰、硅灰以及外加剂来改善混凝土的耐久性。但当混凝土在服役期间受到破坏，出现麻面或者损伤时，上述通过原材料改善混凝土性能的方法就无法使用。针对已建成的混凝土结构，目前采用的方法包括(1)用修补材料修复受损部位；(2)采用表面处理改良混凝土表层，使其密实、防水；(3)采用注射技术进行裂缝密封；(4)用碳酸氢钠等溶液对混凝土进行电化学再碱化[2]；(5)智能型修复材料[3]。其中表面处理施工方便，可行性强，是一种极其重要的修复方法。

EN 1504-2标准将混凝土表面处理分为成膜涂层、孔隙封闭和憎水浸渍三种类型[4]。成膜涂层由于完全覆盖道面表面的纹理，造成表面摩擦力急剧下降，因此不能单独在道面上使用。憎水浸渍类材料以硅烷和硅氧烷为主，主要通过在混凝土表面形成几毫米疏水层来降低水分的渗透[5]，目前主要用于桥面修复，其使用寿命可达12年[6]，然而当水的传输机制是一定压力下的渗透而不是毛细吸力时，硅烷的防水效果会明显下降[7]。

孔隙封闭能够增强混凝土表面密实性，改善混凝土耐久性，近年来得到了广泛研究。硅酸盐、氟硅酸盐均能有效地降低混凝土的透气性和吸水性，增强混凝土的抗碳化能力[8]，同时改善混凝土的孔隙结构，减少混凝土内部大于100 nm的孔隙，其中，水玻璃主要减少100～1000 nm的孔隙[9]，纳米二氧化硅凭借尺寸优势渗入混凝土中与氢氧化钙发生反应，生成致密的水化硅酸钙[10]。Hou等[11]探究了纳米二氧化硅表面处理对混凝土性能的影响，结果表明其能够降低混凝土的透气性、吸水率和孔隙率，提高混凝土抵抗外界环境侵蚀的能力。硅酸乙酯(TEOS)是一种新型的表面处理材料，可以渗入混凝土内部3～5 mm[12]，在混凝土内与羟钙石发生反应生成水化硅酸钙，且能加长水化硅酸钙的链长[13]。侯涛系统地研究了硅酸乙酯表面处理对水泥砂浆的作用，试验结果表明，当硅酸乙酯与乙醇的体积比为1∶1时处理效果最好，其混合溶液能够降低水泥砂浆的吸水率和孔隙率[14]。

目前，针对硅酸乙酯和纳米二氧化硅的研究主要集中在水泥砂浆，且涂刷后普遍采取高湿度养护，不符合机场的实际情况。本研究选取硅酸乙酯、纳米二氧化硅和硅酸盐渗透剂(简称硅渗剂)三种表面处理材料，探究这些材料对道面混凝土性能的影响及运用于机场跑道设施的可行性。

2 试验材料与方法

2.1 原材料及表面处理

2.1.1原材料 表1为混凝土配合比及其基本性能，其中水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，粗集料为石灰石，细集料采用灞河河砂，水为普通自来水。

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

选用的表面处理材料包括硅渗剂、纳米二氧化硅和硅酸乙酯，表面处理材料相关性能参数分别见表2～5，其中硅渗剂是以硅酸锂为主要成分的混合物。本文以N、L、S、T分别表示未处理、硅渗剂处理、纳米二氧化硅处理和硅酸乙酯处理的混凝土试样。其中T7表示处理材料为质量分数为75%的硅酸乙酯和25%的无水乙醇混合后的溶液，T5则为55%的硅酸乙酯和45%的无水乙醇混合后的溶液。

表2 硅渗剂性能参数Table 2 Performance parameters of silicate infiltration agent

表3 纳米二氧化硅性能参数Table 3 Performance parameters of nano-SiO2

表4 硅酸乙酯性能参数Table 4 Performance parameters of tetraethyl orthosilicate

2.1.2对混凝土的表面处理 使用处理剂对混凝土进行表面处理时混凝土的干燥状态以及处理后的养护环境对处理效果有着重要影响[15]。根据JSCE的要求，硅酸锂属于固化类溶剂，需在干燥条件下形成不溶性晶体才能填充混凝土孔隙[16]。PIGINO和HOU分别用试验证明了硅酸乙酯和纳米二氧化硅用于干燥混凝土表面处理的可行性[12,17]。因此对混凝土试样自养护室取出后进行烘干，烘箱保持(45±5) ℃，将混凝土烘干至无明显水分即可。

烘干后置室内冷却，冷却至室温后进行表面涂刷处理。对于TEOS，每10 min涂刷一次，连续涂刷四次。而对于硅渗剂和纳米二氧化硅，由于两者渗透较慢，因此保证混凝土表面在涂刷后的40 min内保持湿润即可。每种表面处理材料均按上述方法连续涂刷3 d。对于TEOS处理后的养护环境，目前还没有统一的认识，普遍采用的是RH>90%的高湿度养护。Sandrolini等[13]研究表明TEOS在干燥和较高湿度条件下均能与羟钙石发生反应，干燥条件下反应速率相对较慢。Franzoni等[18]的试验结果则表明即使在低湿度(RH=45%～50%)状态下TEOS处理也能取得良好的效果。为保持试验条件的一致，本次表面处理后的混凝土均在室内环境下(T=(20±5) ℃，RH=(45±5)%)进行养护。

2.2 试验方法

2.2.1试件制备 采用单卧轴强制式搅拌机搅拌，先将水泥和砂干拌30 s，然后加入1/2的水继续搅拌30 s，最后加入骨料和剩余1/2水后连续搅拌120 s。

2.2.2摩擦试验 测试试件尺寸为100 mm×100 mm×400 mm，标准养护28 d后取出，按照《公路路基路面现场测试规程(JTG E60-2008)》[19]测试原始BPN值，然后进行烘干和表面处理，10 d后重新测试BPN值，测试过程中小梁测试面保持润湿状态，并保证前后测试过程中试件位置以及摆的摆动方向一致。

2.2.3吸水率试验 将150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件标准养护28 d后进行切割，切割面作为测试面。将切割后的试件放入烘箱干燥后进行表面处理，处理10 d后参考ASTM C1585-13[20]进行测试。测试前2 d需将待测混凝土的侧面用环氧树脂涂抹。到达测试时间后称量混凝土质量，然后将混凝土试件放入图1的装置中，试验过程中液面始终高于混凝土测试面1～2 mm，间隔一定时间后将混凝土取出，擦除多余水分后称量，称量完毕后重新放入装置中。

图1 吸水率试验装置Fig.1 Water absorption test device

2.2.4氯离子渗透性试验 按照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准(GB/T 50082-2009)》[21]进行试样制作和养护，养护28 d后放入烘箱干燥，由于是双面测试，因此采取浸泡处理，试件经烘干冷却后在表面处理溶液中浸泡3 h。取出后在室内干燥8 d，然后放入水中浸泡2 d以保证混凝土处于吸水饱和状态，随后将试件侧面涂上环氧树脂，待环氧树脂固化后即进行真空饱水和电通量测试，电通量测试使用RCM-8T型多功能耐久性综合测试仪进行。

2.2.5耐磨性试验 将150 mm×150 mm×150 mm立方体试件在标准养护室内养护28 d，然后放入烘箱干燥后进行表面处理，处理10 d后使用NS-2耐磨试验机进行测试，测试程序参照《混凝土及其制品耐磨性试验方法(滚珠轴承)(GB/T 16925-1997)》[22]的规范进行。试件的耐磨度按式(1)进行计算：

(1)

式中：Ia为耐磨度；R为磨头转数，千转；P为磨耗深度(最终磨耗深度-初始磨耗深度)，mm。

2.2.6单面冻融试验 试件的制作和养护均按照规范[21]进行，由于试件养护期的第7 d～28 d 均在RH<70%的环境中进行，因此达到28 d龄期即可进行表面涂刷处理，处理完10 d后将试件放入试验盒中进行预吸水，经预吸水7 d后使用SRCDF-16型单边冻融试验机对试件进行冻融试验。

3 结果与讨论

3.1 摩擦试验结果分析

摩擦试验结果见图2，由于本试验非现场试验，无法采用绝对值进行评判，因此采用前后测试的BPN差值作为评价指标。对于未经处理的混凝土，前后测试的差值为±1，因此可以认为前后测试差值在±1以内的表面处理对混凝土摩擦性能无影响。由图2可以看出，T5、T7对于混凝土表面摩擦性能基本没有影响，T7处理后部分混凝土BPN的增大可能与试样表面水接触角的增大有关[18]，而硅渗剂和纳米二氧化硅均会显著降低混凝土的表面摩阻，其中硅渗剂处理引起的降低最为明显。这并非意味硅渗剂和纳米二氧化硅无法在道路混凝土上使用，因为硅渗剂和纳米二氧化硅均属于孔隙封闭类材料，在本次试验中为保证测试性能为处理达到饱和时的性能，试剂用量均大于施工实际用量，过量的处理剂会在混凝土表面凝结成膜，因此若将硅渗剂或纳米二氧化硅应用于道面时，在施工过程中要严格控制用量，使其对混凝土表层密封性的增强效果和对摩擦的影响均能满足要求。

图2 经不同表面处理剂处理后的混凝土试件的BPN差值图Fig.2 BPN difference of different surface treatment

3.2 吸水率试验结果分析

吸水试验结果见图3，混凝土表面毛细吸水量的增长速度随着时间的延长而减缓，7 d时混凝土吸水量仍未完全收敛。N、L、S、T5、T7的7 d吸水量分别为1.64、0.95、1.30、0.41和0.36 mm，T5、T7处理使得混凝土吸水量的降低最为明显，降低率分别为75%和78%，而L和S的吸水量降低率只有42%和21%。按照式(2)、(3)对混凝土吸水率进行拟合求解，初始吸水率拟合采用5 min～6 h的吸水量数据，二次吸水率则采用1 d～7 d的数据，拟合结果及吸水率降低率分别见表5和表6。由表5和表6可以看出，二次吸水率相较于初始吸水率急剧减小，N、L、S、T5、T7的二次吸水率分别为初始吸水率的21.8%、38.0%、26.2%、38.8%、56.0%。所采用的表面处理材料均能够有效地降低吸水率，且对初始吸水率的降低最为有效，随着混凝土吸水饱和，表面处理材料的降吸水效率有所下降，S、L对二次吸水率的降低均小于20%。

(2)

(3)

图3 不同表面处理后的混凝土试件的吸水量Fig.3 Water absorption of different surface treatment

表5 初始吸水率拟合结果Table 5 Fitting results of Si

表6 二次吸水率拟合结果Table 6 Fitting results of Ss

3.3 氯离子电通量试验结果分析

氯离子电通量的试验结果见图4，硅渗剂、纳米二氧化硅和硅酸乙酯均能够提高混凝土抗氯离子渗透的能力，L、S、T5、T7的6 h氯离子电通量降低率分别为32.4%、10.1%、69.8%和68.9%。通过吸水率和氯离子电通量的综合分析，可以看出纳米二氧化硅对混凝土表面致密性的增强作用最弱，不能有效地阻挡有害氯离子的渗透，而硅酸乙酯则有最好的处理效果。这与表面处理材料的渗透能力有关，硅酸乙酯相对于其他两种材料而言，渗透能力最强，因此可以在较深的区域与氢氧化钙发生反应，反应生成的水化硅酸钙能够有效填充混凝土内部的孔隙，降低孔隙的连通率，改善混凝土的渗透性。

图4 不同表面处理后的混凝土试件的氯离子电通量Fig.4 Coulomb electric flux of different surface treatment

3.4 耐磨性试验结果分析

由图5可以看出，前1000转的磨耗深度最大，约为总5000转时磨耗深度的50%～62%，这是由于试验以混凝土收浆面作为耐磨面，水泥浮浆的耐磨性较差。N、L、S、T5、T7的耐磨度分别为1.92、2.39、1.95、2.62和2.53。硅渗剂和硅酸乙酯表面处理均能增强混凝土表面的耐磨性，而纳米二氧化硅则对此没有影响。这可能与试验未完全按照标准的使用方法有关，推荐涂刷纳米二氧化硅后对混凝土表面进行磨光，但考虑到道面混凝土表面摩擦性能的要求，本次试验并未对处理表面进行打磨。T5相对于T7能更好地改善混凝土的耐磨性，这是由于T5混合溶液中乙醇的含量较高，硅酸乙酯更容易渗入混凝土内部，所以当混凝土磨耗达一定深度后，T5处理的混凝土耐磨性更好。

图5 不同表面处理后的混凝土试件的磨耗深度Fig.5 Wear depth of different surface treatment

3.5 单面冻融试验结果分析

由于T5和T7处理效果相似，且T7防水效果更好，因此在进行单面冻融试验时只采用T7混合溶液处理后的混凝土试件。试验结果见图6，发现混凝土在经历冻融循环后超声波相对动弹模量无明显下降，因此以表面剥落累计量作为试验的终止指标。未处理混凝土经历16次冻融循环后即达到试验终止条件，纳米二氧化硅为20次，硅渗剂为24次，而硅酸乙酯处理的混凝土经历28次循环后剥落物总量只有251 g/m2。20次冻融循环后，N、L、S、T7的剥落物总量分别为2423.5、1407.0、2011.6、123.7 g/m2，T7仅为N的5.1%。这是由于硅酸乙酯能够有效地阻挡氯离子和水分的进入，因此在冻融循环过程中其受冻面不会出现膨胀和水泥脱落，只有少量的颗粒脱落，而其他表面处理的防水作用有限，虽然都可以增强混凝土表面的致密性，但在多次冻融循环作用下表面仍会出现掉皮现象，这些损坏会导致受处理部分直接脱落，间接减小了表面处理的效果。

图6 冻融循环后的剥落物总量Fig.6 Total mass of spalling after freeze-thaw cycles

4 结 论

本研究采用硅渗剂、纳米二氧化硅、硅酸乙酯作为混凝土的表面处理材料，对处理前后混凝土的各项性能进行测试分析，得到以下结论：

1、硅酸乙酯是一种理想的表面处理材料，它能够增强混凝土的抗氯离子渗透性和耐磨性，减小混凝土的吸水率，提高混凝土抗盐冻能力，经硅酸乙酯处理的混凝土在经历28次冻融循环后剥落物累计只有251 g/m2，因此推荐硅酸乙酯作为道面混凝土表面处理剂，。

2、纳米二氧化硅处理对混凝土渗透性和抗冻性的改善作用相对有限，处理后的混凝土初始吸水率降低率为21.7%，氯离子电通量的降低率为10.1%，对混凝土的耐磨度基本没有影响。

3、硅渗剂处理能够有效降低混凝土的吸水率，处理后的混凝土初始吸水率降低率可达50%，对混凝土的耐磨性、抗氯离子渗透能力和抗冻性能也有积极的影响，可将衡量混凝土表面剥落终止指标的单面冻融循环次数由16次提高至24次，使混凝土耐磨度提高24.5%，6 h氯离子电通量降低32.4%，但需注意施工用量，防止在混凝土表面出现成膜现象。

目前试验主要针对未损坏混凝土，适用范围受限，下一步将对经受冻融破坏且表面出现脱落的混凝土进行表面处理并分析其对混凝土的增强作用。