李天倫，吳永根，吳豪祥

1）空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院，陜西西安 710038；2）中國人民解放軍94831部隊，福建武夷山 354300

通常情況下，機(jī)場道面除承受飛機(jī)的沖擊作用和水平荷載等力學(xué)作用外，還會在溫度、濕度和酸堿度等環(huán)境因素和非自然環(huán)境（如除冰鹽）的綜合作用下［1-2］，出現(xiàn)起皮剝落、松散掉粒、開裂和孔洞等情況，嚴(yán)重影響道面的正常使用，威脅飛機(jī)的運(yùn)行安全．此類道面損壞主要表現(xiàn)為表面功能層損壞，并未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，因而無須翻建．為了達(dá)到提高混凝土的耐久性和使用壽命的目的，對混凝土進(jìn)行表面處理是一種經(jīng)濟(jì)可行的措施［3-4］.

MEDEIROS等［5-9］將表面處理材料分為3大類：①孔隙滲透型，能夠滲透于混凝土孔隙中，并通過化學(xué)反應(yīng)覆蓋于孔隙表面，但無法增強(qiáng)混凝土表層密實度，當(dāng)混凝土的孔隙率較低時，對混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)效果將會大幅下降；②表面成膜型，隔離效果良好，但耐高溫性能較差，且會覆蓋混凝土表面紋理，降低摩擦力，即使可以在環(huán)氧樹脂上撒布骨料作為交通抗滑層，但也增大了施工難度；③孔隙封閉型，能夠?qū)⑼苛献陨砘蛘咄苛现械牟糠只钚晕镔|(zhì)滲透于混凝土孔隙之中，并在其中發(fā)生原位反應(yīng)，封閉孔隙，是一種更有效的混凝土表面處理材料．硅酸乙酯是修復(fù)建筑和文化遺產(chǎn)中常用的石材固化劑，PIGINO等［10］發(fā)現(xiàn)硅酸乙酯具有良好的滲透能力與火山灰活性，能顯著降低混凝土的毛細(xì)吸力、氯離子擴(kuò)散系數(shù)和碳化深度，應(yīng)用于混凝土表面時表現(xiàn)出良好的性能．硅酸鋰溶膠有模數(shù)高、SiO2含量高和分子比鈉鉀分子小等優(yōu)勢．KUANG等［11］研究發(fā)現(xiàn)硅酸鋰能使混凝土內(nèi)部孔隙變小，使混凝土更加致密，表面處理效果比硅酸鈉和硅烷更好．在水泥和混凝土中納米SiO2得到深入研究［12］，表現(xiàn)出非常細(xì)的顆粒尺寸和極高的火山灰活性．為分析不同材料處理對道面混凝土性能的改善效果，本研究選擇能夠封閉孔隙的硅酸乙酯、硅滲劑和納米SiO2三種表面固化材料，通過比較它們在機(jī)場道面施工中的實際應(yīng)用情況，探究3種表面固化材料在機(jī)場道面的適用性.

1 材料與試驗

1.1 材料

所有混凝土試件均按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50080—2016）［13］的方法同一批次制作完成．試驗中使用的表面固化材料有：①山東豐盼新材料公司生產(chǎn)的硅酸乙酯，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.61%，酸度為40 mg/g，黏度為5.04 Pa·s，密度為1.058 g/cm3，有機(jī)揮發(fā)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜3%；②湖南峰航新材料公司生產(chǎn)的硅滲劑，密度為（1.18±0.03）g/cm3，pH值為11.0±1.0，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（22.0±2.2）%，黏度為（11.0±1.0）Pa·s，表面張力≤30.0 mN/m；③上海志創(chuàng)精細(xì)化工公司生產(chǎn)的納米硅固化劑（納米SiO2），粒徑為（10±1）nm，硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為（12.5±1.0）%，密度為（1.125±0.007）g/cm3，pH值為11.0±0.5.

本研究以N、T、L和S分別表示未處理、硅酸乙酯處理、硅滲劑處理和納米SiO2處理的混凝土試樣.其中，T5表示質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的硅酸乙酯和45%的無水乙醇混合后的溶液；T7則為75%的硅酸乙酯和25%的無水乙醇混合后的溶液.

1.2 試驗方法

1.2.1 表面固化處理

試驗過程中，吸水率、耐火蝕和抗水滲透試驗采用涂刷處理方式，快速凍融和抗硫酸鹽侵蝕試驗則采用浸泡處理方式.

涂刷處理指采用毛刷對混凝土試件進(jìn)行表面處理，由于混凝土對不同固化材料的吸收速率不同，因此在涂刷過程中根據(jù)實際吸收狀況采用不同的涂刷程序.若涂刷后固化材料在10 min內(nèi)干燥，則間隔10 min后涂刷第2遍，持續(xù)30 min；若固化材料吸收較慢，則只需保證混凝土表面在涂刷30 min后保持濕潤.每天涂刷1次，連續(xù)涂刷3 d．浸泡處理則是將混凝土泡入裝有固化材料的容器里，保持固化材料高于試件頂面至少1 cm，持續(xù)3 h.

1.2.2 吸水率試驗

將150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后切割成兩部分，將切割面作為測試面.將切割后的試件放入烘箱內(nèi)干燥，干燥至恒重后進(jìn)行表面涂刷處理，隨后放置在溫度θ=（20±2）℃，相對濕度RH=（50±10）%的室內(nèi)固化10 d，然后按照ASTM C1585—13［14］進(jìn)行測試．測試前1～2 d在混凝土試件的側(cè)面涂上環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂固化后稱量質(zhì)量．試驗過程中液面始終高于混凝土測試面1～2 mm，間隔一定時間后將混凝土取出，擦除測試面多余水分重新稱量質(zhì)量.

1.2.3 耐火蝕試驗

將經(jīng)過表面固化處理（同吸水率試驗）的試件燒蝕60 min后測試吸水率．火焰燒蝕每次持續(xù)5 min，待試件冷卻后再次進(jìn)行火焰燒蝕，再次燒蝕時將試件旋轉(zhuǎn)90°.火焰噴槍模擬飛機(jī)尾噴，噴槍與試件在火蝕過程中始終保持30°夾角．火焰燒蝕過程中，進(jìn)氣量保持統(tǒng)一水平，試件周圍溫度采用Pt100溫度傳感器進(jìn)行測量．火燭溫度分布見圖1．火蝕完成后將試件放于室內(nèi)冷卻，每天監(jiān)測試件質(zhì)量變化，待試件質(zhì)量穩(wěn)定后重新進(jìn)行吸水率測試.

圖1 火蝕溫度分布Fig.1 Erosion temperature distribution.

1.2.4 抗水滲透試驗

將圓臺形試件按照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009）［15］進(jìn)行制備與養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后取出烘干，烘干至下底面（承水壓面）干燥后進(jìn)行表面涂刷處理，而后在θ=（20±2）℃、RH=（50±10）%的室內(nèi)環(huán)境下固化10 d后進(jìn)行密封和裝模，密封采用加熱后的粉煤灰和黃油混合物．密封完畢后安裝到HP-40混凝土抗?jié)B儀上，5 min將水壓升至（1.20±0.05）MPa并保持恒定，24 h后取下劈開測量滲水高度.

1.2.5 快速凍融試驗

品種在獼猴桃生產(chǎn)種植中也是具有戰(zhàn)略地位的生產(chǎn)力要素，成功的種植莫不是得益于優(yōu)良品種的助力。相反的，國內(nèi)在獼猴桃種植選種中，慘痛教訓(xùn)數(shù)不勝數(shù)，究其原因，就是過于相信炒種者忽悠，缺少對品種在種植過程重要意義的評估。創(chuàng)新要提倡，謹(jǐn)慎更重要。選擇品種，除了關(guān)注其出身來源（培育者及種質(zhì)源），實地了解該品種全面的性狀或少量試種親自觀察品種特性都是必不可少的環(huán)節(jié)。

將100 mm×100 mm×400 mm的棱柱體試件按照標(biāo)準(zhǔn)［15］進(jìn)行制備與養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后取出，在θ=（20±2）℃、RH=（50±10）%的室內(nèi)環(huán)境下干燥10 d后進(jìn)行浸泡處理，而后繼續(xù)在室內(nèi)環(huán)境下固化，固化6 d后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室的水槽內(nèi)，水槽內(nèi)水高于混凝土頂面3 cm，浸泡4 d后稱量質(zhì)量并測試初始動彈性模量，而后放入TDR-16快速凍融機(jī)內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)．每循環(huán)25次將試件取出對混凝土進(jìn)行表觀觀察、質(zhì)量測量和動彈性模量測試，測試完畢后將試件調(diào)頭重新放入凍融機(jī)內(nèi).

1.2.6 抗硫酸鹽侵蝕試驗

將100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件按照標(biāo)準(zhǔn)［15］進(jìn)行制備與養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后取出烘干，放于室內(nèi)冷卻至室溫，并進(jìn)行浸泡處理．處理完畢后在室內(nèi)固化10 d，放入MKS-4硫酸鹽侵蝕試驗箱內(nèi)進(jìn)行試驗，測試分別循環(huán)15、30、60和90次后的抗壓強(qiáng)度.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 吸水率試驗結(jié)果分析

不同表面固化處理后混凝土的吸水量與時間的關(guān)系見圖2．由圖2可見，混凝土的表面毛細(xì)吸水速度隨著時間的延長逐漸變慢，7 d時混凝土的吸水仍未達(dá)到飽和狀態(tài)．N、L、S、T5和T7的7 d吸水量分別為3.08、1.27、1.81、0.32和0.35 mm，T5和T7對于混凝土吸水量的降低最為明顯，降低率為90%，而L和S的吸水量降低率只有59%和41%，這是因為3種表面固化材料除了封堵孔隙或修復(fù)存在的裂縫，提高混凝土的密實度外，硅酸乙酯可以同時增加混凝土的水接觸角和吸水時間，而硅滲劑和納米SiO2只能增加水接觸角［16］.

圖2 不同表面固化處理后混凝土的吸水量隨時間的平方根的變化Fig.2 Water absorption of concrete with square root of time after different surface curing treatment.N is not surfaced,L is surfaced with silicon infiltration agent,S is surfaced with nano-SiO2,T5 is surfaced with 55% ethyl silicate by mass fraction,T7 is surfaced with 75% ethyl silicate by mass fraction.

按照式（1）和式（2）對吸水率進(jìn)行擬合求解.其中，初始吸水率Si采用5 min～6 h的吸水量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（表1），2次吸水率Ss采用1～7 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合（表2）．由表1和表2可以看出，3種表面固化材料均能夠有效降低毛細(xì)吸水率，試件的2次吸水率相較于初始吸水率急劇減小，這是因為混凝土吸水后，孔隙逐漸飽和，孔隙的毛細(xì)吸力相對減小，容納水的空間也縮小.

表1 初始吸水率Si擬合結(jié)果1）Table 1 Fitting results of Si

表2 2次吸水率Ss擬合結(jié)果1）Table 2 Fitting results of Ss

其中，Ii為初始吸水量（單位：mm）；Is為2次吸水量（單位：mm）；Si為初始吸水率（單位：mm/min1/2）；Ss為2次吸水率（單位：mm/min1/2）；b1和b2為擬合參數(shù)（單位：mm）；t為時間（單位：min）.

2.2 耐火蝕試驗結(jié)果分析

火蝕后混凝土的吸水量與時間的關(guān)系見圖3．火燭后混凝土的初始吸水率和2次吸水率的擬合結(jié)果分別見表3和表4．由圖3、表3和表4可以看出，經(jīng)過60 min火蝕后，相較于火蝕前，火蝕后N、L、S、T5和T7試件的吸水量分別增長1.2、2.6、2.4、1.1和1.2 mm，主要原因是火蝕導(dǎo)致混凝土毛細(xì)孔水和結(jié)合水的散失以及氫氧化鈣的分解，孔隙和裂縫增多或變大．L試件和S試件火蝕后7 d吸水量降低率只有9.4%和2.6%，遠(yuǎn)小于火蝕前的58.7%和41.3%，T5試件和T7試件則為68.1%和64.9%，小于火蝕前的90%.從火蝕前后吸水率變化幅度來看，混凝土試件的初始吸水率和2次吸水率經(jīng)過火蝕后有明顯增長，其中，S試件的初始吸水率增幅最大，L試件的2次吸水率增幅最大，說明高溫火焰燒蝕會嚴(yán)重降低表面固化材料的有效性.

圖3 火蝕后混凝土的吸水量隨時間的平方根的變化Fig.3 Water absorption of concrete with square root of time after fire erosion.N is not surfaced,L is surfaced with silicon infiltration agent,S is surfaced with nano-SiO2,T5 is surfaced with 55% ethyl silicate by mass fraction,T7 is surfaced with 75% ethyl silicate by mass fraction.

表3 火蝕后初始吸水率Si擬合結(jié)果1）Table 3 Fitting results of Si after fire etching

表4 火蝕后2次吸水率Ss擬合結(jié)果1）Table 4 Fitting results of Ss after fire etching

2.3 抗水滲透試驗結(jié)果分析

不同表面固化處理后混凝土的滲水高度見圖4．由圖4可以看出，硅滲劑、納米SiO2和硅酸乙酯表面固化處理均能有效增強(qiáng)混凝土的抗水滲透性能．L試件的滲水高度最低，S、T5和T7試件的滲水高度相近.在滲水高度降低率上，L試件依然最高，為44.2%，S、T5和T7試件在28%～33%.這是因為3種表面固化材料除了堵塞孔隙和封閉裂縫外，硅滲劑在測試面上形成一層透明的薄膜，納米SiO2也會產(chǎn)生大量粉末狀物質(zhì)覆蓋測試面，薄膜和覆蓋物封閉表面成為抵抗水分滲透的第一層屏障，而硅酸乙酯沒有產(chǎn)生任何成膜效果［16］.

圖4 不同表面固化處理后混凝土的滲水高度Fig.4 Water seepage height of concrete after different surface curing treatment.N is not surfaced,L is surfaced with silicon infiltration agent,S is surfaced with nano-SiO2,T5 is surfaced with 55% ethyl silicate by mass fraction,T7 is surfaced with 75% ethyl silicate by mass fraction.

2.4 快速凍融試驗結(jié)果分析

圖5 不同表面固化處理后混凝土相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化Fig.5 Concrete relative dynamic modulus of elasticity with the number of freeze-thaw cycles after different surface curing treatment.N is not surfaced,L is surfaced with silicon infiltration agent,S is surfaced with nano-SiO2,T5 is surfaced with 55% ethyl silicate by mass fraction,T7 is surfaced with 75% ethyl silicate by mass fraction.

2.5 抗硫酸鹽侵蝕試驗結(jié)果分析

抗壓強(qiáng)度耐蝕系數(shù)(Kf)為

其中，fcn為經(jīng)過n次干濕循環(huán)后混凝土抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）；fc0為與fcn測試試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)同齡期的混凝土抗壓強(qiáng)度（單位：MPa）.

不同表面固化處理后混凝土的Kf隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化見圖6．由圖6可以看出，對照組的Kf隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多先升后降，表面固化處理混凝土試件的Kf曲線呈現(xiàn)一直下降的趨勢．當(dāng)干濕循環(huán)90次時，N試件的Kf為78.6%，L、S、T5和T7試件的Kf則分別為86.1%、86.1%、85.4%和84.0%，這是因為3種表面固化材料均能夠與氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，從而提高抗硫酸鹽侵蝕的能力．N、L、S、T5和T7試件的抗壓強(qiáng)度分別為59.3、66.1、65.2、64.7和64.1 MPa，相比N試件的強(qiáng)度提高率分別為11%、10%、9%和8%，可以看出硅滲劑固化處理效果稍優(yōu)于其他兩種材料.

圖6 不同表面固化處理后混凝土的Kf隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化Fig.6 Concrete Kf with the number of wetting and drying cycles after different surface curing treatment.N is not surfaced,L is surfaced with silicon infiltration agent,S is surfaced with nano-SiO2,T5 is surfaced with 55% ethyl silicate by mass fraction,T7 is surfaced with 75% ethyl silicate by mass fraction.

3 不同表面固化處理材料在機(jī)場道面的適用性

3.1 性能改善效果分析

硅酸乙酯固化處理在改善混凝土吸水性、耐火蝕性及抗凍性方面效果最好，在抗水滲透性的增強(qiáng)方面略遜于硅滲劑和納米SiO2.在抗硫酸鹽侵蝕方面，3種固化材料改善效果的差異較小.硅滲劑在3種表面固化材料中性能改善效果良好，在抗水滲透性增強(qiáng)方面效果最好.納米SiO2固化處理相對其他兩種表面固化材料對混凝土的改善效果較差，僅在抗硫酸鹽侵蝕和抗水滲透性上效果不錯.因此，從性能改善效果來看，納米SiO2不適用于機(jī)場道面混凝土.

3.2 施工可行性分析

在施工過程中，硅滲劑根據(jù)施工面積可選擇多功能噴灑車或小型噴槍進(jìn)行噴灑，納米SiO2則多采用手持式噴霧器進(jìn)行噴灑，兩者噴灑后除需要攤鋪均勻外不需要進(jìn)行其他處理，施工相對簡單.硅酸乙酯的現(xiàn)場施工則需要特別注意，硅酸乙酯混合溶液中主要是硅酸乙酯和無水乙醇，兩者均屬于可燃液體，閃點分別為37℃（閉杯）和13℃（閉杯），屬于Ⅲ類危險貨物［18］，并且無水乙醇蒸發(fā)很快，當(dāng)大量乙醇蒸汽和空氣混合后容易爆炸，具有一定的易爆性.因此，硅酸乙酯在機(jī)場道面的表面修復(fù)和固化中還沒有大面積應(yīng)用，施工可行性還需要大量的研究來證明.

4 結(jié)論

綜上可知：

1）在硅酸乙酯、硅滲劑和納米SiO2三種表面固化材料中硅滲劑綜合性能表現(xiàn)良好，且運(yùn)輸和施工工藝比較成熟，最適合作為機(jī)場道面的表面固化材料.

2）硅酸乙酯在改善混凝土吸水性、耐火蝕性和抗凍性上表現(xiàn)最好，在抗水滲透性和抗侵蝕性上略遜于其他兩種材料，但是運(yùn)輸和儲存具有一定危險性，且目前沒有好的解決辦法，其在機(jī)場道面的適用性還需要進(jìn)一步的研究.

3）納米SiO2對混凝土的性能改善效果不佳，僅在抗硫酸鹽侵蝕和抗水滲透上取得較好的效果，不推薦應(yīng)用于機(jī)場道面混凝土.

4）從對混凝土性能的改善效果來看，硅酸乙酯是一種理想的表面固化材料，但目前針對硅酸乙酯對混凝土耐久性影響的深入研究還比較匱乏，針對硅酸乙酯的改性是一個有價值的研究方向.