機(jī)場(chǎng)道面混凝土表面強(qiáng)化材料的性能研究

朱懋江,翁興中,高 瑞,姜 樂(lè),李萬(wàn)春,李猛深

1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院,陜西 西安 710038

2.西部戰(zhàn)區(qū)空軍后勤部,陜西 西安 710077

3.中國(guó)人民解放軍93055部隊(duì),遼寧 沈陽(yáng) 110021

4.中國(guó)人民解放軍93882部隊(duì),陜西 寶雞 721006

1 引言

在我國(guó)現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)中，水泥混凝土道面由于其所具有的強(qiáng)度大、穩(wěn)定性及耐久性好等特點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。隨著我國(guó)航空業(yè)的發(fā)展，一方面大型化、重載化的機(jī)型增大了道面承受的荷載[2]，另一方面，在我國(guó)北方寒冷地區(qū)修建的機(jī)場(chǎng)跑道面臨著凍融循環(huán)作用的侵害。機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面表層為水泥砂漿層，其強(qiáng)度較低，抗變形能力差，易開(kāi)裂，本身在日常使用時(shí)易產(chǎn)生磨損、剝落等病害。而在增大的飛機(jī)荷載和凍融循環(huán)的雙重作用下，周圍介質(zhì)（空氣、雨水）沿裂縫滲透到混凝土內(nèi)部后會(huì)引起混凝土的進(jìn)一步破壞，從而加速道面裂縫發(fā)展，進(jìn)而加重道面表層所產(chǎn)生的剝落、起砂露石等病害，嚴(yán)重時(shí)甚至影響飛機(jī)的正常起降。

近年來(lái)，圍繞著提高道面混凝土使用壽命的目的，翁興中等[3]研究了聚丙烯纖維對(duì)混凝土耐久性的作用機(jī)理，岑國(guó)平[4]等分析了不同種類纖維對(duì)混凝土耐久性的影響，董祥[2]等討論了使用聚丙烯纖維提高道面混凝土抗凍性時(shí)的最佳摻量，徐桑振[5]等提出了用硅烷浸漬的方式改善寒區(qū)機(jī)場(chǎng)道面使用性能。這些研究提出了諸多可行的道面混凝土耐久性增強(qiáng)方法，但這些研究都只偏重于對(duì)混凝土抗凍性能的研究，而且缺乏定量的對(duì)比研究。事實(shí)上，評(píng)價(jià)機(jī)場(chǎng)道面混凝土表面性能另一個(gè)重要指標(biāo)是耐磨耗性能，而現(xiàn)有研究對(duì)強(qiáng)化后混凝土的耐磨耗性能關(guān)注較少。

為了研究不同種類的強(qiáng)化方式對(duì)水泥混凝土道面的表面性能改善效果，選擇了在混凝土原料中分別摻入纖維和聚合物乳液以及在現(xiàn)有混凝土表層噴涂硅烷保護(hù)劑等三種方式，比較了在最佳摻量下三種方法對(duì)于道面混凝土抗凍性和耐磨性的改善情況，分析了不同材料的作用機(jī)理，基于材料特點(diǎn)提出了不同強(qiáng)化方式在道面施工中的應(yīng)用，為下一步進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及進(jìn)一步在機(jī)場(chǎng)推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

水泥選用陜西耀縣的秦嶺牌P.O 42.5R水泥，水泥用量為320 kg/m3。試驗(yàn)使用的水為普通自來(lái)水，根據(jù)試驗(yàn)水灰比，調(diào)整用水量。細(xì)集料為取自西安灞河的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.78。試驗(yàn)粗集料選用陜西涇陽(yáng)石灰?guī)r碎石，分4.75～19mm，19～37.5 mm兩種級(jí)配，質(zhì)量比為45：55。外摻聚合物采用上海巴斯夫公司生產(chǎn)的SD-623型羧基丁苯乳液，材料技術(shù)指標(biāo)如表1所示。外摻纖維采用北京中紡纖建生產(chǎn)的改性聚丙烯纖維，纖維的性能參數(shù)如表2所示。硅烷浸漬型混凝土保護(hù)劑采用深圳東泰有機(jī)硅公司生產(chǎn)的BYS-81型混凝土保護(hù)劑，材料的基本參數(shù)如表3所示。

表1 羧基丁苯乳液技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of carboxylic styrene butadiene latex

表2 改性聚丙烯纖維性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of modified polypropylene fiber

表3 硅烷浸漬型混凝土保護(hù)劑基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of silane impregnated concrete protectant

2.2 試驗(yàn)用配合比

為確保試驗(yàn)所用混凝土試件在凍融和磨耗試驗(yàn)中自身表面性能可以通過(guò)各種方式得到提升，在前期設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，進(jìn)行了混凝土表面性能影響因素敏感性分析，綜合分析了水灰比、細(xì)集料含泥量、細(xì)集料細(xì)度模數(shù)、砂率對(duì)混凝土抗凍性、耐磨性的影響，并在此基礎(chǔ)上確定了基于表面性能的試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比，如表4所示。

表4 混凝土基準(zhǔn)配合比Table 4 Standard mixing proportion of concrete

2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于環(huán)境對(duì)道面的凍融循環(huán)破壞作用時(shí)間較長(zhǎng)，通常通過(guò)室內(nèi)凍融試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)混凝土的抗凍性。道面混凝土的凍融破壞具有單面受凍的特征，因此，在進(jìn)行室內(nèi)凍融試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，將混凝土受凍面設(shè)定為單面受凍，參考相關(guān)規(guī)范[6]對(duì)單面凍融試驗(yàn)的要求，設(shè)計(jì)了符合道面混凝土凍融特點(diǎn)的單面凍融試驗(yàn)。

凍融循環(huán)試驗(yàn)具體步驟參考規(guī)范[6]中單面凍融法，試驗(yàn)過(guò)程保持試件底面以上10 mm的部分浸入凍融液，凍融循環(huán)設(shè)置為12 h，其中試件浸水示意圖如圖2，溫度變化如圖3。

圖1 試件浸水示意圖Fig.1 Diagram of test specimen’s immersion

圖2 凍融循環(huán)溫度控制Fig.2 Freeze-thaw cycle temperature control

根據(jù)規(guī)范[6]，試驗(yàn)選擇28次凍融過(guò)程后的單位面積剝落物質(zhì)量Id/(kg/m2)與相對(duì)動(dòng)彈模量Ed/(%)來(lái)表征混凝土的凍融損傷。

2.4 磨耗試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于機(jī)輪對(duì)道面的磨耗作用是個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)存在難度大，周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此選擇對(duì)道面混凝土耐磨性進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。磨耗試驗(yàn)具體試驗(yàn)步驟參照相關(guān)規(guī)范[7]，在磨耗60轉(zhuǎn)之后稱量試件質(zhì)量，計(jì)算并記錄磨耗質(zhì)量。在計(jì)量方面根據(jù)規(guī)范，使用單位面積上的磨耗量Im/kg/m2來(lái)表征混凝土材料耐磨性，磨耗量Im按式(1)計(jì)算。

其中Im為單位面積磨耗量(kg/m2)；m為試樣的初始質(zhì)量(kg)；m'為試樣磨耗60轉(zhuǎn)后的剩余質(zhì)量(kg)；0.0125為試樣磨耗面積(m2)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 摻入纖維對(duì)混凝土表面性能的影響

3.1.1 摻入纖維后混凝土試件的凍融試驗(yàn)和耐磨試驗(yàn) 為研究纖維對(duì)混凝土表面性能的增強(qiáng)效果，選用北京中紡纖建生產(chǎn)的改性聚丙烯纖維，在之前所述的混凝土基準(zhǔn)配比基礎(chǔ)上，控制纖維摻量分別為0.5 kg/m3、0.7 kg/m3、0.9 kg/m3、1.1 kg/m3配制試驗(yàn)試件，同時(shí)按基準(zhǔn)配比配制一組纖維摻量為0 kg/m3的試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分別進(jìn)行單面凍融試驗(yàn)、表面磨耗試驗(yàn)，得到試件28次凍融后的單位面積剝落量Id、相對(duì)動(dòng)彈模量Ed以及耐磨試件在橡膠磨頭作用下的單位面積磨耗量Im，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、4所示。其中，圖3、4橫坐標(biāo)為纖維摻量，圖3縱坐標(biāo)為試件單位面積凍融試驗(yàn)剝落（磨耗試驗(yàn)?zāi)ズ模┵|(zhì)量，圖4縱坐標(biāo)為試件凍融試驗(yàn)相對(duì)動(dòng)彈模量。

圖4 纖維摻量對(duì)相對(duì)動(dòng)彈模量的影響Fig.4 Influence of fiber proportion on specimens’relative dynamic modulus

圖3 纖維摻量對(duì)試件單位面積質(zhì)量損耗的影響Fig.3 Influence of fiber content on mass loss per unit area of specimen

由凍融試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入纖維后，混凝土的28次凍融的單位面積剝落量均有所減少，且減少程度隨纖維摻量變化較大，分布在3%～27%不等，28次凍融后的相對(duì)動(dòng)彈模量較對(duì)比組均有所提高，普遍提升了2%左右，這表明纖維增強(qiáng)了混凝土抗凍融破壞的能力，減少了凍融損傷。當(dāng)纖維摻量為

0.9 kg/m3時(shí)，纖維對(duì)混凝土的抗凍性能的提升最為明顯，此時(shí)的單位面積剝落量減少了27%，相對(duì)動(dòng)彈模量提升高達(dá)3.8%，即當(dāng)纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，混凝土的凍融損傷最小。這是由于纖維加入混凝土結(jié)構(gòu)后，一方面內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)得到了改善，趙軍等[8]曾在實(shí)驗(yàn)中指出，由凍融作用產(chǎn)生的靜水壓力與滲透壓力對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙的應(yīng)力作用開(kāi)始減弱，纖維均勻緩解了凍融過(guò)程中由于混凝土溫度變化引起的內(nèi)應(yīng)力，從而有效減少了混凝土裂縫的開(kāi)裂與擴(kuò)展；另一方面，亂向分布的纖維在混凝土攪拌過(guò)程中阻礙了空氣的溢出[2]，提高了試件的含氣量，從而緩解了凍融循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的靜水壓力和滲透壓力，進(jìn)而提升了混凝土的抗凍性。由磨耗試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入纖維后，在相應(yīng)磨耗圈數(shù)作用下，混凝土單位面積磨耗量普遍減少7%左右，當(dāng)纖維摻量為0.9 kg/m3時(shí)，纖維對(duì)混凝土的耐磨性能的提升最為明顯，此時(shí)的單位面積磨耗量減少了8.4%。但相比凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，纖維的加入對(duì)于混凝土耐磨性能的增強(qiáng)不明顯。這是由于纖維材料作為了非結(jié)構(gòu)性補(bǔ)強(qiáng)材料增強(qiáng)了混凝土內(nèi)部的整體結(jié)構(gòu)[9]，但是由于其在混凝土制作時(shí)廣泛分布到了混凝土各處，因而對(duì)表層砂漿層的表面性能沒(méi)有特殊的增強(qiáng)效果。同時(shí)從圖中易知，在纖維摻量大于0.9 kg/m3時(shí)，試件整體的表面性能出現(xiàn)了下滑，這是因?yàn)槔w維摻量的增加使得其在混凝土中不易分散開(kāi)來(lái)，易在混凝土中形成薄弱面，從而導(dǎo)致本來(lái)就沒(méi)有被纖維特別增強(qiáng)的水泥砂漿表層抗凍性和耐磨性的下降，因此得出纖維的最佳摻量是0.9 kg/m3。

3.1.2 摻入纖維后混凝土試件的多次凍融試驗(yàn) 由于聚丙烯纖維屬于聚合物材料，在多次凍融的試驗(yàn)條件下可能因變脆而發(fā)生破壞，失去原有功能，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)胶侠w維材料的混凝土試件抗凍性整體降低。為了排除這一因素的可能性，選取纖維摻量為0.9 kg/m3的試件與不摻加纖維的試件進(jìn)行42次、56次、70次、84次、98次和112次凍融，以凍融后試件的相對(duì)動(dòng)彈模量表征凍融試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 摻入纖維后混凝土試件多次凍融實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Multi freeze-thaw experimental results of concrete specimens after adding fiber

從圖5中可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，摻加纖維混凝土的彈性模量始終高于沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的混凝土，由此可以說(shuō)明盡管凍融次數(shù)增加了，纖維結(jié)構(gòu)并沒(méi)有隨之破壞，而繼續(xù)在混凝土內(nèi)部保持工作，因此摻加纖維確實(shí)可以提高混凝土的抗凍性。

3.2 摻入聚合物乳液對(duì)混凝土表面性能的影響

3.2.1 摻入聚合物乳液后混凝土試件的凍融試驗(yàn)和耐磨試驗(yàn) 為了研究聚合物對(duì)于混凝土表面性能的作用效果，在之前所述的混凝土基準(zhǔn)配比基礎(chǔ)上，控制聚合物乳液占水泥的質(zhì)量百分比（聚灰比）為4%、8%、12%、16%，對(duì)應(yīng)的單位體積混凝土摻量分別為12.8 kg/m3、25.6 kg/m3、38.4 kg/m3、51.2 kg/m3。由于聚合物乳液的固含量為49%，為了確保試驗(yàn)水灰比為2.2節(jié)確定的水灰比，配制混凝土所需水的質(zhì)量應(yīng)減去聚合物乳液中水的質(zhì)量，并保證總量與基準(zhǔn)配合比相同。按基準(zhǔn)配比配制一組聚合物摻量為0 kg/m3的試件進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并分別進(jìn)行單面凍融試驗(yàn)、表面磨耗試驗(yàn)，得到試件28次凍融后的單位面積剝落量Id、相對(duì)動(dòng)彈模量Ed以及耐磨試件在橡膠磨頭作用60次的單位面積磨耗量Im，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、7所示。其中，圖6、7橫坐標(biāo)為聚灰比，圖6縱坐標(biāo)為試件單位面積凍融試驗(yàn)剝落（磨耗試驗(yàn)?zāi)ズ模┵|(zhì)量，圖7縱坐標(biāo)為試件凍融試驗(yàn)相對(duì)動(dòng)彈模量。

圖6 聚合物乳液摻量對(duì)試件單位面積質(zhì)量損耗的影響Fig.6 Influence of polymer latexed content on the mass loss per unit area of the specimen

圖7 聚合物乳液摻量對(duì)相對(duì)動(dòng)彈模量的影響Fig.7 Influence of polymer latexed content on relative dynamic modulus

由凍融試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入聚合物乳液后，混凝土的28次凍融的單位面積剝落量均有所減少，當(dāng)聚灰比大于等于12%時(shí)，聚合物對(duì)混凝土的強(qiáng)化作用較為明顯，單位面積剝落量均減少43%以上。同時(shí)，摻聚合物混凝土的28次凍融相對(duì)動(dòng)彈模量較對(duì)比組均提高0.7%～3.4%不等，其中當(dāng)聚灰比大于等于12%時(shí)，相對(duì)動(dòng)彈模量提升了2.9%以上。這表明道面混凝土由于聚合物乳液的加入，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了改善。一方面，聚合物的填充、成膜、網(wǎng)狀密封等作用有效減小了孔隙率[10]，改善了孔隙結(jié)構(gòu)；另一方面，聚合物乳液本身的粘附性和內(nèi)部的親水基團(tuán)改善了其材料和孔隙邊界上的粘附狀況，鞏固了混凝土內(nèi)部的膠凝結(jié)構(gòu)，兩者共同作用減弱了由凍融作用產(chǎn)生的靜水壓力與滲透壓力對(duì)混凝土內(nèi)部孔隙的應(yīng)力作用，從而增強(qiáng)了混凝土抗凍融破壞的能力，減少了凍融損傷。由磨耗試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入聚合物乳液后，混凝土單面面積磨耗量較對(duì)照組減少2.5%～40%不等，而且在聚灰比大于等于12%時(shí)，混凝土單面面積磨耗量減少了4%以上。這說(shuō)明聚合物使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)化了水泥砂漿層與骨料的過(guò)度界面，對(duì)表層砂漿層增強(qiáng)的效果較明顯。但從圖6和圖7同時(shí)也可以看出，當(dāng)聚灰比大于12%時(shí)，試件的表面性能反而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于過(guò)大的乳液摻量使得丁苯乳液附著在水泥顆粒表面，阻礙了水泥自身的水化反應(yīng)，同時(shí)減弱了水泥水化產(chǎn)物之間的相互連接，從而導(dǎo)致了混凝土整體力學(xué)強(qiáng)度的下降和砂漿表層硬度的降低，進(jìn)而使得試件的抗凍指標(biāo)和耐磨指標(biāo)均有所下降，因此聚合物改性混凝土的最佳聚灰比為12%。

3.2.2 摻入聚合物乳液后混凝土試件的多次凍融試驗(yàn) 由于丁苯乳液屬于有機(jī)材料，在多次凍融的試驗(yàn)條件下也可能因變脆而發(fā)生破壞，失去原有功能，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)郊泳酆衔锶橐旱幕炷猎嚰箖鲂哉w降低。為了排除這一因素的可能性，選取聚灰比為12%的試件與不摻加聚合物乳液的試件進(jìn)行42次、56次、70次、84次、98次和112次凍融，以凍融后試件的相對(duì)動(dòng)彈模量表征凍融試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 摻加聚合物乳液后混凝土試件多次凍融實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Multi freeze-thaw results of concrete specimen after adding polymer emulsion

從圖8中可以看出，隨著凍融次數(shù)的增加，摻加聚合物乳液混凝土的彈性模量始終高于沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的混凝土，由此可以說(shuō)明盡管凍融次數(shù)增加了，聚合物的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有隨之破壞，繼續(xù)在混凝土內(nèi)部保持工作，因此聚合物乳液也確實(shí)可以提高混凝土的抗凍性。

3.3 硅烷保護(hù)劑對(duì)混凝土表面性能的影響

3.3.1 硅烷保護(hù)劑噴涂后試件的凍融試驗(yàn)與耐磨試驗(yàn) 為了研究硅烷保護(hù)劑對(duì)混凝土表面性能的影響，本試驗(yàn)選用BYS-81型混凝土保護(hù)劑對(duì)28 d養(yǎng)護(hù)后的混凝土試件進(jìn)行表面處理，試樣涂覆硅烷浸漬劑后，置于溫度為 20℃～23℃、相對(duì)濕度為50%～70%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)，7 d后取出進(jìn)行試驗(yàn)。以2.2中基準(zhǔn)配合比配制6組試驗(yàn)試件，其中5組試件涂刷硅烷保護(hù)劑用量分別2 m2/kg、3 m2/kg、4 m2/kg、5 m2/kg、6 m2/kg，另一組不做噴涂處理作為對(duì)比組，分別進(jìn)行單面凍融試驗(yàn)、表面磨耗試驗(yàn)，得到試件28次凍融后的單位面積剝落量Id、相對(duì)動(dòng)彈模量Ed以及耐磨試件在橡膠磨頭作用下的單位面積磨耗量Im，試驗(yàn)結(jié)果如圖9、10所示。其中，圖9、10橫坐標(biāo)為硅烷噴涂量，圖9縱坐標(biāo)為試件單位面積凍融試驗(yàn)剝落（磨耗試驗(yàn)?zāi)ズ模┵|(zhì)量，圖10縱坐標(biāo)為試件凍融試驗(yàn)相對(duì)動(dòng)彈模量。

圖9 硅烷噴涂量對(duì)試件單位面積質(zhì)量損耗的影響Fig.9 Influence of silane spray proportion on specimens’mass loss per unit area

圖10 硅烷噴涂量對(duì)相對(duì)動(dòng)彈模量的影響Fig.10 Influence of silane spray proportion on specimens’relative dynamic modulus

由凍融試驗(yàn)結(jié)果可知，混凝土表面噴涂硅烷保護(hù)劑后，凍融過(guò)程中單位面積剝落物質(zhì)量Id較對(duì)比組均有明顯減小，而且在硅烷保護(hù)劑單位質(zhì)量噴涂面積在4 m2時(shí)達(dá)到最佳效果，減少量高達(dá)72.9%。這是因?yàn)橐环矫婀柰楸Ｗo(hù)劑通過(guò)水解、聚合反應(yīng)，改變了水與混凝土界面的接觸角并使得混凝土成為憎水性材料[11]，減小了混凝土自身的吸水率；另一方面，硅烷在混凝土表層及毛細(xì)孔壁上形成了一層致密的薄膜結(jié)構(gòu)[12]，有效阻礙了水分的遷移擴(kuò)散，兩者共同作用減弱了混凝土的凍融損傷。同時(shí)從圖10可知，不同硅烷保護(hù)劑噴涂量的凍融試驗(yàn)結(jié)果具有一定的差異性，這說(shuō)明混凝土抗凍性對(duì)硅烷保護(hù)劑噴涂量的反應(yīng)較為敏感，而當(dāng)控制硅烷保護(hù)劑單位質(zhì)量噴涂面積在4 m2左右時(shí)，能有效增強(qiáng)混凝土的抗凍性。由磨耗試驗(yàn)結(jié)果可知，噴涂硅烷保護(hù)劑后，混凝土的單位磨耗質(zhì)量明顯減少，較對(duì)照組平均減少了22%。且當(dāng)硅烷保護(hù)劑噴涂量為4 m2/kg、5 m2/kg時(shí)，磨耗指標(biāo)Im較小，Im相對(duì)對(duì)比組減小了30%～40%。這是因?yàn)樵诠柰楸Ｗo(hù)劑作用下，小分子結(jié)構(gòu)的硅烷通過(guò)混凝土的毛細(xì)孔壁后，與水化的水泥發(fā)生反應(yīng)并形成了硅烷互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過(guò)牢固的化學(xué)鍵合反應(yīng)[13]，賦予了混凝土表面張力[12]，從而有效提高了混凝土的表面耐磨性[11]。分析圖9可知，混凝土耐磨性對(duì)硅烷保護(hù)劑的摻量的反應(yīng)也同樣敏感，當(dāng)硅烷保護(hù)劑用量在4 m2/kg時(shí)試件能保持最佳的耐磨性和抗凍性，但隨著噴涂量的增加，試件的表面性能反而出現(xiàn)了下降。這是因?yàn)橛昧吭黾雍蟮墓柰椴⒉荒茉陴B(yǎng)護(hù)周期內(nèi)穿透毛細(xì)孔壁進(jìn)入混凝土中，剩余的硅烷在混凝土表層成膜，在一定次數(shù)的凍融和磨耗后以集體形式從混凝土表面脫離，從而徹底喪失對(duì)混凝土表面的保護(hù)作用，因此導(dǎo)致試件整體的表面性能降低。故在4 m2/kg時(shí)是硅烷保護(hù)劑的最佳用量。

3.3.2 硅烷保護(hù)劑噴涂后試件的抗滑性檢測(cè) 由于硅烷表面強(qiáng)化材料的工作原理同摻加纖維和聚合物乳液不同，可能在混凝土表層形成保護(hù)層進(jìn)而改變混凝土表面的摩擦系數(shù)，從而影響機(jī)場(chǎng)道面的正常使用以及3.3.1中耐磨試驗(yàn)的結(jié)果。為了消除摩擦系數(shù)這一影響，依照規(guī)范[14]對(duì)噴涂硅烷后的試件進(jìn)行抗滑性檢測(cè)。試驗(yàn)選用定點(diǎn)式檢測(cè)方法，運(yùn)用BM-Ⅱ型擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀分別檢測(cè)了硅烷噴涂量為4 m2/kg的試件組和未噴涂硅烷的對(duì)比組試件的摩擦系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 抗滑試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果Table 5 Results of anti-slide experiments

由試驗(yàn)結(jié)果可知，水膜狀態(tài)下試樣的摩擦系數(shù)均小于干燥狀態(tài),而硅烷噴涂組中兩者的差值與對(duì)比組接近，這說(shuō)明硅烷屬于滲透型的強(qiáng)化材料，其工作機(jī)理對(duì)混凝土的表面構(gòu)造影響較小。噴涂硅烷之后的道面混凝土表面在未刻槽的情況下摩擦系數(shù)滿足規(guī)范[15]中對(duì)新建跑道摩擦系數(shù)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此可以認(rèn)為硅烷的噴涂對(duì)于試件表面的摩擦系數(shù)幾乎沒(méi)有影響，也不會(huì)影響機(jī)場(chǎng)道面的抗滑性，并且3.3.1節(jié)中的耐磨試驗(yàn)數(shù)據(jù)是有效的。

3.4 不同情況下最優(yōu)表面強(qiáng)化方式的確定

通過(guò)分析上三節(jié)試驗(yàn)得出：聚丙烯纖維的最佳摻量是0.9 kg/m3，丁苯聚合物改性混凝土的最佳聚灰比為12%，硅烷的最佳噴涂量取4 m2/kg。為了比較三種強(qiáng)化方式在最佳摻量下對(duì)混凝土表面性能的強(qiáng)化效果，取未進(jìn)行表面強(qiáng)化的素混凝土對(duì)照組，并與最佳摻量下不同強(qiáng)化方式凍融后的相對(duì)動(dòng)彈模量Ed一起繪制為圖11，與最佳摻量下不同強(qiáng)化方式的單位面積凍融試驗(yàn)剝落物質(zhì)量Id、磨耗試驗(yàn)?zāi)ズ馁|(zhì)量Im一起繪制為圖12。

圖11 三種表面強(qiáng)化方式相對(duì)動(dòng)彈模量對(duì)比圖Fig.11 Relative dynamic modulus comparison among three surface enhancing ways

圖12 三種表面強(qiáng)化方式單位質(zhì)量損耗對(duì)比圖Fig.12 Mass loss per unit area comparison among three surface enhancing ways

分析圖11、12可知，聚丙烯纖維的摻入使試件在28次凍融后保留了最大的動(dòng)彈模量，但其在試件凍融剝落量和磨耗剝落量方面比硅烷保護(hù)劑摻入組分別高出了168.8%和154.6%。這是因?yàn)榫垡蚁├w維是作為混凝土的組成材料被加入試件中的，大量的聚丙烯纖維在混凝土中會(huì)以三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)存在，從而增強(qiáng)了混凝土的均勻性和整體性[16]，所以在經(jīng)歷凍融后也能使整體保持較高的動(dòng)彈模量。由于纖維真正提升的是試件的整體強(qiáng)度，因此該強(qiáng)化方式對(duì)于道面混凝土表面性能的提升并不明顯。但考慮到其成本較低，并能在一定程度上提升道面混凝土的抗凍性和耐磨性，因此摻加纖維的方式適用于新建寒區(qū)機(jī)場(chǎng)的混凝土道面的修筑。

聚合物乳液摻入混凝土組分后，其作用機(jī)理與聚丙烯纖維類似，通過(guò)連接、填充作用補(bǔ)強(qiáng)了混凝土整體的強(qiáng)度，而其表面性能的提升實(shí)質(zhì)也只是混凝土整體性能強(qiáng)化的體現(xiàn)。對(duì)比其與其他二者最佳摻量下在表面性能的提升效果，相較于硅烷保護(hù)劑組，在動(dòng)彈模量保持方面和磨耗剝落量方面僅相差了0.2%和1.15%，但是試件的最終凍融剝落量卻高出了硅烷保護(hù)劑組的105.7%。綜上所述，考慮到聚合物乳液的實(shí)際強(qiáng)化效果和成本，該強(qiáng)化方式也不適用作已有機(jī)場(chǎng)道面混凝土表面性能的補(bǔ)強(qiáng)，而適用于新建寒區(qū)機(jī)場(chǎng)的混凝土道面的修筑。

硅烷保護(hù)劑的噴涂在減少試件凍融剝落量和磨耗剝落量方面的效果最明顯，表明了硅烷噴涂具備道面混凝土表面性能強(qiáng)化的潛質(zhì)。同時(shí)，由于硅烷保護(hù)劑噴涂工藝的特性，使其可以便捷應(yīng)用于現(xiàn)有機(jī)場(chǎng)道面混凝土表面性能的補(bǔ)強(qiáng)，并且相較于在混凝土道面板中內(nèi)摻硅烷的工藝應(yīng)用途徑更廣泛，施工方式更簡(jiǎn)便，并更能提高混凝土對(duì)于毛細(xì)水吸收的抵抗性、抗碳化性和抗氯離子滲透性能[17]。但考慮到硅烷保護(hù)劑的成本較為昂貴，而新建機(jī)場(chǎng)道面在施工中對(duì)其需求量較大，該方式并不適用于新建機(jī)場(chǎng)大規(guī)?；炷恋烂娴谋砻嫘阅艿脑鰪?qiáng)，而更適用于已有道面混凝土表面性能補(bǔ)強(qiáng)和使用壽命的延長(zhǎng)。

4 結(jié)論

（1）摻加聚乙烯纖維，摻加聚合物乳液，表面噴涂硅烷等三種表面性能強(qiáng)化方式均能在不同程度上提升機(jī)場(chǎng)道面混凝土的表面性能。并且三種強(qiáng)化方式均存在材料最佳用量，其中聚丙烯纖維的最佳摻量是0.9 kg/m3，丁苯聚合物改性混凝土的最佳聚灰比為12%，硅烷的最佳噴涂量是4 m2/kg；

（2）摻加聚乙烯纖維的表面性能強(qiáng)化方式在凍融循環(huán)中保持道面混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量的效果最顯著，考慮到該方式可以通過(guò)以提升混凝土整體強(qiáng)度的形式間接提升其表面性能，其適用于新建寒區(qū)機(jī)場(chǎng)的混凝土道面的修筑；

（3）摻入聚合物乳液的表面性能強(qiáng)化方式的作用機(jī)理與摻加纖維的方式類似，但其在對(duì)于機(jī)場(chǎng)道面混凝土表面性能的提升效果上較摻加纖維更為明顯，考慮到其施工成本，該方式也適用于新建寒區(qū)機(jī)場(chǎng)的混凝土道面的修筑；

（4）在最佳噴涂量下，噴涂硅烷保護(hù)劑的表面性能強(qiáng)化方式在減少試件凍融剝落量和磨耗剝落量方面的效果最明顯，并且其噴涂的施工工藝具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但考慮到該強(qiáng)化方式的施工成本問(wèn)題，僅適用于已有道面混凝土表面性能補(bǔ)強(qiáng)和使用壽命的延長(zhǎng)。

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