从耐久性角度考虑病害混凝土的维修与保护.pdf

第 4 7卷 第 1 期 2 0 1 6年 1 月 、 ， 0 1 47 No 1 J a n 201 6 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o 4 3 从耐久性角度考虑病害混凝土的维修与保护 王二强 ， 宁 夏 2 ，王 冬 2 ( 1 北京敬业达新型建筑材料有限公司，1 0 2 6 0 5 ，北京；2 建筑材料工业技术情报研究所 ，1 0 0 0 2 4 ，北京 ) 摘 要：混凝土结构常见的病害主要有钢筋侵蚀、碱骨料反应、冻融破坏、结构开裂等。从耐久性角度 考虑钢筋混凝土出现各种病害时的维修方法、维修材料的选择以及混凝土的保护措施等。 关键词：混凝土；病害；修复；保护；耐久性 中图分类号 ：T U5 2 8 文献标志码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 6 ) 0 1 0 0 4 3 0 4 CoNS I DER T I oN oN M AI NTENANCE AND PRoTECTI oN oF DI S EAS E CoNCRETE FoRM DURABI LI TY AS PECT W ANG Er - qi a ng ，NI NG Xi a ，V ， ANG Do n g ( 1 B e ij i n g J i n g y e d a Ne w B u i l d i n g Ma t e r i a l C o ，L t d ，1 0 2 6 0 5 ， Be i j i n g ， C h i n a ； 2 I n s t i t u t e o f T e c h n i c a l I n f o r mi o n f o r B u i l d i n g Ma t e ri a l s I n d u s t r y o f C h i n a ， 1 0 0 0 2 4 ， Be ij i n g ，C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e c o mmo n d i s e a s e s i n c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n i nc l u de r e i n f c lr c e me n t c o r r os i o n a l ka l i a g g r e g a t e r e a c t i o n， fre e z e t ha w da ma g e ， s t r u c t u r a l c r a c k i ng ， e t c Th i s p a pe r ma i nl y c o ns i d e r e d t h e ma i n t e n a nc e me t h od s ， t he o p t i o n o f r e pa i r m a t e r i a l s a n d t h e p r o t e c t i o n me a s ur e s o f c o nc r e t e f r o m d u r a bi l i t y whe n r e i n f o r e e d c o n c r e t e h a d va r i o u s d i s e a s e s Ke y wo r ds ： c o n c r e t e ； d i s e a s e ； r e pa i r ；p r o t e c t i o n；d u r a bi l i t y 钢筋混凝土曾一度被认为永不老化 ，是耐久性非 常良好的材料。然而大量事实表明 ，混凝土工程在应 用过程中，在内部或外部、人为的或自然的因素下， 随着时1司的推移，会发生材料的老化与结构损伤，这 是一个不可逆的过程 ，这种损伤的积 累将导致结构性 能劣化、承载力降低，耐久性能降低。特别对于工作 环境恶劣的建筑物，如桥梁、轻轨，由于要承受静、 动载荷以及冬季化冰盐的使用，其使用寿命远远低于 设计要求，造成的损失触目惊心。 收稿 日期 ：2 0 1 5 - 1 0 - 2 0 作者 简介 ：王二强 ( 1 9 8 O 一 )，男 ，河北新乐 人，高级 工程师 ，总工 程 师 ，e ma i l ：x u e l u 1 0 2 1 s i n a t o m 我国结构工程中混凝土耐久性问题非常严重，住 建部于 2 0 世纪 9 0 年代组织了对国内混凝土结构的调 查 ： 发现大 多数工业建筑及露天构筑物在使用 2 5 3 0 年后即需大修；处于有害介质中的建筑物使用寿 命仅 1 52 0年 。然而 ，进入新 世纪 以来 ，混凝土结 构的维修期限在逐步缩短，混凝土的劣化在工程投入 使用后几年就迅速出现。交通部四航局等单位曾对华 南地区 l 8 座码头调查的结果显示有 8 0 以上均发生 严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现破坏的时间有的 距建成仅 5 l 0 年；天津某电厂冷却塔 2 0 0 8 年建成并 投入使用 ，2 0 1 0年发现大部 分淋水柱 出现严重的冻 融破坏 ，混凝土表层剥落、钢筋裸露 ，部分淋水柱混 废弃混凝土替代率和强度基本符合线性递减关系；替 代率为 2 0 - 4 0 ，强度下降一个强度等级 ；替代率 大于等于 6 0 时 ，强度下降到 C3 0 。 ( 4)骨 料类 型为 2 0 粘土砖和 8 0 碎石 的再 生粘土砖混凝土、2 0 废弃混凝土和 8 0 碎石组成 的再生废弃混凝土以及全再生废弃混凝土 ，强度等级 均无下降，其中最优骨料类型为 2 0 替代率的再生 废弃混凝土 。 参考文献 1 】 肖建 庄 ，李佳 彬 ，兰 阳 再 生 混 凝 土技 术 最 新研 究 进 展 与评 述 J 混 凝 土 ，2 0 0 3，2 5 ( 1 O ) ：1 7 2 0 ， 5 7 2 肖建庄 再生混凝土 MI 北京 ：中国建筑T、【 出版社，2 0 0 7 3 1 S AG 0E C R E NT S I L K K，BR OWN T A Y L OR A H P e r for ma n c e o f c o n c r e t e ma d e wi t h c o mme r c i a l l y p r o d u c e d c o a r s e r e c y c l e d c on c r e t e a g g r e g a t e J C e me nt a n d Co n c r e t e Re s e a r c h ，2 0 0 1 ( 3 1 ) ： 7 0 7 7 1 2 4 HANS E N T C Re c y c l e d Ag g r e g a t e a - n d Re c y c l e d Ag g r e g a t e C o n c r e t e S e c o n d S t a t e o f t h e A r t R e p o De v e l o p me n t 1 9 4 5 1 9 8 5 J Ma t e r i a 1 a n d S t r u c t u r e 1 9 8 6 1 9 ( 5 ) ： 2 0 1 2 4 6 ( 5 0I KON0Mou N D Re c y c l e d c o n c r e t e a g g r e g a t e s J Ce me n t& Co n c r e t e Co mp o s i t e s 2 0 0 5 ( 2 7 ) ： 3 1 5 3 1 8 6 Ra h a l K Me c h a n i c a 1 p r o p e r t i e s o f c o n c r e t e wi t h r e c y c l e d c o a r s e a g g r e g a t e J B u i l d i n g a n d E n v i r o n me n t ，2 0 0 7 ( 4 2 ) ： 4 0 7 4 1 5 【 7 AJ DUKI EwI CA A， KI LS Z CE wI C Z A I n f l u e n c e o f r e c y c l e d a g g r e g a t e s o n ma c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f HS HP C J Ce me n t& Co n c r e t e Co mp o s i t e s 2 0 0 2 ( 2 4 ) ： 2 6 9 2 7 9 8 李佳彬 再生混凝土基本力学试验研究 D 上海：同济大学， 2 0 0 4 4 4 建筑技术 第 4 7卷第 1期 凝土剥落深度高达 8 0 m m 以上。 目前国内有很多工程建成之后即开始维修，有些 单位在结构维修时只治标，不治本，导致很多工程出 现了年年维修的情况， 浪费了国家大量的财力和物力。 当混凝土结构出现各种问题并需要进行维修时，要着 重从耐久性的角度出发，设计科学的维修方案，保证 维修后的混凝土结构具有较高的耐久性。 1 病害混凝土的诊断与修复 对于 已经 出现病害的混凝 土 ，应 采用全面的维 修方法，而不能采用单一的 “ 补丁法”，在对混凝 土进行修复时，必须同时考虑到修复的耐久性。混 凝土的修复不是单纯的考虑一个面，应该将整个混 凝土维修工作作为一个整体的系统进行考虑。有大 量的证据表明大量的维修在很短地时间内就失效了， 因此如何选择更加耐久性的修复工艺值得每一位工 程人员思考。 1 1 病害的调查与分析 彻底弄清楚混凝土病害的原 因是制定和实施正确 维修方案的基础，如下这些检测和评估方法对于进行 病害诊断很有帮助：现场目测、分层检测、电压法检 测、氯离子含量分析、碳化深度分析、岩相分析、气 穴分布检测 、结构分析等。 调查和分析是解决混凝土病害的首要步骤 ，调查 的越详细、分析的越彻底，才能根据实际情况制定符 合耐久性要求的修复或保护工艺。混凝土病害的调查 应从以下几方面人手。 ( 1 )结构的概述：工程名称、地点、相关尺寸 建设单位、 施工单位、建设时间、设计单位、结构的 服役时间、工程设计图、工程照片等； ( 2 ) 结构的E见 伏： 结构总体的变形隋况( j j=降、 收缩、 膨胀、 偏斜 ) 、 出现病害的部位( 梁、 柱 、 桥墩、 底板、 倾 惜 ) 、混凝土表面状况 ( 起砂、 粉化、 裂缝、剥落、 锈迹 、泛碱、钢筋裸露、表面涂层状况、原有修复 状况 ) 等； ( 3 )混凝土内部状况：钻芯取样的强度、混凝 土密实度、含水率、碱骨料反应、氯离子含量、混凝 土内部缺陷、 混凝土f 确乎 锈蚀隋况、 碳化深度、 钢筋 是否变形、 钢筋保护层厚度等； ( 4 ) 荷载和有害因素的特征 ：结构所处环境周 边气候、 排水、 化学物质、 排水状况、 荷载( 静荷载 、 动荷载、冲击荷载 、震动荷载 )、 地质条件等； ( 5 ) 所用材料：水泥质量、 骨料质量、 掺合料、混 凝土配合比情况、钢筋质量 ( 包括是否有镀层 )、拌 合水 、外加剂等。 上述需要调查的因素信息不是在一个部门或几个 部门就可获得，要尽量获得更多的相关信息。在调查 过程中，要注意有代表陛的拍照。用图片对病害的表 现进行分类说明， 将病害出现的程度和范围进行量化。 根据这些量化的信息进行科学的分析，确认病害的原 因和方式。混凝土出现病害一般是多种因素共同作用 的结果，故在分析时，要多方面考虑。 1 2 修复 根据调查分析的结果 ，制定合理的耐久性修复方 案 。涉及加 固项 目可参考 G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6混凝 土 结构加固设计规范的相关规定。 1 2 1 开 裂 结构出现开裂是混凝土结构中最为常见的一种 病害表现。目前大部分学者认可 “ 混凝土是带裂缝 工作”这种理论 。由于国家不同的规范中对 “ 允许” 的裂缝宽度要求不太一样 ，故实际操作时可根据结 构的情况选择合适的标准。 处理混凝土裂缝的方法很多，至少有 1 0多种， 诸如灌浆法、干嵌填法、表面封闭法 、钉合法、聚 合物浸入法、附加钢筋法等。目前在工程上比较常 用 的几种工艺为 ：灌浆法 、表面封 闭法等 。无论采 用哪种工艺，维修裂缝的目的是为了控制裂缝的进 一 步扩展以及恢复结构的整体受力。 国内采用的一些裂缝修复的材料以刚性材料 ( 环氧树脂 ) 居多， 由于混凝土本身就是脆性材料， 使用刚性材料修复之后 ，由于各种因素的作用，很 快在修复的裂缝附近会出现新的裂缝。主要原因是 由于所用的修复材料与混凝土的热膨胀系数不一 致，导致二者之间产生很大应力。在裂缝的修复工 艺中，笔者更倾向于使用一些柔性材料进行修复， 诸如聚氨酯 、弹性环氧 、聚脲 、丙烯酸材料等 。虽 然弹性材料具有一定的优势，但是目前在一些关键 技术方面还是没有突破。如：聚氨酯虽然有很好的 变形能力，但是在裂缝中遇水膨胀，很难实现完全 的封闭裂缝；而丙烯酸材料的抗拉强度较低。弹性 环氧将来应该是一个很有前景的修复材料 ，但是由 于 目前合成的水平有限 ，弹性环氧的变形能力有待 提高，笔者在试验室也只合成了断裂伸长率 4 0 弹性环氧灌缝材料。文献中合成了可实际应用的环 氧树脂灌浆材料 ，其断裂伸长率 2 5 ，拉伸强度 5 ll M Pa。 1 2 2漏 水 目前国内在止水防渗方面的技术非常成熟， 市场 2 0 1 6 年 1 月 王二强，等 ：从耐久性角度考虑病害混凝土 的维修与保护 4 5 的产品也很多。裂缝中出现渗漏水病害时，建议采用 聚氨酯材料处理；混凝土本身出现渗水时 ( 抗渗等级 不够 ) 可采用防水材料涂刷的方法；混凝土结构出现 大的# L N渗漏水时可考虑采用一些止水堵漏材料；对 一 些比较复杂的 ( 诸如洞库 、隧道 )渗漏 睛况 ，可考 虑采用 电子渗透脉冲阻水。无论采用何种工艺 ，首先 必须判明渗漏水的来源，并尽可能的从来源止水，如 无法从来源止水， 要考虑引水排水。 1 2 3 强度 劣化 当结构的混凝土出现强度劣化时 ，混凝土结构的 各方面性能会急剧下降。强度的劣化一般是由化学腐 蚀、碱骨料反应引起。强度出现劣化，首先要根据结 构受力的情况进行严格计算，判断结构是否可以继续 维持 ( 取决于结构的受力变化及强度降低的幅度 ) 。 强度出现劣化 ，一般结构不可避免的会涉及加固。结 构的加固可参考 G B 5 0 3 6 7 _2 o 0 6 混凝土结构加固 设计规范 的规定 ，这里不做阐述 。当加固过程 中涉 及到修补砂浆或修补混凝土时，修补砂浆或修补混凝 土的强度等级应比原混凝土的强度等级高出一个标号 或一致。过高强度等级的砂浆或混凝土与原混凝土的 兼容性较差，在运行过程中很难成为一个整体，修复 效果反而不好 。 1 2 4 中性 化 混凝土出现中性化是一种常见的病害，只要混凝 土没有完全隔绝空气，巾眭化势必会产生。混凝土发 生市眭化之后会诱发钢筋锈蚀。在混凝土结构修复工 艺中，延缓混凝土中性化比较有效的措施是在混凝土 外部涂装一些保护材料 。 1 2 5 钢 筋锈 蚀 钢筋锈蚀最主要的问题是断面损失、 承载力下降。 从耐久性修复的角度来讲 ，解决钢筋锈蚀的方法也很 多，诸如阴极保护 、阳极保护 、表面涂刷迁移型钢筋 阻锈剂 ( MC I )等。但造价也很高，一般只用于重点 工程。对于一些梁 、 柱等单个构件建议采用锌网护套 工艺 ，造价低，而且非常实用。锌网护套目前在国内 用的很少 ，主要是由于锌丝无法焊接成锌网 ，限制了 其使用。目前美国在这方面研究的比较深入，而且有 很多实际应用的案例。笔者认为目前可以采用锌丝缠 绕构件，代替锌网，将锌丝与钢筋连接，外部用修补 砂浆或混凝4 4 锌丝包裹，采用该种工艺理论是可行 的。 1 2 6 冻害与表 面劣化 冻融 破坏 最直观 的表现是混凝 土表面 层层的剥 落 ，严重时骨料裸 露 、钢筋裸露 ，破损深度 几 mm- 十几 c m不等。2 0 0 9 年修复天津某电厂冷却塔时发 现 ，该点成冷却塔淋水柱只投入使用了 2 年时间， 个 别淋水柱的断面损失高达 8 4 m m ( 淋水柱宽度 5 0 0 mm)。对于表面破损的修复应采用合适的材料 ， 选择修复材料时 ，应遵循以下要求： ( 1 )强度等级比原混凝土高一级或一致 ； ( 2 ) 修复材料的耐久性要好 ( 尤其是抗冻融能 力 )，建议修复材料的抗冻性不低于 F 2 0 0 1 ； ( 3 )修复材料的材质尽量与混凝土相似 ，不 相似的材料 ，其与混凝土的热膨胀 系数之比尽量 小于 4 ； ( 4 )粘结强度高，当采用砂浆时，砂浆与混凝 土的正拉粘结强度应 大于 2 5 MP a ，采用混凝土时 ， 粘结强度应大于 1 5 MP a ； ( 5 )无论 采 用 何 种 材 料 ，材 料 的 收 缩 性 能 必 须 严 格 控 制 ，材料 的收 缩 和膨 胀 应 控 制在 0 0 5 内。 ( 6 )满足工程的特殊要求 ( 耐磨、抗冲击、 早强 )。 2 混凝土的保护 目前国内对混凝土保护的认识和及保护的意义的 宣传工作还是不够， 仅是一些学者或大的建设单位有 了很深的认识， 在一些小的设计单位、建设单位包括 很多搅拌站都没有意识到混凝土保护的意义。混凝土 维修中常用的 “ 五倍法则”很形象的说明了混凝土保 护的经济价值和意义。 常用的混凝土保护材料分为两类：渗透型；成膜 型。渗透f生 材料主要包括：水性有机硅、溶剂型有机 硅材料。成模型材料主要包括：环氧树脂类、聚氯酯 类、聚脲弹陛体类、丙烯酸乳胶类、氟树脂类。 无论选择何种保护材料，其关键陛指标应从以下 几个方面进行选择陛测试：耐候性、N4 E - 品性、水 气透过生、冻融抵抗性、抗二氧化碳渗透陛、抗氯离 子透过陛、桥联裂缝的能力、渗透深度等。 以上这些指标并不 是按重要性大小 的顺序排 列 的，对这些指标的要求和重要程度与涂装材料功能和 使用目的有密切的关系。例如，如果涂装的目的是防 止水和二氧化碳的渗透从而起到保护混凝土作用，则 水汽透过性 ，抗二氧化碳渗透 生和桥联裂缝的能力是 最重要的指标。 2 1 冻融抵抗性 抗冻性是反映保护材料保护混凝土寿命最直观 的一项技术指标 ，建议所有的保护材料都要测试抗 4 6 建筑技术 第 4 7 卷第 1 期 冻性。抗冻性的测试方法是将保护材料涂刷在混凝 土试件上 ，进 行快速 冻融试验 ，经过 相应的循环次 数后 ，涂料 的图层无开裂 、剥落 、粉化 ，当采用渗 透性材料时 ，其抗冻性应比原混凝土的抗冻性至少 高出一个等级。建议冻融循环次数应以 2 0 0 3 0 0 次 为宜。对一些公路工程混凝土，还应测试单边冻融 能力。 2 2 水气透过性 如果保护材料透气性不好，水气扩散受阻， 一是 阻碍混凝土或者砂浆基体向外排湿，导致湿气在基体 和涂层界面的积聚从而产生应力， 使涂膜鼓泡， 脱落； 二是导致混凝土基体含湿量逐步增加，产生冷凝水富 集，易造成冻融破坏和加速溶蚀破坏。但如果涂层透 气量太大，容易使外界的侵蚀生 介质进入。当侵蚀陛 介质是酸性介质时，还会引起混凝土的中性化而导致 钢筋锈蚀 。因此 ，保护材料透气性在很大程度上都影 响着混凝土的服役寿命。 除了某些 “ 屏障”系统外，混凝土和钢筋混凝土 的保护材料都需要有最大的 “ 可呼吸性能”，以保证 水分能从混凝土中蒸发出来，同时 又能防止外界的水 和盐向结构内渗透。涂层还应具有一定的柔韧性以便 封闭结构上已经存在或将来可能产生的裂缝。 由于 目前国内暂无相关标准或方法，故无法确定合适的数 值。 2 3 抗二氧化碳的渗透 欧洲对涂层抗二氧化碳的渗透有明确的指标要 求，他们用 值来衡量抗二氧化碳的渗透性能。这 个值表示涂层的抗二氧化碳的渗透能力相当于多厚的 空气层的抗二氧化碳的渗透能力。例如 R = 1 0 0 m， 意思是涂层抗二氧化碳的渗透能力相当于 1 0 0 m厚的 空气层抗二氧化碳渗透的能力。欧洲对涂层抗二氧化 碳渗透能力的最小要求是 R = 5 0 R 。涂层抗二氧化碳 渗透的能力越强，就越可以 减缓结构的炭化速度， 从而减缓钢筋的锈蚀速度。 一般认为成模型涂料的 抗二氧化碳的透过性应小于 1 m lT I ，具体测试方法可 参照 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 普通混凝土长期性能和耐久 性能试验方法标准进行。 2 4 抗氯离子透过性 用于海港工程、桥梁、道路工程等经常接触氯离 子的混凝土结构 ，其混凝土表面保护材料都应测试改 项目。在这些环境中， 混凝土主要遭受的病害是氯离 子侵蚀。混凝土表面涂装保护材料的目的是为了防止 氯离子侵蚀，我国交通部制定的J T T 6 9 5 -2 0 0 7 混 凝土桥梁结构表面涂层防腐蚀技术条件中对保护材 料的抗氯离子渗透陛做出了相关规定。 2 5耐候性 混凝土保护涂料一般都以有机材料为主 ，而有机 材料最大的问题是耐候性较差。特别是一些环氧涂料 和丙烯酸材料。 耐侯性是保护材料本身的耐久陛指标， J T T 6 9 5 -2 0 0 7 混凝土桥梁结构表面涂层防腐技术 条件 中规定桥梁用的保护涂料耐候性从 4 0 0 1 0 0 0 h 不等。 混凝土结构防护用成膜型涂料 ( 征求意见 稿 )，则提出必须大于 2 0 0 0 h( 氙灯老化 ) 。在混凝 土保护的方案设定中，根据实际情况可合理选择适当 的技术指标。 2 6 桥联裂缝的能力 混凝土是脆性材料 ，收缩 、温度变化和钢筋锈蚀 等都会产生裂缝，而这些裂缝又会加速水、盐、二氧 化碳和其他化学腐蚀性物质对混凝土结构的腐蚀速 度， 因此 ， 涂层桥联可移动裂缝的能力是十分重要的。 涂层低温柔韧性更加重要，因为在低温条件下，裂缝 变宽而涂层的弹陛减弱。另外， 涂层封闭 “ 即将来到 的”裂缝的能力也十分重要，所谓 “ 即将来到的”裂 缝是指混凝土结构涂装后产生的裂缝。 3 结束语 混凝土病害的调查分析、 修复和保护方案的正确 制定是混凝土结构维修的基础，而正确使用保护材料 可以极大的延长维修周期，提高混凝土的耐久性。每 一 个维修与保护体系的应用都应该基于对病害产生的 原因进行正确诊断的基础上，同时要配合恰当的设计 和施工。必须考虑环境、材料的兼容性和施工工艺， 同时要严格控制施工质量。当然维修成本也应充分考 虑 。 参考文献 1 邹海良，张亚峰，邝健政 弹陛环氧灌浆材料的性能研究 J 新 型建筑材料 2 0 0 9 ( 1 0 ) ： 7 3 7 9 【 2 张迎新 混凝土防腐涂层透气性研究及探 讨 【 J 涂料工业 ， 2 0 1 1 ， 41 ( 6 ) ： 6 9 - 7 3 3 】3 李志强，郑显春 混凝土裂缝的修补试验研究 J 】 l 建筑技术， 2 0 0 9 ， 4 0 ( 6 ) ： 5 2 3 5 2 6 4 4 J G T 2 8 9 -2 0 0 9 ， 混凝土结构加固用聚合物砂浆 s 【 5 D L T 5 2 0 7 -2 0 0 5 ， 水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土设计规范 【 S 【 6 AS T M E 9 6 S t a n d a r d T e s t Me t h o d s f o r Wa t e r V a p o r T r a n s mi s s i o n o f Ma t e r i a l s S 】 AS T M C o mmi t t e e C- 1 6 1 9 9 6 7 J T T 6 9 5 -2 0 0 7 ， 混凝土桥梁结构表面徐层防腐蚀技术条件 s 8 C E C S 0 1 - 2 0 0 4 ， 混凝土结构耐久性 设计 与施工指南 s 【 9 G B 5 0 3 6 7 -2 0 0 6 ， 混凝土结构加固设计规范 【 s 1 0 A C I 3 6 4 1 R - l 9 9 4 ， 混凝土结构修复前的评价指南 s 1 1 】A C I 5 4 R -1 9 9 6 ， 混凝土维修指南 s 1 2 李志强，蔡焕琴 裂缝综合修补技术试验研究 J 建筑技术， 2 0 1 1 4 2 ( 1 O ) ：9 2 4 9 2 6