混凝土表层病害喷射修补技术及应用.pdf

2 0 1 3 年第4 期 东北水利水电 工程施工 文章编号 1 0 0 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 1 5 0 3 混凝土表层病害喷射修补技术及应用 马智法 ， 郭洪娟 z ， 黄如卉 1 ( 1 中水东北勘测设计研究有限责任公司， 吉林 长春 1 3 0 0 6 1 ； 2 吉林精诚工程检测有限公司， 吉林 长春 1 3 0 0 6 2 ) 摘 要 混凝土喷射技术可有效治理混凝土建筑物表 面冲刷、 冻融、剥落、 局部开裂等病害， 文章从技术机理、 材料性能、 工艺流程三方面， 阐述 了混凝土表层病 害修补技术 ， 并结合某电 力工程应 用 实例 ， 说 明混凝 土喷 射技术应 用的具体程 序 。 关键词 喷射混凝土； 表层病害； 修补技术 中图分类号 T V5 4 4 + 9 2 3 文献标识码 B 1 混凝土建筑物表面破坏特征 目前在水工、 港工、 公路、 交通、 地下工程及火 力发 电厂冷却塔等 工程 中， 由于受到冻融 、 碳 化 、 化学腐蚀 、 空蚀等多种 因素的破 坏作用 ， 建筑物 表 层混凝土破坏剥落， 钢筋外露锈蚀， 严重影响建筑 物的外观和安全运行 主要破坏形式有表面冲刷、 冻融、剥落 、 局部开裂等 。在 实际工程 中， 混凝 土 表层病 害常具有 ： 面积 大 、 部位高 、 修 补操作 空间 小等特点。使得混凝土表层冰害修补施工难度大 、 施 工成本高 ， 施工质量难以保证 。 2 混凝土表层病害喷射修补技术 2 1 技术机理 混凝土表层病害喷射修补新技术，采用先进 的修补加固材料( 高性能微缩低胶骨比砂浆 ) 及先 进的施工工艺 ，能够有效解决上述表面病害各项 问题。 高性能微缩低胶骨比砂浆干缩变形小、 粘结 强度高、 抗裂性能好、 抗冻融、 抗渗、 抗腐蚀、 耐久 性优 良。在喷射修补工艺中， “ 水泥裹砂法” 的应 用使骨料产生早期 造壳 效应， 通过与 S K水溶液 二次混合形成 S E C砂浆 ，然后进行 混凝 土喷射施 工。与干喷混凝土相比， 该方法具有回弹率小、 粉 尘含量低、工效高、 混凝土强度高、表面平整、 均 匀性 好等优 点 ， 可以节约大量水泥 ， 还可改善工作 环境 ， 对工人的劳动保护起到良好的作用。 2 2 材料性能 喷射普通砂浆混凝土修补虽然可以保证强 度 ， 但抗渗、 抗冻性却不能保证 ， 且喷射砂浆的线 丕 筮 丕 堡 蔓屋大面积破损混凝土修 【 基金项目】水利部科技推广计划项目。 复所要求的修补材料与新老材料之间具有良好的 粘接性和变形协调性。喷射掺入 T剂的砂浆虽然 可以满足强度、 抗渗、 抗冻性能要求， 但 T剂砂浆 的干缩率较大 ， 容 易产 生干缩裂缝 ， 这 一点从下表 的 剂混凝土的干缩率即可得到证实。 为 了减少 剂砂浆 的干缩性 ，使 其线胀 系数 与老混凝 土基本一致 ，在以往 的研 究成果上对 剂砂浆进行了改性研究 ， 在 剂砂浆中掺入 S K引 气减水剂( 掺入该剂后能使砂浆的抗冻、 抗渗效果 得到进一步加强 ， 实测抗渗标号 S 1 3 ， 抗冻标号大 于 D3 0 0) 、 和减缩 剂( 掺 入该剂后 ， 砂 浆 1 4 d限制 膨胀率大于 0 0 2 ) ，得 到了一种适 用于薄层大面 积破损混凝土修补加固的全新材料高强无收 缩低胶骨比砂浆 ， 该砂浆既具有 剂砂浆高强、 耐 冻融、 抗渗性好的特点， 又解决了 剂砂浆硬化期 干缩性大的问题 ， 使新、 老材料的性能更为协调。 表 1 混凝 土表层病 害修补 混凝土性 能 目抗 28 d 蒜 M P 检测 项目 抗 压 强 度 抗 拉强 度 抗 冻 性 抗渗 性 干 缩 率 品 MPa a 9 6 检测结果 3 0 0 3 0 12 ,0 0 W1 2 一 0 0 1 无锈蚀 2 3 施工技术工艺流程 混凝土表层病害修补技术的工程实施 ，应按 如下程序开展工作 ：工程现场测试老混凝土性 能分析 ； 修补方案制定； 确定新混凝土性能指 标 ； 原材料比例选择骨料造壳； 现场喷射混凝 土拌合物制备； 混凝土喷射施工。 在施工过程中， S K剂水溶液与完成 “ 造壳拌 和” 的混合料在喷头处再度混合 ， 进行二次混合搅 1 5 工程施工 东北水利水电 2 0 1 3 年第 4期 拌 后 ， 经高压风送至受喷面 ， 采取层层叠压的方式 喷至设计规定厚度 。从 而提高 骨料与胶凝材料的 界面粘结强度和混凝土的密实性。具体实际施工 时，其施工工序为：作业面表面处理 拌合物制 备 喷射施工。 3 工程应用案例 3 1 工程概述及病 害成因分析 某 电厂运行 至今 已有 2 5年 的历史。冷却塔采 用自然通风式双 曲线钢筋混凝土结构 。混凝土设 计抗压强度标号 3 0 0 号， 抗渗标号 W8 。受力钢筋 采用 8 R 2 8 Mn钢 ， 箍筋和构造筋为 A 3钢， 设计保 护层厚度 3 0 m m。现场查明冷却塔的人字柱均有 不同程度的破坏 ，主要表现在部分 人字柱箍筋外 露和少部分人字柱兼有顺筋裂缝。根据人字柱的 破坏特征和运行环境综合分析 ，初步认为破坏主 要有 以下原 因： 1 ) 施工质量存在缺陷， 施工时混凝土浇捣不 密实 ， 保护层未达到设计厚度 ， 已外露的箍筋保 护 层多数小于 1 0 mm。 2 ) 受冷却淋水的影响， 人字柱周围环境湿度 比较大， 冬季表面混凝土形成霜冻， 温度变化时易 遭受冻融破坏。 3 )经烟囱排放的气体未进行脱硫处理含有 S O ： ， S O 在空气中进一步氧化成 S O ， ， 对混凝土形 成化学侵蚀 ，与混凝土 中的 C a( OH) 反应生成 Ca S O4 ，产生体 积膨胀 ，而 C a S O4 与混凝 土 中的 c ， 反应生成硫铝酸钙 ， 产生第二次体积膨胀 ， 膨 胀应 力使混凝土胀 裂、 变酥。 4 ) 烟囱排放的气体使周围空气中的 C O 。 浓度 增加， 长期处在高浓度的 C O ： 侵蚀 ， 人字柱混凝土 产 生碳化。现场采用表面凿孔喷洒酚酞酒精液 ， 观 察不 变颜色深度 约在 1 5 n q l n ，说明碳化深度超过 了已外露钢筋的混凝土保护层深度。 3 2 施工方案的选择与论证 针对混凝土的破坏情况及成因，采用混凝土 表面喷射修补技术比较适宜 ，即在混凝土表面做 一 层混凝土防护层 ，防止人字柱混凝土及外露钢 筋进一步破坏。而结构物的薄层修补具有一定的 技术难度 ， 主要存在结合面强度、 修补层收缩、 修 补层的耐久性和修补后外观问题。这些问题解决 1 6 不好将导致修补的失败。 1 ) 结合面强度 问题 。表面加一层防护 层需要 解决的问题是防护层与混凝土的整体工作共同受 力结合面强度问题。增加的防护层与人字柱在受 力的过程 中， 结合面会 出现拉、 压 、 弯、 剪等 各种复 杂应力， 其中关键的是剪力和拉力。 结合面的剪应 力和法向拉应力主要靠结合面两边的新旧混凝土 的粘结强度承担，由于结合面的粘结抗剪强度及 法向粘结抗拉强度远远低于混凝土本身强度 ， 因 此， 结合面是修补加固结构的薄弱环节， 破坏总是 首先发生在结合面。 采用喷射砂浆施工工艺 ，施工质量容易得 到 保证， 特别适合薄层修补加固。与浇注和人工抹混 凝土方法相 比， 喷射混凝土早 期强度高 ， 常温下一 天的抗压强度可达 6 0 1 5 0 MP a ，与旧混凝土的 粘结强度高 ，掺入硅粉后 ，其粘结抗拉强度可达 1 5 - 2 5 MP a ， 接近混凝土 自身强度 ， 比普通工艺修 补加固的混凝土粘结强度高 2 4倍。 2) 耐久性 问题。修补层的耐久性问题决定修 补后的使用年限。有关试验表明掺入硅粉 的混凝 土可提高混凝土的抗渗抗冻性、 抗化学侵蚀性。试 验人员测定了两种混凝土水的渗透系数：一种是 含 3 0 0 k g m胶凝材料的非硅粉混凝土 ， 另一种是 硅粉 的混凝土 ， 非硅粉 的混凝 土是 3 x 1 0 1 1 m s ， 而 硅粉混凝土是 6 x 1 0 1 m s 。在掺入硅粉的混凝 土 中 ，由于硅粉 的填充和火 山灰作用 ，使混凝 土中 的孔隙溶液净化 ， 提高小毛细孔的冰点。混凝土的 化学侵蚀主要是酸性物 质与混凝土中的 Ca ( OH) ， 反 应 ， 生成 水溶性盐 ， 从混 凝土 中溶解 出来 ， 增 加 混凝土的渗透性， 从而进一步加快混凝土腐蚀。掺 入硅粉能降低混凝土 C a ( O H) 的含量， 降低化学 侵蚀速度。但是 ， 不会 因为硅粉的掺入而使混凝土 的p H值降低很多。有关试验表明： 当硅粉掺量达 到 3 0 时 ， p H值也不低于 1 2 。 因此 ， 对钢筋钝化的 氧化膜层影响很小。 此外， 再掺入一定量的 S K引气减水剂， 可进 一 步提高修补层砂浆的抗渗抗冻性。施工试验检 测结果为， 5 组试验平均抗压强度 4 0 MP a ， 抗渗大 于 W1 3 ， 抗冻大于 F 3 0 0 。 3 ) 表面外观问题。直接采用喷射混凝土修补 工艺， 修补后的混凝土外观很差， 表面粗糙， 凹凸 2 0 1 3 年第 4 期 东北水利水电 工程施工 不平。 这也是喷射混凝土或砂浆工艺的最大缺欠。 因此， 在施工过程要加装模板和表面修整， 以达原 有棱柱型规则外观。 为此， 混凝土的修补采用喷射 厚度 2 5 c m 的限缩水泥砂浆 ， 加表面修整方案。 3 3 施工过程 1 ) 人字柱表面混凝土凿毛。在铲除起鼓松动 的混凝土外 ， 表面凿毛要控制毛点深度和密度 ， 毛 点过深对人字柱将产生一定破坏，过浅影响结合 面的粘结强度。 一般控制凿毛深度在 2 0 r n _rn 、 毛点 密度 2 5 0个 mz 左右 。 2 ) 修补层外观控制。在人字柱喷射之前需要 安装模板来控制修补层的外观尺寸。模板制成中 空形式。 模板宽度决定修补厚度 ， 制作时要严格控 制。 模板两两对侧安装， 外缘距人字柱表面留有需 要修补 的厚度 2 5 c m。当喷层达到终凝后 ， 进行模 板 拆除。 3 ) 喷射高性能微缩低胶骨比砂浆。先清洗待 喷射表面， 使其浸透水分并处在面干状态 ， 然后喷 射 。喷射 由喷射手和 喷射机操作手协 同完成 ， 喷射 机操作手主要控制喷射工作压 力和保持上料均 匀， 喷射手耍控制喷射角度、 喷射距离、 喷射时的 ( 上接第 1 1 页 ) 7 7 4、 、 - 7 7 4 一 8 0 0 8 0 0 8 8 8 8 8 8 ； 0 6 9 5 0 6 S 图 4 剪力包络 图( k N ) 3 地面拉梁结构合理与使用功能的矛盾 对于矩形平面泵房较长时，或泵房深度较大 时( 大于 8 m 时 ) ， 在标高 0 0 0 0处设置钢 筋混 凝 土拉 梁可起 到如下作用 ： 水灰比及掌握喷射基本方法进行喷射。喷射厚度 分两次完成， 第一次喷射厚度 1 5 2 0 c m， 第二次 喷射厚度 0 5 I 0 c m。 4 ) 喷射后的修整。 修整开始时间以喷层砂浆 不粘手为宜， 大约在喷射后 2 0 m i n左右。修整用 0 7一的张紧割线 ， 紧贴两侧模板边缘刮除喷层 多余部分， 直至表面平整。刮除过程用力要轻， 避 免扰动整个喷层， 同时以一个方向进行。 5 ) 妥善养护完成修补过程。实践证明初期养 护最重要，修补后的 3 4 d内修补层干缩速度最 快， 是产生裂缝的关键时期。养护初期不仅要使修 补层始终保持湿润状态， 而且要避免环境影响使修 补层产生过大的温差。养护时间要达到 1 4 昼夜。 4 结语 采 用喷射特种混凝土加表 面修 整施 工工艺对 工程进行薄层修补 ， 不仅达到 了补强 目的 ， 并且具 有良好的外观，同时该技术可使喷射过程中时的 正常回弹减少， 节约了正常施工中的材料投入， 上 述优点在工程修补应用中均得到证实。 【 收稿 日期】 2 0 1 2 -1 2 - 2 6 1 ) 对较长的泵房 ， 拉梁可以当成侧墙顶梁的 支座 ， 减小计算跨度 ， 增加结构 的整体性和 刚度 ， 从 而减小地面处的水平位移和裂缝宽度。 拉梁的布置 应结合使用情况， 在 和丰县工业应急供水工程加 压泵房 设计中， 结合操作平台梁设置拉梁。 2) 泵 房地下部分较 深 时 ， 会导 致柱 子 的计 算 高度较大， 即使满足了计算要求 ， 也会造成柱子截 面较大、 配筋较多、 位移较大的缺点。如在标高 0 0 0 0处增 加拉梁 ，则会大 大减 小柱 子 的计 算高 度， 使弯矩和剪力得到合理的分配 ， 从而使结构更 加安全和经济。 而在实际工程中， 业主经常会以影 响吊装和美观为 由，禁止设置拉梁。但 对泵房来 说 ， 吊装的情况毕竟比较少 ， 因此选用设置拉梁而 达到结构的安全合理且又经济还是可取的。 【 收稿日 期】 2 0 1 3 - 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