混凝土和樹脂結(jié)合修補(bǔ)建筑物的實(shí)際應(yīng)用

Ludger Lohaus, Lasse Petersen, Hannover

譯者：胡灶銀

1 引言

德國(guó)混凝土建筑大多根據(jù)DIN 1045標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該標(biāo)準(zhǔn)保證了建筑物在不需要大規(guī)模維修的前提下，也不會(huì)影響其50年使用壽命。根據(jù)DIN 1045標(biāo)準(zhǔn)，建筑物表面防護(hù)系統(tǒng)（雖然混凝土為表面防護(hù)系統(tǒng)提供了牢固的支撐，但混凝土本身并沒有防護(hù)功能）需另行設(shè)計(jì)，由于本身并沒有承載功能，往往很難實(shí)現(xiàn)50年使用壽命。因此，表面防護(hù)系統(tǒng)通常需要定期更新，由于經(jīng)濟(jì)上的原因，往往做不到這一點(diǎn)。大多數(shù)情況下，還是可以找到符合規(guī)范的表面防護(hù)替代系統(tǒng)，且替代系統(tǒng)的成本更低。利用混凝土和樹脂相結(jié)合的防護(hù)功能，為建筑物修補(bǔ)問題提供更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)、更有效的解決方案。本文將主要介紹橋面人行道，停車樓及鏟運(yùn)車道等修補(bǔ)實(shí)例。

2 橋面人行道的修補(bǔ)

橋面人行道經(jīng)常處于XD3暴露條件下（氯離子滲透侵蝕），對(duì)混凝土耐久性要求較高，必須具備良好的抗壓性能。同時(shí)，橋面人行道混凝土表面在飽水狀態(tài)下，經(jīng)常受到凍融侵蝕（XF4暴露條件：高度飽水狀態(tài)，受氯離子滲透侵蝕和不受氯離子滲透侵蝕）。為了滿足凍融循環(huán)要求，橋面人行道則需根據(jù)DIN 1405-2標(biāo)準(zhǔn)采用引氣混凝土（LP）澆筑，W/C≤0.50。詳細(xì)的混凝土施工技術(shù)要求參見DIN 1045-2和ZTV - ING標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 凍融對(duì)橋面人行道造成的損傷

圖2 人行道不同區(qū)域的損傷等級(jí)和鉆芯取樣位置分布

即使在混凝土澆筑符合標(biāo)準(zhǔn)的情況下，凍融循環(huán)也常常會(huì)對(duì)人行道混凝土造成損傷。圖1是凍融循環(huán)對(duì)人行道造成損傷的一個(gè)典型案例。損傷進(jìn)一步蔓延到欄桿底部，水分在欄桿底部聚集，此處含水量最高。橋面人行道的損傷程度則因橋段位置不同而異。從外觀上看，橋面人行道可以劃分為不同的損傷區(qū)域。圖2是對(duì)不同損傷區(qū)域鉆芯取樣的CDF測(cè)試結(jié)果。

首先，需要對(duì)橋面人行道的混凝土表面進(jìn)行測(cè)試。如圖3所示，不同區(qū)段之間的損傷差異明顯。損傷較輕的區(qū)域（曲線A1、A2、A3），采用CDF方法測(cè)試的剝落量最小。此外，所有的試樣中，采用CDF方法測(cè)試的剝落量均超過了1500g/m2。N1區(qū)域（A1、A2、A3曲線顯示），剝落量較小。

圖3 混凝土表面采用CDF方法測(cè)試的結(jié)果

圖4 混凝土核心處采用CDF方法測(cè)試的結(jié)果

此外還對(duì)人行道混凝土芯部采用CDF方法測(cè)試，結(jié)果如圖4所示，所測(cè)試的混凝土試樣均表現(xiàn)出優(yōu)異的抗凍融循環(huán)能力。實(shí)際上，在一定的試驗(yàn)條件下，混凝土結(jié)構(gòu)都具有優(yōu)異的抗凍融循環(huán)能力。

顯然，在壓實(shí)，沉降，后期處理等工序中，實(shí)際施工參數(shù)可以導(dǎo)致混凝土外表面組織結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。相對(duì)于混凝土技術(shù)參數(shù)（例如，水灰比W/C）來(lái)說，這樣的實(shí)際施工參數(shù)對(duì)混凝土的抗凍融循環(huán)能力的影響則更為明顯。

有時(shí)候，人行道的表面也會(huì)涂上一層表面防護(hù)涂層（通常是OS-F）。這種涂料可以用于防止在XF4暴露條件下的侵蝕，但造價(jià)昂貴，且使用壽命有限。所以，用該種防護(hù)涂層修補(bǔ)建筑物成本較高。

基于自身的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件，常用的技術(shù)解決方案或表面保護(hù)系統(tǒng)往往不是最佳的橋面人行道修補(bǔ)方案（圖5）。

圖5 橋面人行道的表面防護(hù)系統(tǒng)的損傷

樹脂和混凝土相結(jié)合，利用低粘度環(huán)氧樹脂的擴(kuò)散功能，使混凝土表面邊緣區(qū)的耐久性能進(jìn)一步得到提高。從上述所提到的涂有環(huán)氧樹脂的橋上面人行道中取混凝土試樣，首先采用CDF方法進(jìn)行14次凍融循環(huán)測(cè)試 （試驗(yàn)面積=混凝土表面）,結(jié)果顯示剝落量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)限值。圖6展示的是試樣在涂環(huán)氧樹脂前后的腐蝕情況。在測(cè)試的過程中需保證混凝土的表面平整。此外，更要注意的是環(huán)氧樹脂要盡可能均勻地涂在混凝土表面。試樣中心的孔洞是取樣時(shí)留下的。

圖6 未涂環(huán)氧樹脂14次凍融循環(huán)后的試樣 （上），涂有環(huán)氧樹脂的試樣（中），涂有環(huán)氧樹脂增加56次凍融循環(huán)的試樣（下）

圖7為涂有環(huán)氧樹脂的試樣采用CDF方法測(cè)得的剝落量變化曲線，與先前表面未涂環(huán)氧樹脂的試件測(cè)得的剝落量作對(duì)比。當(dāng)涂有環(huán)氧樹脂的混凝土繼續(xù)增加56次凍融循環(huán)時(shí)，測(cè)試所需時(shí)間是一般CDF測(cè)試時(shí)間的兩倍，盡管如此，剝落量也非常小。

然而，今后要想將與樹脂結(jié)合的混凝土規(guī)范、安全、高效地應(yīng)用于混凝土實(shí)際工程中，則必須編制相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范。一方面，他們不僅僅在經(jīng)濟(jì)上更具有可行性，而且從技術(shù)上來(lái)說，也更具有效性；另一方面，在環(huán)氧樹脂滲透的區(qū)域，由于隔離或處理不當(dāng)，會(huì)造成混凝土多孔。只有實(shí)現(xiàn)細(xì)孔收縮，才能有效地加固這一區(qū)域，并且能夠阻止水分吸收。對(duì)于凝固較慢的混凝土，細(xì)孔收縮也能有效地阻止水分從更深層的混凝土向外滲出，為混凝土后期硬化創(chuàng)造有利條件。通過此種方式可以確保在環(huán)氧樹脂的防護(hù)作用減弱時(shí)，混凝土已達(dá)到足夠的強(qiáng)度，即使在沒有環(huán)氧樹脂保護(hù)的情況下，也不會(huì)影響到混凝土的耐久性能。

圖7 無(wú)防護(hù)涂層的試樣剝落量

3 停車樓地板修補(bǔ)

要提高停車樓的耐久性能，首先要解決的是氯離子滲透問題。每年冬天停車場(chǎng)都需要使用大量的除冰鹽。一些舊停車樓地板沒有安裝有效的隔離裝置，因此氯離子滲入鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的停車樓地板面層，導(dǎo)致受侵蝕的概率增大，而滲入停車樓地板面層的氯離子進(jìn)一步滲透到混凝土內(nèi)部。因此，除了頂棚處，柱腳區(qū)域的氯離子侵蝕也較嚴(yán)重，其原因主要是排水不利。圖8就是一個(gè)很典型的例子。

圖9和圖10則具有一定的代表性，其中圖9為頂棚氯離子濃度與深度變化曲線，圖10為柱腳氯離子濃度與深度變化曲線。距混凝土頂棚表面深為3cm處和鋼筋處，氯離子濃度明顯要高。

圖9 頂棚氯離子濃度隨深度變化曲線

圖 10 柱腳氯離子濃度隨深度變化曲線

從圖11中，可以看到柱子直接位于低洼處，其底部已受到嚴(yán)重腐蝕。由于該鋼筋已腐蝕，氯離子的濃度大大提高，這與氯離子的侵蝕直接相關(guān)，并且已經(jīng)通過相應(yīng)的檢測(cè)得到證實(shí)。

相比之下，頂棚處鋼筋銹蝕程度要輕得多。即使是在氯離子濃度較高的建筑接縫處，如圖12檢測(cè)結(jié)果所示，也沒有出現(xiàn)明顯的鋼筋銹蝕現(xiàn)象。

通常情況下，氯離子濃度高于1.0%（以水泥等級(jí)為基礎(chǔ)），受氯離子侵蝕較為嚴(yán)重區(qū)域的修補(bǔ)成本很高。這種情況下，部分設(shè)計(jì)者會(huì)建議在氯離子濃度較高的區(qū)域使用成本相對(duì)較高的混凝土進(jìn)行修補(bǔ)。特殊情況下，如果業(yè)主計(jì)劃短期使用該停車樓，則只要采取相應(yīng)的延緩腐蝕速度措施即可明顯降低成本。

圖11 積水處的柱腳區(qū)

圖12 氯離子濃度較高的建筑接縫處

圖13 停車樓地板基層的噴丸處理

圖14 停車樓地板修補(bǔ)工藝

在上述情況下，要實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約，可使用成本較低的環(huán)氧樹脂涂層，降低建筑物內(nèi)部的濕度，延緩腐蝕進(jìn)程和降低氯離子進(jìn)一步侵蝕。環(huán)氧樹脂的厚度不同，其應(yīng)用效果也有很大的差異，這種差異可以通過對(duì)建筑物表層進(jìn)行測(cè)試加以區(qū)別。圖13和14為環(huán)氧樹脂涂層的施工過程。

停車樓運(yùn)營(yíng)大約1年后，通過滲透測(cè)試、顯微鏡觀測(cè)、磨損測(cè)試以及經(jīng)濟(jì)等多方面因素對(duì)不同防護(hù)系統(tǒng)的效果進(jìn)行綜合評(píng)估。所有指定的系統(tǒng)中，在滿足技術(shù)上可行性的前提下，選擇成本最低的系統(tǒng)方案。上述案例是一個(gè)12層的停車樓，因此，存在很大的成本節(jié)約空間。

4 鏟運(yùn)車道的修補(bǔ)

在飽水狀態(tài)下，鏟運(yùn)車道需具備優(yōu)異的抗凍融循環(huán)能力。一般情況下，在XD3和XF4暴露條件下，鏟運(yùn)車道需使用除冰鹽，而輪胎的磨損應(yīng)力（一般為XM2暴露條件）則會(huì)加深凍融侵蝕。正如上述橋面人行道所描述的那樣，在實(shí)際的修補(bǔ)過程中，一般的解決方法往往是在混凝土損傷處繼續(xù)澆灌混凝土，這通常也是建筑物修補(bǔ)的問題所在。圖15為鏟運(yùn)車道的風(fēng)蝕情況。

行車道的修補(bǔ)常會(huì)用到表面防護(hù)體系。由于膨脹系數(shù)不同，混凝土和表面防護(hù)系統(tǒng)應(yīng)變不一致，導(dǎo)致部分防護(hù)系統(tǒng)與混凝土剝離，如圖16所示。

圖15 鏟運(yùn)車道局部風(fēng)蝕情況

圖16 混凝土表面防護(hù)層剝落情況

如上所述的橋面人行道和停車樓案例，在行車道的表面涂上低成本的防護(hù)層，也可以明顯改善行車道的耐久性。但是，一旦出現(xiàn)了深層次的腐蝕，且不得不重新澆筑時(shí)，則只能尋找新的解決方案。

當(dāng)然，也有可能給鏟運(yùn)車道配備“不銹鋼盔甲”，若是配有加熱裝置則最好。最節(jié)省成本的方法是使用樹脂高性能混凝土，能夠長(zhǎng)期抗磨損和抗凍融循環(huán)。

圖17 樹脂鋼纖維混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)與剝落量關(guān)系曲線

圖18 鏟運(yùn)車道的修補(bǔ)示意圖

在此，我們所述的是樹脂鋼纖維混凝土，強(qiáng)度等級(jí)為F1/ F2，高爐礦渣水泥（CEM III/A52.5） 為450kg/m3，粉煤灰和石英粉為70kg/m3，0/2萊茵河砂和2/5玄武巖碎石，水膠比為0.39。圖17為樹脂高性能混凝土的CDF測(cè)試結(jié)果。從圖17中可以看出，樹脂高性能混凝土的剝落量遠(yuǎn)低于500g/m2（規(guī)范上限值為1500g/m2）。玄武巖碎石也有助于提高車道的耐磨性。

修補(bǔ)鏟運(yùn)車道時(shí)，可以在該車道上側(cè)面涂抹透水的環(huán)氧樹脂。然后鑿除破損的混凝土表層，用水沖洗干凈。上層的鋼筋及鋼筋以下約3cm的區(qū)域均暴露在空氣中?；蛘邔⑴f混凝土表面進(jìn)行洗刷或粗糙打磨，這樣就可以在舊混凝土表面配置間隔為3cm的鋼筋（Rd.4?12）。為了使樹脂鋼纖維混凝土與舊混凝土緊密結(jié)合，鋼筋的間距規(guī)定為3cm（見圖18）。

一般來(lái)說，有施工縫的墻面變形相對(duì)較小。鋼筋和鋼纖維混凝土的結(jié)合使用，有可能實(shí)現(xiàn)行車道的無(wú)縫施工。這樣就大大降低了輪胎對(duì)接縫處的磨損。圖19為用于修補(bǔ)鏟運(yùn)車道的樹脂高性能混凝土的生產(chǎn)過程。其樹脂涂層實(shí)驗(yàn)是于2008年秋季進(jìn)行的。計(jì)劃在2009用此方法對(duì)行車道進(jìn)行修補(bǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要以橋面人行道、停車樓地板和鏟運(yùn)車道的修補(bǔ)為案例，研究如何將樹脂和混凝土相結(jié)合，利用技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)來(lái)提高建筑物的耐久性。利用低粘度環(huán)氧樹脂滲入混凝土基層，使環(huán)氧樹脂和混凝土緊密結(jié)合，達(dá)到防潮，抗氯離子侵蝕性，防腐的效果，從而提高建筑物的抗凍融循環(huán)能力和使用壽命。這種表面防護(hù)系統(tǒng)尤其適合上述所提及的橋面人行道和停車樓案例。

圖19 用于修補(bǔ)鏟運(yùn)車道的樹脂高性能混凝土的生產(chǎn)過程

通常情況下是不允許將此種方法運(yùn)用到實(shí)際工程中，因?yàn)檫@種表面防護(hù)體系還未正式納入標(biāo)準(zhǔn)。隨著人們對(duì)樹脂鋼纖維混凝土性能的逐漸了解，此防護(hù)體系有可能寫入規(guī)范。