混凝土和树脂结合修补建筑物的实际应用

2010-01-12LudgerLohausLassePetersenHannover

商品混凝土 2010年8期

Ludger Lohaus, Lasse Petersen, Hannover

译者：胡灶银

1 引言

德国混凝土建筑大多根据DIN 1045标准进行设计，该标准保证了建筑物在不需要大规模维修的前提下，也不会影响其50年使用寿命。根据DIN 1045标准，建筑物表面防护系统（虽然混凝土为表面防护系统提供了牢固的支撑，但混凝土本身并没有防护功能）需另行设计，由于本身并没有承载功能，往往很难实现50年使用寿命。因此，表面防护系统通常需要定期更新，由于经济上的原因，往往做不到这一点。大多数情况下，还是可以找到符合规范的表面防护替代系统，且替代系统的成本更低。利用混凝土和树脂相结合的防护功能，为建筑物修补问题提供更简单、更经济、更有效的解决方案。本文将主要介绍桥面人行道，停车楼及铲运车道等修补实例。

2 桥面人行道的修补

桥面人行道经常处于XD3暴露条件下（氯离子渗透侵蚀），对混凝土耐久性要求较高，必须具备良好的抗压性能。同时，桥面人行道混凝土表面在饱水状态下，经常受到冻融侵蚀（XF4暴露条件：高度饱水状态，受氯离子渗透侵蚀和不受氯离子渗透侵蚀）。为了满足冻融循环要求，桥面人行道则需根据DIN 1405-2标准采用引气混凝土（LP）浇筑，W/C≤0.50。详细的混凝土施工技术要求参见DIN 1045-2和ZTV - ING标准。

图1 冻融对桥面人行道造成的损伤

图2 人行道不同区域的损伤等级和钻芯取样位置分布

即使在混凝土浇筑符合标准的情况下，冻融循环也常常会对人行道混凝土造成损伤。图1是冻融循环对人行道造成损伤的一个典型案例。损伤进一步蔓延到栏杆底部，水分在栏杆底部聚集，此处含水量最高。桥面人行道的损伤程度则因桥段位置不同而异。从外观上看，桥面人行道可以划分为不同的损伤区域。图2是对不同损伤区域钻芯取样的CDF测试结果。

首先，需要对桥面人行道的混凝土表面进行测试。如图3所示，不同区段之间的损伤差异明显。损伤较轻的区域（曲线A1、A2、A3），采用CDF方法测试的剥落量最小。此外，所有的试样中，采用CDF方法测试的剥落量均超过了1500g/m2。N1区域（A1、A2、A3曲线显示），剥落量较小。

图3 混凝土表面采用CDF方法测试的结果

图4 混凝土核心处采用CDF方法测试的结果

此外还对人行道混凝土芯部采用CDF方法测试，结果如图4所示，所测试的混凝土试样均表现出优异的抗冻融循环能力。实际上，在一定的试验条件下，混凝土结构都具有优异的抗冻融循环能力。

显然，在压实，沉降，后期处理等工序中，实际施工参数可以导致混凝土外表面组织结构发生改变。相对于混凝土技术参数（例如，水灰比W/C）来说，这样的实际施工参数对混凝土的抗冻融循环能力的影响则更为明显。

有时候，人行道的表面也会涂上一层表面防护涂层（通常是OS-F）。这种涂料可以用于防止在XF4暴露条件下的侵蚀，但造价昂贵，且使用寿命有限。所以，用该种防护涂层修补建筑物成本较高。

基于自身的技术和经济条件，常用的技术解决方案或表面保护系统往往不是最佳的桥面人行道修补方案（图5）。

图5 桥面人行道的表面防护系统的损伤

树脂和混凝土相结合，利用低粘度环氧树脂的扩散功能，使混凝土表面边缘区的耐久性能进一步得到提高。从上述所提到的涂有环氧树脂的桥上面人行道中取混凝土试样，首先采用CDF方法进行14次冻融循环测试（试验面积=混凝土表面）,结果显示剥落量远远低于标准限值。图6展示的是试样在涂环氧树脂前后的腐蚀情况。在测试的过程中需保证混凝土的表面平整。此外，更要注意的是环氧树脂要尽可能均匀地涂在混凝土表面。试样中心的孔洞是取样时留下的。

图6 未涂环氧树脂14次冻融循环后的试样（上），涂有环氧树脂的试样（中），涂有环氧树脂增加56次冻融循环的试样（下）

图7为涂有环氧树脂的试样采用CDF方法测得的剥落量变化曲线，与先前表面未涂环氧树脂的试件测得的剥落量作对比。当涂有环氧树脂的混凝土继续增加56次冻融循环时，测试所需时间是一般CDF测试时间的两倍，尽管如此，剥落量也非常小。

然而，今后要想将与树脂结合的混凝土规范、安全、高效地应用于混凝土实际工程中，则必须编制相应的标准和技术规范。一方面，他们不仅仅在经济上更具有可行性，而且从技术上来说，也更具有效性；另一方面，在环氧树脂渗透的区域，由于隔离或处理不当，会造成混凝土多孔。只有实现细孔收缩，才能有效地加固这一区域，并且能够阻止水分吸收。对于凝固较慢的混凝土，细孔收缩也能有效地阻止水分从更深层的混凝土向外渗出，为混凝土后期硬化创造有利条件。通过此种方式可以确保在环氧树脂的防护作用减弱时，混凝土已达到足够的强度，即使在没有环氧树脂保护的情况下，也不会影响到混凝土的耐久性能。

图7 无防护涂层的试样剥落量

3 停车楼地板修补

要提高停车楼的耐久性能，首先要解决的是氯离子渗透问题。每年冬天停车场都需要使用大量的除冰盐。一些旧停车楼地板没有安装有效的隔离装置，因此氯离子渗入钢筋混凝土结构的停车楼地板面层，导致受侵蚀的概率增大，而渗入停车楼地板面层的氯离子进一步渗透到混凝土内部。因此，除了顶棚处，柱脚区域的氯离子侵蚀也较严重，其原因主要是排水不利。图8就是一个很典型的例子。

图9和图10则具有一定的代表性，其中图9为顶棚氯离子浓度与深度变化曲线，图10为柱脚氯离子浓度与深度变化曲线。距混凝土顶棚表面深为3cm处和钢筋处，氯离子浓度明显要高。

图9 顶棚氯离子浓度随深度变化曲线

图 10 柱脚氯离子浓度随深度变化曲线

从图11中，可以看到柱子直接位于低洼处，其底部已受到严重腐蚀。由于该钢筋已腐蚀，氯离子的浓度大大提高，这与氯离子的侵蚀直接相关，并且已经通过相应的检测得到证实。

相比之下，顶棚处钢筋锈蚀程度要轻得多。即使是在氯离子浓度较高的建筑接缝处，如图12检测结果所示，也没有出现明显的钢筋锈蚀现象。

通常情况下，氯离子浓度高于1.0%（以水泥等级为基础），受氯离子侵蚀较为严重区域的修补成本很高。这种情况下，部分设计者会建议在氯离子浓度较高的区域使用成本相对较高的混凝土进行修补。特殊情况下，如果业主计划短期使用该停车楼，则只要采取相应的延缓腐蚀速度措施即可明显降低成本。

图11 积水处的柱脚区

图12 氯离子浓度较高的建筑接缝处

图13 停车楼地板基层的喷丸处理

图14 停车楼地板修补工艺

在上述情况下，要实现成本节约，可使用成本较低的环氧树脂涂层，降低建筑物内部的湿度，延缓腐蚀进程和降低氯离子进一步侵蚀。环氧树脂的厚度不同，其应用效果也有很大的差异，这种差异可以通过对建筑物表层进行测试加以区别。图13和14为环氧树脂涂层的施工过程。

停车楼运营大约1年后，通过渗透测试、显微镜观测、磨损测试以及经济等多方面因素对不同防护系统的效果进行综合评估。所有指定的系统中，在满足技术上可行性的前提下，选择成本最低的系统方案。上述案例是一个12层的停车楼，因此，存在很大的成本节约空间。

4 铲运车道的修补

在饱水状态下，铲运车道需具备优异的抗冻融循环能力。一般情况下，在XD3和XF4暴露条件下，铲运车道需使用除冰盐，而轮胎的磨损应力（一般为XM2暴露条件）则会加深冻融侵蚀。正如上述桥面人行道所描述的那样，在实际的修补过程中，一般的解决方法往往是在混凝土损伤处继续浇灌混凝土，这通常也是建筑物修补的问题所在。图15为铲运车道的风蚀情况。

行车道的修补常会用到表面防护体系。由于膨胀系数不同，混凝土和表面防护系统应变不一致，导致部分防护系统与混凝土剥离，如图16所示。

图15 铲运车道局部风蚀情况

图16 混凝土表面防护层剥落情况

如上所述的桥面人行道和停车楼案例，在行车道的表面涂上低成本的防护层，也可以明显改善行车道的耐久性。但是，一旦出现了深层次的腐蚀，且不得不重新浇筑时，则只能寻找新的解决方案。

当然，也有可能给铲运车道配备“不锈钢盔甲”，若是配有加热装置则最好。最节省成本的方法是使用树脂高性能混凝土，能够长期抗磨损和抗冻融循环。

图17 树脂钢纤维混凝土的冻融循环次数与剥落量关系曲线

图18 铲运车道的修补示意图

在此，我们所述的是树脂钢纤维混凝土，强度等级为F1/ F2，高炉矿渣水泥（CEM III/A52.5）为450kg/m3，粉煤灰和石英粉为70kg/m3，0/2莱茵河砂和2/5玄武岩碎石，水胶比为0.39。图17为树脂高性能混凝土的CDF测试结果。从图17中可以看出，树脂高性能混凝土的剥落量远低于500g/m2（规范上限值为1500g/m2）。玄武岩碎石也有助于提高车道的耐磨性。

修补铲运车道时，可以在该车道上侧面涂抹透水的环氧树脂。然后凿除破损的混凝土表层，用水冲洗干净。上层的钢筋及钢筋以下约3cm的区域均暴露在空气中。或者将旧混凝土表面进行洗刷或粗糙打磨，这样就可以在旧混凝土表面配置间隔为3cm的钢筋（Rd.4Ø12）。为了使树脂钢纤维混凝土与旧混凝土紧密结合，钢筋的间距规定为3cm（见图18）。

一般来说，有施工缝的墙面变形相对较小。钢筋和钢纤维混凝土的结合使用，有可能实现行车道的无缝施工。这样就大大降低了轮胎对接缝处的磨损。图19为用于修补铲运车道的树脂高性能混凝土的生产过程。其树脂涂层实验是于2008年秋季进行的。计划在2009用此方法对行车道进行修补。

5 结束语

本文主要以桥面人行道、停车楼地板和铲运车道的修补为案例，研究如何将树脂和混凝土相结合，利用技术和经济优势来提高建筑物的耐久性。利用低粘度环氧树脂渗入混凝土基层，使环氧树脂和混凝土紧密结合，达到防潮，抗氯离子侵蚀性，防腐的效果，从而提高建筑物的抗冻融循环能力和使用寿命。这种表面防护系统尤其适合上述所提及的桥面人行道和停车楼案例。