SBR砂浆在嶂山闸混凝土表面防碳化处理的应用

2010-08-07刘磊

治淮 2010年1期

刘磊

混凝土碳化是指混凝土中的水化产物与环境中的CO2发生反应生成其他物质的物理化学过程。随着混凝土被碳化，其表面硬度、密度会有不同程度的提高，孔隙液的PH值则会降低；当PH值降低到一定程度时就会导致钢筋钝化膜破坏、出现锈蚀同时伴随着体积膨胀，最终导致整个建筑物的破坏。

一、水工混凝土的防碳化处理材料

由于历史原因，我国有许多水工建筑物存在着混凝土密实性差、碳化剥落严重的现象。目前，对水工混凝土的碳化破坏处进行修补已成为保证工程正常运行的重要技术手段之一，已有许多工程采用了不同的材料进行防碳化处理，取得了一定的经验和成果。

水工混凝土防碳化处理防护修补材料主要分无机和有机以及结合两者特点而组成的聚合物水泥基材料三类。无机修补材料是以硅酸盐水泥为基料并掺有硅砂等多种特殊活性化学物质的粉末状材料，故又称水泥基修补材料。有机修补材料是选用不饱和聚酯树脂（如环氧树脂、酚醛树脂）、固化剂、增韧剂、稀释剂和填料等组成修补材料，亦称树脂基修补材料。聚合物水泥基修补材料是通过向水泥砂浆中掺加聚合物乳胶改性而制成的一类有机无机复合修补材料。

丁苯胶乳（SBR）是常用的聚合物之一，它加入水泥砂浆后形成的SBR改性聚合物水泥砂浆（简称SBR砂浆）具有优异的物理力学性能和耐久性，对修补防护工程有较强的适应性，应用于嶂山闸、蚌埠闸等工程均取得令人满意的效果。

二、SBR砂浆的优点及作用机理

采用SBR砂浆进行混凝土表面防护处理具有以下优点：①SBR砂浆对混凝土的防护效果较好。②SBR乳液在水泥砂浆中掺量较少，单价相对较低，工程总投资增加不多，但却大大提高了水泥砂浆的抗渗、抗碳化、抗裂性能及粘结强度。③SBR砂浆使用机械喷涂，操作十分简单，且不含有害挥发物质，施工人员不需要特殊的防护设备。

SBR乳液掺入普通水泥砂浆后，砂浆性能得到改善的主要原因是：①SBR乳液内含有一定的高效分散剂，有效地阻碍了水泥颗粒凝聚，胶体粒子比水泥颗粒小很多，这些粒子粘附在骨料和水泥颗粒表面，从而使混合体即具有粘聚性又有很大的流变性。②SBR乳液在水泥砂浆混合物中随水进入到各个角落，在水泥固化过程中，它也逐步失水聚合。聚合物包裹了水泥水化产物，形成一种带有一定韧性的界面膜和填充部分毛细孔隙的不可逆的连续空间网状结构，使毛细管孔隙有效直径减少,结构产生变化，从而抑制了外界气体与水的侵入。③SBR砂浆弹性模量低，适应变形能力高。④SBR乳液失水后产生相当的粘结力，可增大新老材料的粘结强度。

三、SBR砂浆在嶂山闸混凝土表面防碳化处理中的应用

嶂山闸位于江苏省宿迁市，是一座以泄洪为主，兼有蓄水灌溉作用的大型水利工程。工程修建于1959年，1961年建成。由于受特定历史条件影响，该闸存在着设计标准低、水泥用量偏少、施工质量差等问题，致使混凝土的耐久性、密实性和均匀性都相对较差。1994年进行了启闭机工作桥大梁及平衡砣混凝土的表面防碳化处理工作。

1.嶂山闸防碳化处理情况

适宜的施工工艺对保障防护工程的质量、减轻劳动强度、降低防护费用和缩短工期等都起到较大作用。针对嶂山闸启闭机工作桥的实际情况，表面防护方案主要分为混凝土表面基本无裂缝的部位处理方案和混凝土表面有顺筋裂纹的部位的处理方案两种，工艺流程如下：

①凿除混凝土表面有顺筋裂纹处的混凝土50mm；②增补钢筋；③喷砂除锈及除去老混凝土表面浮层；④压力水除尘；⑤拌制SBR砂浆，喷涂一遍在已凿除表面的混凝土处；⑥拌制普通水泥砂浆，修复凿除处的混凝土断面；⑦拌制SBR砂浆，喷涂三遍至所有需要防护的混凝土表面；⑧喷水养护。无裂缝的部位如启闭机工作桥底面的表面防护只需要按上述第③、④、⑦、⑧四个步骤进行即可。

嶂山闸表面防碳化处理的施工机械十分简单，只需要空气压缩机、喷砂枪和普通的建筑涂层喷枪。空气压缩机制得的压缩空气输送到喷砂枪内，用来喷砂除锈或除去老混凝土表面的浮层；压缩空气输送到建筑涂层喷枪内，用来喷涂SBR表面修补材料。喷嘴直径可根据SBR砂浆的性能、砂子粒径、喷涂面的大小、工作压力选用不同口径。

2.嶂山闸SBR砂浆的性能

嶂山闸采用了SBR砂浆作为工程的防护材料，主要技术性能指标如下：

抗急冷急热变化：砂浆在混凝土试件涂抹3mm厚，然后经从80℃立即到-18℃的温度下分别保持3小时的25个循环后，用40倍放大镜观察，SBR砂浆层完好如初。耐侵蚀性：SBR砂浆的切片置入19%盐酸溶液中浸泡24小时后观察，该切片完整，溶液清晰。

3.嶂山闸防碳化处理效果

为了解SBR聚合物砂浆防护效果，对启闭机工作桥大梁进行了外观检查和现场取芯，观测已在工程上应用13年后的SBR砂浆和其防护下的混凝土的碳化的情况具体如下：

启闭机工作桥大梁防碳化层表面完整，构件表面无裂缝和孔隙，大梁碳化层混凝土颜色发黄，混凝土内钢筋完好未锈蚀。SBR砂浆防碳化层表面完整，表面无裂缝和孔隙，SBR砂浆与老混凝土已成为一体共同抵抗外界的碳化作用。

在拆除的3片启闭机工作桥大梁上分别钻取数个混凝土芯样，并测量混凝土表面SBR砂浆的厚度及碳化深度和大梁混凝土碳化深度。SBR砂浆厚度实测值为1.0～4.2 mm，平均值为2.3 mm，标准差0.66mm。SBR砂浆碳化深度实测为0～1.0 mm，平均碳化深度为0.43mm，标准差0.36mm。启闭机工作桥大梁混凝土碳化深度平均值为66.30mm，最小值45mm，最大值82mm，标准差8.88mm。

从SBR砂浆的检测结果来看，经过了13年的实际应用，SBR砂浆已碳化层尚不到厚度的20%，这充分说明了SBR砂浆抗碳化性能是非常优异的。按照碳化深度数学模型和SBR砂浆厚度及其碳化深度呈正态分布的特点来推算，目前SBR砂浆的防护作用保证率在99%以上；如按95%的设计保证率来考虑，SBR砂浆层失去防碳化能力至少还需30年，即平均厚度2.3mm的SBR砂浆在嶂山闸所处的环境中预计要经过43年后才开始失去对混凝土的保护作用。

从混凝土的碳化深度来看，2002年安全检测时该构件混凝土碳化深度在35～88mm间，平均碳化深度为65mm，标准差为11.56mm。在使用SBR砂浆对已经严重碳化的混凝土进行防护后，混凝土碳化深度平均值为66.30 mm，标准差8.88mm。按照理想状态，SBR砂浆层完全隔绝了外界CO2向混凝土内部扩散的通道，在SBR砂浆层没有完全碳化前混凝土不会继续碳化。实际上老混凝土在漫长的碳化过程中在完全碳化层和未碳化层之间形成了一个宽度不定的微碳化区，该处混凝土PH值同未碳化的混凝土相比已经有一定程度的降低，但采用1%的酚酞酒精溶液来检查时仍呈粉红色，色泽同未碳化处相比可明显观察到其颜色偏淡。根据扩散理论—CO2浓度在混凝土中呈直线递减、混凝土中CO2浓度由表面（和环境中相同）递减至碳化区前缘为0的假设，因碳化深度不同而在混凝土内部形成CO2等浓度面的跌宕起伏；当SBR砂浆层阻断了外界CO2向混凝土内部扩散的途径后，混凝土内部CO2浓度将重新分布而使部分微碳化区混凝土完全碳化。从两次实测的具体数据来看，可证实上述观点，即混凝土原先浅碳化区向内继续碳化，深碳化区则保持不变，此时碳化深度的正态分布图形就体现为平均值增大、标准差减小的趋势。