钢筋混凝土维修材料方法

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钢筋混凝土维修材料方法

　　钢筋混凝土桥是一个耐久性结构，但是经验告诉我们即使是混凝土材料、设计和施工的质量都很好，随着服役时间的延长，桥梁结构还是会出现各种各样的病害。下面小编为大家分享钢筋混凝土维修材料方法，欢迎大家阅读浏览。

钢筋混凝土维修材料方法

　　一、前言

　　钢筋混凝土桥是一个耐久性结构，但是经验告诉我们即使是混凝土材料、设计和施工的质量都很好，随着服役时间的延长，桥梁结构还是会出现各种各样的病害。钢筋混凝土桥梁的耐久性与如下因素有关：

　　混凝土的密实度;

　　混凝土抗开裂能力;

　　结构所处环境的潮湿度;

　　结构所处环境的冻融循环情况;

　　结构所处环境的二氧化碳浓度;

　　结构所处环境的化冰盐使用情况等;

　　如果混凝土材料或施工质量不好，或设计有缺陷等都会加速病害的发生和发展速度。另外，由于混凝土炭化反应或氯离子渗入会导致钢筋锈蚀，而钢筋锈蚀又会引起混凝土的分层与破碎。高质量的材料、施工和设计可以提高新桥梁的耐久性，但仍然有很多理由需要对这些新桥进行保护以便使其能达到或超过设计服役寿命。对已经服役一定时间的桥梁，更要进行经常性的保护和维修，以便使其经常处于良好的条件下，延长服役寿命。

　　在本文中，首先我们对混凝土的病害做一简单介绍，接着就水泥基维修和保护材料的特点和使用方法进行了说明。另外对用于结构保护的密封剂和涂装材料的性能和作用也进行了介绍，最后对典型的维修步骤，包括表面准备、锈蚀钢筋的维修与保护和混凝土的维修与保护，进行了详细的介绍。

　　密封剂和涂装材料的功能主要是减少钢筋混凝土结构中的电解液，从而减缓电化学锈蚀反应的进程。另外，密封剂和涂装材料还可以防止化冰盐、二氧化碳和氧气等对结构的侵入从而减缓钢筋的锈蚀，这类保护还可以降低冻融循环对结构的破坏，提高结构抗冻融循环的能力。

　　二、混凝土病害

　　混凝土病害是一个复杂的问题，与混凝土原来的质量和工作环境有很大关系。水泥胶浆的多孔性，它的化学与物理特性，低张力强度和脆性等是混凝土病害的关键因素。混凝土原料的质量、设计的不完善和浇筑及养护过程中出现的问题也是病害产生的重要原因。为了方便陈述，我们将混凝土的病害分成以下几类：

　　钢筋锈蚀;

　　碱骨料反应;

　　冻融循环;

　　1，钢筋锈蚀

　　锈蚀是金属铁发生氧化的电化学过程，生成氧化铁。氧化铁的体积比金属铁大，因此钢筋锈蚀会导致混凝土开裂。而开裂又使得水、二氧化碳和盐更容易进入到混凝土结构内部，从而又加速了钢筋锈蚀的速度。

　　钢筋锈蚀需要水和氧气同时存在。当混凝土结构内部的相对湿度达到40%时，锈蚀就开始了，相对湿度达到70-80%时，锈蚀速度达到最大。当相对湿度超过70-80%或整个混凝土结构完全浸没在水里时，由于氧的供应量不足，因此锈蚀速度反而下降了。另一方面，氯离子的存在会加速锈蚀速度。

　　炭化反应主要是水泥中的石灰，大气中的二氧化碳和某些酸性物质，如二氧化硫和二氧化氮之间的反应。这个中性化反应的结果导致混凝土pH值的下降，使得钢筋表面的钝化膜逐步丧失而引发钢筋锈蚀。同时炭化反应也会加剧由于氯离子渗入而导致的锈蚀。

　　2，冻融破坏

　　冻融循环使混凝土中的水结冰膨胀而产生张力，从而导致结构开裂。通过加入引气剂，使得混凝土结构内部形成大小合适的气穴可以有效地减少冻融对混凝土的破坏。没有加入引气剂的混凝土常常需要维修与保护，防止冻融循环造成的破坏。

　　3，碱骨料反应

　　碱骨料反应是指水化水泥中的碱性物质与骨料中可反应化学成分之间发生化学反应。一般来说有两类碱骨料反应：碱-碳反应：碱性物质与含有碳酸盐类物质的骨料(如白云石等)发生化学反应;另一类是碱-硅反应：碱性物质与含硅酸盐类物质的骨料(如蛋白石和硅酸石灰石等)发生化学反应。碱骨料反应的结果是在水泥骨料表面发生膨胀性断裂，从而导致混凝土结构开裂。比起由于钢筋锈蚀而导致的病害和开裂，碱骨料反应的过程要慢的多。

　　以上对混凝土病害的分类只是很多种混凝土病害分类方法的一种。然而，对各种分类方式都有一个共同的标准。当混凝土结构处在极端的工作环境中时，其微观结构特征对混凝土病害而言是至关重要的，著名混凝土专家Mehta 先生对微观结构与混凝土耐久性之间的关系有如下论述：“从长远角度看，混凝土的可穿透性或可渗水性是唯一与耐久性直接相关的特性。有大量的事实证明，如果混凝土结构完全不可穿透或完全不渗水，则那些病害，包括钢筋锈蚀、碱骨料反应和冻融破坏根本就不会发生。”

　　三、混凝土维修—系统

　　如果我们接受“全面”的方法，可以使我们获得耐久性更好的混凝土，同样的概念可以为我们提供耐久性更好的混凝土维修方法。由于有证据表明大量的维修在很短地时间内就失效了，因此寿命更长的维修方法具有很大的吸引力。混凝土专家Emmons 和 Vaysburd 就混凝土维修的系统概念做过如下阐述：“为了理解那些影响设计和选择维修方法的因素，需要将整个混凝土维修工作作为一个整体的系统进行考虑。例如，维修材料的选择仅仅是获得长期维修寿命的一个步骤，而施工方法、表面准备和检测方法等同样重要。”

　　1，引起混凝土病害的原因是什麽?

　　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;

　　炭化深度分析;

　　岩石记述学分析;

　　气穴分布检测;

　　结构分析;

　　2，结构有哪些损坏?

　　有碍观瞻：颜色斑驳，表面开裂;

　　开裂、分层、锈蚀;

　　危及公众安全：破碎、脱落;

　　渗漏;

　　耐久性差;

　　3，结构的剩余服役期还由多长?

　　4，结构目前的承载能力是多少?

　　5，此次维修对整个系统会有哪些影响?

　　6，什麽材料和方法最适合此次维修?

　　四、钢筋混凝土桥梁的维修：材料与方法

　　1，清除松动、破碎的混凝土

　　彻底清除松动、破碎的混凝土并充分进行表面准备是进行钢筋混凝土桥梁维修最基本的步骤。电锤和高压水枪是进行表面清理常用的工具，而后者要优于前者，因为它给混凝土结构造成的损害很小，但是成本较高且在某些施工现场很难实施。当在立面、平面或顶面进行薄层(几毫米)表面准备时，典型的手段是高压水、干喷砂和湿喷砂。如果主要是在平面上进行表面准备，可以使用刮、凿、磨和喷丸等手段。在平面上，一般需要将表层混凝土清除掉6-12mm以获得所谓的清洁、坚固的混凝土，因此打磨和喷丸比较合适。

　　当用湿或干喷丸方法清理水平面时，必须在整个区域内进行完全彻底地清理。对分层的地方，强烈建议将其周围5厘米范围内的混凝土全部清除，以确保将钢筋周围已发生炭化的混凝土彻底清除。如果可能，最好将钢筋下面的混凝土也清除掉，以便在钢筋下面填充修补材料。清除钢筋表面所有的锈迹。高质量的表面准备是维修材料与原有结构良好粘结的重要条件。

　　2，防锈涂层：保护暴露的钢筋

　　聚合物基防锈涂料(典型材料有丙烯酸类和环氧类)被用来进行锈蚀钢筋的表面防锈。这类材料有很多致命的弱点，例如，它们一般都对表面清理要求很高，甚至要求清理达到“白色金属表面”的水平，而这在现场往往是不可能的。另外是严格要求施工是涂层表面不能有“针孔”，如果涂层表面有“针孔”，在“针孔”附近将形成“阳极”，这样不但失去了防锈的意义，而且还会极大地加快锈蚀速度。

　　水泥基防锈材料由于其本身是碱性的，同时具有一定的“迁移”能力，因此可以克服这些弱点。而且水泥基材料在修补区域周围不会形成“高”阳极效果，不会由于施工不慎而导致的加速锈蚀速度的现象发生。

　　3，修补砂浆和混凝土：性能与应用

　　病害混凝土的维修可能会用到几种材料：

　　薄层修补砂浆(0-12mm)

　　厚层修补砂浆(6-100mm)

　　干喷或湿喷混凝土

　　所有这些修补材料应具备以下重要特性：

　　塑性收缩率低;

　　干收缩率低;

　　黏结性良好;

　　宜使用;

　　抗干收缩裂缝;

　　耐久性好(抗冻融能力强);

　　薄层修补砂浆一般是经聚合物改性的，比如丙烯酸乳液、丁二烯、苯乙烯或苯乙烯改性的丙烯酸等。以往这类修补砂浆都是双组分的，这样在施工现场混合时可能会出现比例上的失误。但最近我们推出了经干聚合物改性的单组分薄层修补砂浆，这类单组分的修补砂浆在现场只加水就可以了。经乳液聚合物或干聚合物改性的砂浆具有良好的粘结性和耐久性。

　　厚层修补砂浆一般含有纤维以减少干收缩开裂现象的发生，而纤维的选择十分重要。低弹性模量的纤维，如聚苯烯、尼龙或特种聚酯等纤维只能控制“塑性”收缩开裂，而高弹性模量纤维，如特种玻璃纤维等既可以控制“塑性”收缩开裂，也可以控制干收缩开裂。

　　在顶板上使用厚层修补砂浆时，其快干特性就显得十分重要。骨料和外加剂的选择对于在立面和顶板上的施工的简便和快速影响很大。

　　对大体积维修应该使用喷射混凝土方式进行。喷射混凝土分干喷和湿喷两种，干喷是将水泥、骨料和外加剂事先进行干混，并在喷嘴处加水并以高速喷射到修补面上。湿喷是将修补砂浆预先与水调和好，然后用喷枪喷射到修补面上。

　　干喷和湿喷都可以获得理想的修补效果，但干喷的回弹很高，一般可能达到25%左右，同时施工质量与操作人员的操作水平有很大的关系。与干喷相比，湿喷的回弹率小，同时由于在湿喷过程中会捕获一些空气，在混凝土内部形成气穴，因此其抗冻融破坏的能力更强。另外湿喷对操作人员的技术水平要求不像干喷那样高。

　　喷射混凝土的最新技术发展是微硅粉的使用。微硅粉是一种非晶态的二氧化硅，是铁合金工业的副产品。微硅粉颗粒的粒度非常小，一般是水泥水化反应生成的颗粒的百分之一或更小。因此加入微硅粉后可以提高混凝土的抗压强度，提高抗渗能力和抗化学腐蚀物的能力。同时，加入微硅粉后，还可以降低干喷或湿喷混凝土的回弹率，特别是在湿喷时，可以使湿喷的回弹率减少到可以忽略不计的程度。还有，微硅粉可以提高混凝土内部的粘合能力，缩短混凝土浇筑好后不能马上浸水的等待时间。另外，从经济角度看，微硅粉的成本比聚合物的成本要低很多。微硅粉的缺点是比较容易产生塑性开裂，这一点可以通过恰当的养护，特别是早期养护来解决。

　　纤维增强是另一项喷射混凝土新技术，通过在混凝土中加入纤维可以提高抗弯、抗张和抗开裂能力。纤维的增强效果与所使用纤维的弹性模量有直接的关系。弹性模量越高，效果越好。钢纤维对混凝土的增强效果非常明显，目前在干喷和湿喷中都得到了广泛的使用。钢纤维增强喷射混凝土目前在隧道的建设与维修、港口混凝土设施的建设与维修中用的很多，其维修厚度可达5-15cm，在薄层修补中不宜使用。

　　经耐碱处理的玻璃纤维具有较高的弹性模量，而且很容易与修补砂浆混合，另外玻璃纤维增强喷射混凝土的终饰性非常好。玻璃纤维一般用在湿喷混凝土中，但也可以用在干喷混凝土中。其主要用途是用来进行混凝土结构的维修，包括天花，墙体，结构墚，混凝土桥梁以及工业混凝土结构维修等。另外，玻璃纤维增强混凝土可以进行从薄层到后达几英寸的厚层修补。

　　聚合物纤维，如聚丙烯纤维等也被用在干喷和湿喷混凝土中，单纤维聚丙烯纤维可以用在干喷或湿喷混凝土中，但小纤维据苯烯纤维主要用在湿喷混凝土中。聚合物纤维的最大弱点是其弹性模量较低，因此主要用于控制塑性开裂和在一定范围内的干缩开裂。其主要优点是成本较低，同时在碱性的修补砂浆和混凝土中化学性能不活跃。

　　五、钢筋混凝土保护密封剂和涂装材料

　　在整个桥梁表面使用防水密封剂和涂装材料有很多意义，可以减少混凝土中电解液的含量，减少被修补区域(阴极)和未修补区域(阳极)间的电位差，从而降低锈蚀速度。事实证明，影响桥梁混凝土结构的水主要来源于降雨，因此对钢筋混凝土桥梁进行防水是降低钢筋锈蚀速度的基本手段。另外，保护密封剂和涂装材料还可以减少氧气的渗透，减缓混凝土炭化反应的进程。

　　为了方便讨论，本文将涂装材料分成两大类：

　　渗透型密封剂;

　　成膜型密封剂;

　　按照所用粘合剂的化学成分，也可以进行如下分类：

　　有机类：各种聚合物涂装系统;

　　无机类：硅酸盐水泥，

　　有机与无机混合类：聚合物与硅酸盐水泥混合;

　　如下指标对涂装材料是关键性指标：

　　耐久性

　　水汽透过性

　　抗水和盐的渗透性

　　抗二氧化碳渗透性

　　桥联裂缝的能力

　　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，抗二氧化碳渗透性和桥联裂缝的能力是最重要的指标。

　　1，耐久性

　　所谓耐久性，这里指的是涂装材料或密封剂涂刷后，可以在多长时间内对混凝土结构起到有效的保护，即涂装材料或密封剂的使用寿命究竟有多长。耐久性与材料的种类、被保护的混凝土结构所处的工作环境以及涂装材料与被保护基层间的物理化学性能的相互作用有关。

　　材料本身的耐久性和其抵御化学侵蚀的能力(如抗紫外线能力，耐摩擦能力和弹性等)一般是可以精确地确定的。但是，为什麽有时候这类保护还会失效呢?除了材料选择有误、表面清理不彻底等明显的原因外，导致保护涂层过早失效的原因往往是由于涂装材料的物化性能与被保护的混凝土结构不兼容造成的。

　　2，水气透过性

　　使结构中的水汽穿过涂层的能力称为水汽透过性。所有的涂装材料都会降低混凝土的水汽透过性，但问题是“所要求的最小的呼吸性到底应该是多少?”，或者说涂装材料将潮气封闭在混凝土结构中的最大程度是多少?在回答这个问题之前，我们应该认识到水汽透过性是在平衡状态下测得的，因此，其结果只能用来进行不同材料间的比较。同时，也应该注意到一个材料的呼吸性能对高密实度混凝土非常合适，但对结构疏松多孔的结构可能就不合适。另外，如果没有水或不存在温度和湿度梯度来驱动潮气从结构内散发出来，则涂层的“可呼吸性”也就不那么重要了。

　　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。

　　3，抗水和盐的渗透性

　　北美地区对这个性能进行了深入的研究并制定了一系列的标准来测量。

　　4，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Rb 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Rb =100 m，意思是涂层抗二氧化碳的渗透能力相当于100米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Rb=50 m。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。

　　5，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、二氧化碳和其它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性减弱。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。

　　六、钢筋混凝土桥梁保护密封材料和涂装材料简介

　　1，渗透型密封剂

　　使用渗透型密封剂保护钢筋混凝土桥梁不受水、化冰盐和酸雨的侵蚀已经是常规的做法了。按照作者的观点，使用憎水硅烷或齐聚物硅氧烷等渗透型密封剂可以为钢筋混凝土桥梁提供充分而相对经济的保护。但是像所有其他的方法一样，渗透型密封剂也有它的局限性，其中最值得注意的是它的保护寿命，一般渗透型密封剂的保护寿命为4-6年，换句话说，就是每隔4-6年需要重新涂刷一次。这类密封剂的另一个不足之处是它对大于0.2mm的裂缝无能为力。相对低廉的成本和施工的简单是这类材料的主要优点。另外还可以减少混凝土结构受冻融破坏的程度。

　　2，聚合物基成膜型涂装材料

　　有很多基于聚合物和硅酸盐水泥的防水与混凝土保护材料，主要指标是“可呼吸能力”和抗二氧化碳的渗透能力。在某些混凝土维修项目中，如桥梁结构和冷却塔等，通过减少水和二氧化碳的深入，处于炭化或氯离子污染环境下的钢筋锈蚀过程只能被减缓，而不可能被停止。从长远角度看，结构往往会形成一些微小的裂缝，因此需要用有一定弹性的涂装材料来桥联新产生的裂缝，以阻止水和二氧化碳通过缝隙侵入结构内部。混凝土结构维修后，一般应用柔性水泥类涂装材料对结构进行保护。预应力或后张法钢筋混凝土预制件出现裂缝的机会较少，因此，也可以选用一些弹性较差的聚合物涂装材料。

　　3，聚合物改性水泥基成膜型涂装材料

　　在保护钢筋混凝土桥梁方面，聚合物改性水泥基材料表现出卓越的性能，它们具有良好的呼吸性能、与混凝土基层的兼容性良好、耐久性和耐摩擦性优异，同时成本不高，所有这些使得这类材料成为混凝土保护的首选材料。

　　4，柔性、化学交联、单组分丙烯酸涂装材料

　　经化学交联处理的单组分水基弹性涂料具有很好的低温柔韧性和抵抗永久形变能力，这一特性对于封闭移动裂缝非常重要，因为这类材料的永久形变随着屈张循环而增加，逐渐导致材料老化、变脆和开裂。经化学交联处理的弹性丙烯酸涂装材料具有良好的形变恢复能力，因此可以为基层的可移动裂缝提供更好和更加可靠的保护与防水效果。这类材料常用于混凝土结构防水和防炭化反应。

　　在维修过程中，彻底清除锈蚀钢筋周围的混凝土是一件十分困难的工作，例如后张法箱型墚，如果将锈蚀钢筋周围的混凝土全部清除将对结构造成严重的破坏。在这种情况下，仅将松动的混凝土清除，然后在锈蚀钢筋上涂刷水泥基阻锈剂，再用薄层修补水泥进行修补，最后用化学交联涂装材料进行涂装保护，就可以大大减慢锈蚀速度，达到修补保护的目的。

　　由于相对于被修补并作阻锈处理的这一端(阴极)，没有被修补的另一端就变成了阳极，因此锈蚀会在这端开始发生。同样，在修补时并没有开裂和锈蚀的部份在以后也会逐渐发生锈蚀开裂等病害，并逐渐影响到经过修补的部份。而化学交联弹性涂装材料可以封闭这些“后来发生”的裂缝，为混凝土结构提供一个干燥、没有盐和二氧化碳等有害化学成分侵蚀的环境，从而大大降低病害发生和发展的速度。

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