混凝土和樹脂結合修補建筑物的實際應用

Ludger Lohaus, Lasse Petersen, Hannover

譯者：胡灶銀

1 引言

德國混凝土建筑大多根據DIN 1045標準進行設計，該標準保證了建筑物在不需要大規模維修的前提下，也不會影響其50年使用壽命。根據DIN 1045標準，建筑物表面防護系統（雖然混凝土為表面防護系統提供了牢固的支撐，但混凝土本身并沒有防護功能）需另行設計，由于本身并沒有承載功能，往往很難實現50年使用壽命。因此，表面防護系統通常需要定期更新，由于經濟上的原因，往往做不到這一點。大多數情況下，還是可以找到符合規范的表面防護替代系統，且替代系統的成本更低。利用混凝土和樹脂相結合的防護功能，為建筑物修補問題提供更簡單、更經濟、更有效的解決方案。本文將主要介紹橋面人行道，停車樓及鏟運車道等修補實例。

2 橋面人行道的修補

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

圖1 凍融對橋面人行道造成的損傷

圖2 人行道不同區域的損傷等級和鉆芯取樣位置分布

即使在混凝土澆筑符合標準的情況下，凍融循環也常常會對人行道混凝土造成損傷。圖1是凍融循環對人行道造成損傷的一個典型案例。損傷進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域。圖2是對不同損傷區域鉆芯取樣的CDF測試結果。

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

圖3 混凝土表面采用CDF方法測試的結果

圖4 混凝土核心處采用CDF方法測試的結果

此外還對人行道混凝土芯部采用CDF方法測試，結果如圖4所示，所測試的混凝土試樣均表現出優異的抗凍融循環能力。實際上，在一定的試驗條件下，混凝土結構都具有優異的抗凍融循環能力。

顯然，在壓實，沉降，后期處理等工序中，實際施工參數可以導致混凝土外表面組織結構發生改變。相對于混凝土技術參數（例如，水灰比W/C）來說，這樣的實際施工參數對混凝土的抗凍融循環能力的影響則更為明顯。

有時候，人行道的表面也會涂上一層表面防護涂層（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，但造價昂貴，且使用壽命有限。所以，用該種防護涂層修補建筑物成本較高。

基于自身的技術和經濟條件，常用的技術解決方案或表面保護系統往往不是最佳的橋面人行道修補方案（圖5）。

圖5 橋面人行道的表面防護系統的損傷

樹脂和混凝土相結合，利用低粘度環氧樹脂的擴散功能，使混凝土表面邊緣區的耐久性能進一步得到提高。從上述所提到的涂有環氧樹脂的橋上面人行道中取混凝土試樣，首先采用CDF方法進行14次凍融循環測試 （試驗面積=混凝土表面）,結果顯示剝落量遠遠低于標準限值。圖6展示的是試樣在涂環氧樹脂前后的腐蝕情況。在測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留下的。

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

圖7為涂有環氧樹脂的試樣采用CDF方法測得的剝落量變化曲線，與先前表面未涂環氧樹脂的試件測得的剝落量作對比。當涂有環氧樹脂的混凝土繼續增加56次凍融循環時，測試所需時間是一般CDF測試時間的兩倍，盡管如此，剝落量也非常小。

然而，今后要想將與樹脂結合的混凝土規范、安全、高效地應用于混凝土實際工程中，則必須編制相應的標準和技術規范。一方面，他們不僅僅在經濟上更具有可行性，而且從技術上來說，也更具有效性；另一方面，在環氧樹脂滲透的區域，由于隔離或處理不當，會造成混凝土多孔。只有實現細孔收縮，才能有效地加固這一區域，并且能夠阻止水分吸收。對于凝固較慢的混凝土，細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造有利條件。通過此種方式可以確保在環氧樹脂的防護作用減弱時，混凝土已達到足夠的強度，即使在沒有環氧樹脂保護的情況下，也不會影響到混凝土的耐久性能。

圖7 無防護涂層的試樣剝落量

3 停車樓地板修補

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構的停車樓地板面層，導致受侵蝕的概率增大，而滲入停車樓地板面層的氯離子進一步滲透到混凝土內部。因此，除了頂棚處，柱腳區域的氯離子侵蝕也較嚴重，其原因主要是排水不利。圖8就是一個很典型的例子。

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，并且已經通過相應的檢測得到證實。

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檢測結果所示，也沒有出現明顯的鋼筋銹蝕現象。

通常情況下，氯離子濃度高于1.0%（以水泥等級為基礎），受氯離子侵蝕較為嚴重區域的修補成本很高。這種情況下，部分設計者會建議在氯離子濃度較高的區域使用成本相對較高的混凝土進行修補。特殊情況下，如果業主計劃短期使用該停車樓，則只要采取相應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

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 停車樓地板修補工藝

在上述情況下，要實現成本節約，可使用成本較低的環氧樹脂涂層，降低建筑物內部的濕度，延緩腐蝕進程和降低氯離子進一步侵蝕。環氧樹脂的厚度不同，其應用效果也有很大的差異，這種差異可以通過對建筑物表層進行測試加以區別。圖13和14為環氧樹脂涂層的施工過程。

停車樓運營大約1年后，通過滲透測試、顯微鏡觀測、磨損測試以及經濟等多方面因素對不同防護系統的效果進行綜合評估。所有指定的系統中，在滿足技術上可行性的前提下，選擇成本最低的系統方案。上述案例是一個12層的停車樓，因此，存在很大的成本節約空間。

4 鏟運車道的修補

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

行車道的修補常會用到表面防護體系。由于膨脹系數不同，混凝土和表面防護系統應變不一致，導致部分防護系統與混凝土剝離，如圖16所示。

圖15 鏟運車道局部風蝕情況

圖16 混凝土表面防護層剝落情況

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層，也可以明顯改善行車道的耐久性。但是，一旦出現了深層次的腐蝕，且不得不重新澆筑時，則只能尋找新的解決方案。

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

圖17 樹脂鋼纖維混凝土的凍融循環次數與剝落量關系曲線

圖18 鏟運車道的修補示意圖

在此，我們所述的是樹脂鋼纖維混凝土，強度等級為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測試結果。從圖17中可以看出，樹脂高性能混凝土的剝落量遠低于500g/m2（規范上限值為1500g/m2）。玄武巖碎石也有助于提高車道的耐磨性。

修補鏟運車道時，可以在該車道上側面涂抹透水的環氧樹脂。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的區域均暴露在空氣中。或者將舊混凝土表面進行洗刷或粗糙打磨，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合，鋼筋的間距規定為3cm（見圖18）。

一般來說，有施工縫的墻面變形相對較小。鋼筋和鋼纖維混凝土的結合使用，有可能實現行車道的無縫施工。這樣就大大降低了輪胎對接縫處的磨損。圖19為用于修補鏟運車道的樹脂高性能混凝土的生產過程。其樹脂涂層實驗是于2008年秋季進行的。計劃在2009用此方法對行車道進行修補。

5 結束語

本文主要以橋面人行道、停車樓地板和鏟運車道的修補為案例，研究如何將樹脂和混凝土相結合，利用技術和經濟優勢來提高建筑物的耐久性。利用低粘度環氧樹脂滲入混凝土基層，使環氧樹脂和混凝土緊密結合，達到防潮，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能力和使用壽命。這種表面防護系統尤其適合上述所提及的橋面人行道和停車樓案例。

圖19 用于修補鏟運車道的樹脂高性能混凝土的生產過程

通常情況下是不允許將此種方法運用到實際工程中，因為這種表面防護體系還未正式納入標準。隨著人們對樹脂鋼纖維混凝土性能的逐漸了解，此防護體系有可能寫入規范。