談混凝土修補規范：給人指導還是令人迷茫

Robert M. Snover, Alexander M. Vaysburd, Benoit Bissonnette

盡管我們對混凝土修補和修補工程的復雜性認識有了明顯的進步，但早齡期修補的失敗已成為一個主要的問題。近期的一個研究報告稱，在200個混凝土修補工程中，只有約半數成功。失敗的原因總結為：

對于破壞原因的不正確判斷；

修補設計方案不正確；

修補材料選擇不恰當；

修補操作不合格。

一個設計較好的規范應該對工程師、承包商、材料供應商和質量控制人員而言都是一個指導線路圖。但是，正如沒有正確地勘查就畫不出地圖一樣，對問題不經過仔細的判斷，就無法制定出修補規范。修補的耐久性是要考慮的最重要的因素，在一個技術方案中要妥善處理，因此修補設計必須側重于耐久性。修補操作的不合格可能是由于質量控制不充分導致的。而實際操作可能超過了制定者的控制，規范與質量控制是相互依賴的關系。總之，質量控制人員的主要任務是確保修補操作按照規范執行，但需假定質量技術規范是完善的。

但是，我們為北美制定修補規范工作的經驗，包括海洋建筑、橋、車庫和工廠，都清晰地顯示，好的技術規范是罕見的。搜索實際的工程方案，我們發現，許多工程師簡單地將Band-Aid?應用于危樓結構，而不是基于大量的工程經驗而研究出一個復雜的補救措施（圖1）。

能否指定性能？

我們判斷，修補規范發展緩慢與性能規范的日益普及有關。有觀念認為規定最終結果通常是好的，但這種觀念并不適于混凝土修補領域。除非要求的性能標準和可靠的評價技術已完善并被廣泛接受，否則可能由于本身的復雜性，不能夠超出規范應用性能要求。

許多規定的性能要求不是重點，很簡單，因為在處理這些要求時沒有實際意義。如果一個特別的性能或其它規定條款不能被實際檢測、測量或控制，那么它就不應被規定。

圖1 修繕設計和撰寫相關技術方案要求由工程師指揮對現狀做一個全面評估

考慮到對修補材料的性能要求，采納“混凝土修補材料的選擇指南（ACI 546.3R-06）”能夠大大改善結果。而其它許多修補特性，比如電化學活性，則既未可知也不可預測。

在要求關于修補被氯化物和海洋環境腐蝕的受損結構的性能要求時，更需要警覺。應當全面理解將會發生的行為，考慮性能要求的方法將更適用；然而，這不適于腐蝕受損結構被修補的情況，因為在可行的實驗方法和實際操作中沒有經證實其關聯性。連續腐蝕和腐蝕加速的風險，歸因于復雜結構新舊混凝土的電化學不兼容性，除非規定全局的陰極保護，否則這種風險經常存在（圖2）。

沿著可導電連續鋼筋出現許多臨界的多種環境協同作用，除了應力狀態的差異之外，也顯著增加了問題的復雜性。在現有結構上修補部位的影響，化學組成的變化以及外來物質的分布，氧氣、水分和其它因素對修補系統電化學性能的影響必須都要考慮。然而，這樣的指導性文件并不存在，因此對腐蝕結構免費修補是不現實的。

在修補規范中，不應該出現“由工程師指導”的字樣。對真正需要的研究和認識應該去除這些沒有意義和多余的語句，這些語句給人感覺寫規范的人不正規和懶惰。而且，規范中這種不確定性使得健全的項目招標變為不可能——在這樣的規范指導下工作，像是在碰運氣。

圖2 在被氯化物污染混凝土修補的部分會形成一個腐蝕電池。曲線A1代表修補區域的陽極反應，曲線A2代表現存含有氯化物混凝土的陽極反應。同時存在一個電化學潛力差（Erp-Esb），在現存混凝土中發展的陽極區域腐蝕速率遠遠大于修補區域（Isb>>Irp）

對規范的看法

許多修補規范是參考標準、支付項目和從之前幾乎沒有考慮規范的工程中循環復制條款。在這些規范中，沒有一個混凝土補修標準。固有的變化主要取決于：

結構內部存在的物理和電化學狀態；

內外環境的相互作用；

由于修補導致的變化；

大規模運輸過程；

基體與修補之間的兼容和不兼容性。

影響混凝土修補系統性能的因素有內在的和外在的。因此，對它們應該正確地考慮，規范制定者（設計者）必須對物理和電化學現象，已存在基體和修補材料的相互關系，外部環境，以及基體和修補材料中的環境等方面都具有足夠的知識。當設計需要確定一個已修補結構的具體服役期或者下一次采取修補措施的具體時間的時候，這些知識尤為重要。

影響修補的關鍵因素

耐久性

對混凝土修補來說，“耐久性”最實際的指標是希望夠推遲下一次修補行為或替換結構的時間。實施起來，對于一個修補工程來說應包括：

對待修補結構現狀的評估，仔細考慮在復雜修補系統中不同部分類似的連續破壞和問題，制訂出實施方案。

耐久性計劃，包括修補結構服役壽命的模型方法和經驗辦法（對連續腐蝕和破壞所能造成的性能、可能性以及風險的結果仔細考慮）。

滲透性

鋼筋混凝土破壞的開始及發展的一個基本的影響因素是水分的遷移。水中可以包含外來物質，然后產生有害的物理、化學和電化學影響。

許多規范只參考ASTM C1202“混凝土抗氯離子滲透能力的電示標準測試方法”來規定修補材料的抗滲性。然而沒有同時參考干燥收縮限值去限制裂縫的延展，低抗滲性是不能確定的。我們查閱了大量的規范，但還沒有找到一個對干燥收縮限制設立的情況。

當規范了預先包裝的修補材料，則限制收縮值也通常給出了，但是沒有指明在什么齡期應該滿足這個限值，那么這樣的要求是沒有意義的。ASTM C1571“預收縮砂漿或混凝土在開裂和產生拉伸應力特性時的齡期確定標準實驗方法” 允許材料對開裂的敏感性變化，它對于確定材料早期開裂和選擇不易開裂的混合材料來補救很實用。這個方法包括了從試樣成型開始影響收縮開裂的大量因素。但規范制定者們卻好像對這個對于修補材料很有必要的試驗沒有意識到（或選擇忽略）。

同樣令人關注的是，低水膠比（w/cm）會減少收縮，這種說法是錯誤的。實際上，對于給定的一組成分，對混合物的收縮和裂縫潛能影響最大的是它的總膠凝材料含量。

水泥漿體的基本作用是膠結、填充和增加后期強度，然而，它也是混凝土收縮的來源。由于缺少骨料的約束，水泥凈漿的收縮是含有相同漿體的混凝土的4～5倍。因此，減少漿體量能夠最有效地減少收縮及開裂，從而增加耐久性。

然而，我們找到許多要求水膠比約為0.3的高性能混凝土的規范。這些混合物要求加入減水劑，但這些外加劑能夠有效提高低水膠比混合物的工作性能，卻不能減少收縮的總量。有些時候，確實還會產生相反效果。ASTM C494“混凝土化學外加劑的標準規范”允許測試加外加劑的試樣比測試控制不加外加劑的試樣多35%的收縮。但看起來，修補規范的制定者對此不知道。材料尤其對于修補材料低裂紋趨勢的一些性能和因素列于表1。

表1 材料性能和修補開裂項目的相關影響

材料強度

我們對規范的研究顯示，一個普遍的錯誤觀念是，高強修補材料是有益的。我們還沒有讀到一個單獨關于制定允許硬化修補材料抗壓強度限值的規范。當然，一個強度越大硬化越快的膠凝材料更容易開裂，因為較高的彈性模量增加了由干燥收縮而產生的拉伸應力以及其它受限體積變化。這種強度不兼容性同樣對受荷載的修補系統起到消極的作用。

工程材料的一個主要缺點不是缺少強度或硬化慢，而是缺少抵御裂縫的引發和擴展。

同樣，對高強、早強修補材料不必要的規范也能引起許多問題。對于普通的修補，這種材料有高收縮和開裂的可能性較大。尺寸穩定而非較高的早期強度是能夠達到長期耐久性的條件。強度增長率，除了硬化的整體程度，對孔隙結構、微細和大裂縫，以及膠凝材料的傳輸（滲透）性能有顯著影響。

一般速度的強度增長（3天——達到最終強度的50%，7天——70%，28天——100%），水化產物具有充足的時間在水泥漿體中擴散并均勻沉淀。強度增長率快，水化速度超過了擴散過程，導致水化產物在水泥顆粒附近保持靜止，留下的間隙相對開放。這些相對密集的水化產物的沉積物將水泥包住，有時密封了水泥顆粒，阻礙了水和水化產物的擴散，從而阻礙了進一步的水化，與水化速度正常的材料相比，產生更多的開放孔隙結構。

總之，對于混凝土和其它膠凝材料，尤其那些暴露在嚴酷的環境中的膠凝材料，強度的增長率是影響耐久性的關鍵。強度增長慢的材料（如那些含有粉煤灰或礦渣水泥的材料）可能在這些條件下表現地更為出色。

應該規范和應用具有可接受的、最小的早強性能的修補材料。如果實際可行，應該規范一段時期內的抗壓強度而不是28天抗壓強度。這種規范的抗壓強度不應該超過必要的荷載目標。實際上，現場28天抗壓強度應該保持在與規范強度相似的水平。

腐蝕保護

在修補過的混凝土結構中有一個主要的問題是對鋼筋的繼續甚至加速腐蝕。在修補一個遭受鋼筋腐蝕和混凝土破壞的現有混凝土結構時，含有氯離子的混凝土常被遺留。在這種情況下，常常會繼續甚至加快腐蝕，因為被修補部位與周圍的混凝土相比，具有不同的水氣、氧氣和氯離子含量。可能形成更強的腐蝕，從而導致修補部位的剝落，或者更常見的是修補周圍混凝土的剝落。關于混凝土修補失效的整體模型見圖3。

目前，我們已經看到大量聲稱可以防止或能夠顯著減緩進一步腐蝕和破壞的產品和系列的發展、市場和規范。

由于經濟結果而提出的不按規定執行的保護措施（甚至可以起到反作用），必須對這些排除在外的保護系統正確的操作進行評估和記錄在合理范圍內。我們需要相信，在修補時，防腐蝕劑能夠提供保護。然而，若沒有進行區域評估，我們怎么會知道防腐蝕劑不會擴散或從需要它們的部位流失？

水分和溫度梯度都會對修補系統中的水和其它物質的傳輸起決定作用，因此，防銹劑很可能由于水分和溫度梯度的影響，而超越修補區域向外擴展，從而減少了必要的濃度。同樣，氯化物也很可能從原有受污染的混凝土遷移到被修補部位。當結構暴露，這些影響會加大，當結構被置于干濕環境中，修補材料和原有混凝土之間的物質傳輸將最為顯著。

總之，將防腐劑加入修補材料中，總體的影響因素是什么呢？當氯化物和碳化物已經分布很廣時，修補材料本身的性質已不能解決整個結構的腐蝕問題。含有防腐劑的修補材料可以成為一個潔凈的（沒有腐蝕的）鈍化區域，但它會刺激周圍混凝土的腐蝕——產生環形效應，導致附近修補區域的混凝土腐蝕、早早開裂和剝落。說到底，希望在修補材料中外加防腐劑來獲益，這種想法是否正確呢？

修補材料

對一個所給工程規范修補材料是一項令人頭痛的任務，需同時考慮市場上可得材料的數量，以及廠家基于不同材料性能和測試方法，所提供的產品說明書對各材料的描述。工程師一方面會很受限制，另一方面有時會對某一特殊修補工程的材料的基本選擇和性能規格產生誤解。通常，說明書只提供某一特殊材料有利的性能指標。同樣，檢測材料性能以及改變的試驗方法常常記錄不全。

產品說明書中所給的性能信息是不可信的，那么也不能作為規范，和在其他充分條件下，保證修補耐久的材料選擇的可信基礎。由于產品說明書的這種混亂，常常不能規范和使用合適的材料，導致早期修補失效。

行業迫切需要對水泥基修補材料報告性能和描述的標準化協議，ACI發布了“水泥基修補材料數據表指南（ACI364.3R-09）”。這個指南要求提供標準化、邏輯化和相容格式的材料信息，以便于修補材料能夠被規范和選擇。

協議定義材料的重要性能和如何測試這些性能。不同于規范，操作標準不會被列出，但留給規范制定者基于基體混凝土的性能、所應用的約束條件和安裝的環境去選擇，以實現協調性。關于許多類型混凝土修補材料的相關性、解釋和推薦限值最近已經在ACI546.3R-06發布。

將指南應用于實踐的過程無疑是對設計規范質量和修補工程質量的提高，它決定了混凝土結構的可持續性。但將指南付于實踐有個嚴重的問題——材料生產廠家需要重新檢測市場上的材料，并制出新的數據表，這是個高成本的任務。生產廠家不會去做這些費時費錢的工作，除非工程規范根據這個ACI文件列明相關要求和條款。因此，工程師或規范制定者有責任去建議ACI364.3R-09提出這樣的條款。

經濟意義

制定一個混凝土修補規范是一件復雜的工程任務，它要求制定者具備科學、工程、業內實踐的廣泛知識，以及較高的責任感。我們批評的目的在于幫助這個行業能更有效和更經濟的使用資源。

設計和規范混凝土修補有特別的要求。實際上，一些新混凝土需要的材料和性能要求，不利于耐久性混凝土修補材料的生產。列表絕非完整，但可能有助于說明一些能夠通過合理認識和重視所涉及的問題而解決的問題。一些要點和建議已在大量的修復工程中嘗試過，并被證明是可行和有效的。

考慮到破壞混凝土結構的體積和修復資源的缺乏，更可靠地制定混凝土修補實踐的每個方法，包括工程規范，將會獲得巨大的技術和經濟意義。（譯者：建筑材料工業技術情報研究所，寧夏，王冬）