混凝土和樹脂結(jié)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(jù)DIN 1045標準進行設計，該標準保證了建筑物在不需要大規(guī)模維修的前提下，也不會影響其50年使用壽命。根據(jù)DIN 1045標準，建筑物表面防護系統(tǒng)（雖然混凝土為表面防護系統(tǒng)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(xiàn)50年使用壽命。因此，表面防護系統(tǒng)通常需要定期更新，由于經(jīng)濟上的原因，往往做不到這一點。大多數(shù)情況下，還是可以找到符合規(guī)范的表面防護替代系統(tǒng)，且替代系統(tǒng)的成本更低。利用混凝土和樹脂相結(jié)合的防護功能，為建筑物修補問題提供更簡單、更經(jīng)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(jīng)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(tài)下，經(jīng)常受到凍融侵蝕（XF4暴露條件：高度飽水狀態(tài)，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(huán)要求，橋面人行道則需根據(jù)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(qū)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(huán)也常常會對人行道混凝土造成損傷。圖1是凍融循環(huán)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(qū)域。圖2是對不同損傷區(qū)域鉆芯取樣的CDF測試結(jié)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(qū)段之間的損傷差異明顯。損傷較輕的區(qū)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(qū)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(jié)果

圖4 混凝土核心處采用CDF方法測試的結(jié)果

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

顯然，在壓實，沉降，后期處理等工序中，實際施工參數(shù)可以導致混凝土外表面組織結(jié)構發(fā)生改變。相對于混凝土技術參數(shù)（例如，水灰比W/C）來說，這樣的實際施工參數(shù)對混凝土的抗凍融循環(huán)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(jīng)濟條件，常用的技術解決方案或表面保護系統(tǒng)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(tǒng)的損傷

樹脂和混凝土相結(jié)合，利用低粘度環(huán)氧樹脂的擴散功能，使混凝土表面邊緣區(qū)的耐久性能進一步得到提高。從上述所提到的涂有環(huán)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(huán)測試 （試驗面積=混凝土表面）,結(jié)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(huán)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(huán)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(huán)氧樹脂14次凍融循環(huán)后的試樣 （上），涂有環(huán)氧樹脂的試樣（中），涂有環(huán)氧樹脂增加56次凍融循環(huán)的試樣（下）

圖7為涂有環(huán)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(huán)氧樹脂的試件測得的剝落量作對比。當涂有環(huán)氧樹脂的混凝土繼續(xù)增加56次凍融循環(huán)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(jié)合的混凝土規(guī)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(guī)范。一方面，他們不僅僅在經(jīng)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(huán)氧樹脂滲透的區(qū)域，由于隔離或處理不當，會造成混凝土多孔。只有實現(xiàn)細孔收縮，才能有效地加固這一區(qū)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(chuàng)造有利條件。通過此種方式可以確保在環(huán)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(huán)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(jié)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(nèi)部。因此，除了頂棚處，柱腳區(qū)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(jīng)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(jié)果所示，也沒有出現(xiàn)明顯的鋼筋銹蝕現(xiàn)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(qū)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(qū)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(yè)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(qū)

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(xiàn)成本節(jié)約，可使用成本較低的環(huán)氧樹脂涂層，降低建筑物內(nèi)部的濕度，延緩腐蝕進程和降低氯離子進一步侵蝕。環(huán)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(qū)別。圖13和14為環(huán)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(jīng)濟等多方面因素對不同防護系統(tǒng)的效果進行綜合評估。所有指定的系統(tǒng)中，在滿足技術上可行性的前提下，選擇成本最低的系統(tǒng)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(jié)約空間。

4 鏟運車道的修補

在飽水狀態(tài)下，鏟運車道需具備優(yōu)異的抗凍融循環(huán)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(xù)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(shù)不同，混凝土和表面防護系統(tǒng)應變不一致，導致部分防護系統(tǒng)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(xiàn)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(jié)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(huán)。

圖17 樹脂鋼纖維混凝土的凍融循環(huán)次數(shù)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(jié)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(guī)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(cè)面涂抹透水的環(huán)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(qū)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(jié)合，鋼筋的間距規(guī)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(jié)合使用，有可能實現(xiàn)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(chǎn)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(jié)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(jié)合，利用技術和經(jīng)濟優(yōu)勢來提高建筑物的耐久性。利用低粘度環(huán)氧樹脂滲入混凝土基層，使環(huán)氧樹脂和混凝土緊密結(jié)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(huán)能力和使用壽命。這種表面防護系統(tǒng)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(chǎn)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(guī)范。