CCCW應用于高溫灼燒后混凝土加固修復研究

尚曉華+邵凱華

摘要：針對高溫灼燒對混凝土造成的嚴重損害以及加固后出現的一系列問題進行了研究，闡述了高溫對混凝土性能的影響，同時探討了水泥基滲透結晶型防水材料（CCCW）應用于高溫灼燒后混凝土加固修復的理論基礎。結果表明：高溫灼燒后混凝土性能發生顯著變化，從理論上水泥基滲透結晶型防水材料能夠改善高溫灼燒后混凝土的性能，起到加固修復效果。

關鍵詞：高溫灼燒；鋼筋混凝土；滲透結晶；加固修復

中圖分類號：TU37

文獻標識碼：A 文章編號：16749944（2017）22011004

1 引言

目前，混凝土結構仍然是世界上使用最多的建筑結構形式，雖然混凝土為熱惰性材料，并具有較好的耐火性和耐熱性，但是在經受高溫灼燒時，同樣也會造成材料性能的嚴重裂化，使得結構承載能力下降、變形增大等，從而威脅居者的生命安全。就現階段我國的經濟現狀來看，對于經受火災的建筑，尤其是超高層、大型建筑，如果推倒重新設計的話，將會浪費大量的人力、物力，因此高溫灼燒后混凝土的加固修復顯得尤為重要，然而現階段的加固方法，如纖維增強復合材料加固法等，實踐證明這些加固方法在短期內有效，但是在混凝土加固后繼續服役的過程中，仍可能受到荷載、環境侵蝕等因素的影響，使得加固后的結構構件面臨著各種問題的挑戰，其結構性能也必然會隨著時間退化，從而使得結構構件面臨著再次加固的可能。水泥基滲透結晶型防水材料（CCCW）是一種防水材料，其中的活性化學物質能夠以水為載體滲透進混凝土內部反應生成不溶性結晶體，填充在裂縫當中，以起到密實混凝土的作用，改善混凝土的性能。筆者綜述了高溫對混凝土性能的影響，同時探討CCCW應用于高溫灼燒后混凝土加固修復方面的理論基礎。只有充分了解高溫對混凝土造成的損傷以及CCCW的性能，才能更好的服務于實際工程。

2 高溫對混凝土性能的影響

高溫是造成混凝土材料損傷的重要因素之一，俞秋佳認為高溫造成混凝土損傷的原因有兩類：一類是應力損傷，高溫作用會使混凝土內部出現應力，從而使得混凝土內部出現裂縫；另一類是化學損傷，當溫度達到一定程度時，混凝土內部各組分會發生變化，從而使得混凝土結構趨于疏松。在宏觀上表現為強度、剛度以及耐久性的降低。混凝土經常遭受火災而導致其表面的溫度短時間內迅速升高，對混凝土造成的損傷不容忽視。

2.1 高溫對混凝土的力學性能的影響

結構設計的一項重要指標是混凝土的抗壓強度，同時混凝土的其他強度指標與混凝土抗壓強度有一定的相關性。

2.1.1 高溫作用下混凝土強度的變化

眾多的試驗研究以及火災情況調查顯示，在高溫作用下，混凝土的強度下降是不可避免的，其衰減情況與眾多因素有關。

趙現省提到混凝土強度等級、冷卻方式、骨料類別、配合比等均對混凝土強度造成影響，為探討高溫對混凝土強度的影響程度，趙現省等[2]在限定上述因素均相同的情況下，設計試驗對混凝土的抗壓強度、抗剪強度、劈裂抗拉等進行探討，試驗結果表明：混凝土的各項強度指標均隨著溫度的升高而降低，但下降幅度略有不同，其中混凝土的抗剪強度下降最為緩慢，而混凝土的劈裂強度下降最為劇烈。其中值得注意的是，混凝土的抗壓強度在從室溫升至300 ℃時基本保持不變，甚至有一定的增長，但當溫度超過400 ℃時，抗壓強度急劇下降。很多試驗結果證實了這一方面，時旭東也通過試驗研究得出在溫度不超過300 ℃時，混凝土的抗壓強度在常溫抗壓強度上下波動，當溫度超過300 ℃時，混凝土的抗壓強度接近呈線性下降趨勢，當溫度達到900 ℃時，混凝土的抗壓強度不足常溫抗壓強度的10%。王孔藩對此做出了解釋：出現這一現象的主要原因是混凝土的拮抗作用所致，在混凝土結構中，在高溫作用下，混凝土內部一般會形成水蒸汽蒸壓，在蒸壓作用下，水泥水化反應被加速，這就導致了在300 ℃左右時，混凝土抗壓強度出現反彈的情況，此時水泥水化的強度要高于高溫對混凝土造成的損傷，但隨著溫度的繼續升高，混凝土抗壓強度降低是由于剩余未水化水泥熟料數目的降低以及高溫對混凝土結構造成的損傷所致。當溫度超過700 ℃時，將會出現爆裂現象，這一現象的發生是由于混凝土當中水蒸氣在遷移過程中受阻產生的。

2.1.2 冷卻后混凝土強度的變化

在實際火災事故調查中，建筑物一般是在火災發生一段時間后倒塌，從而威脅居住者的生命財產安全，因此探討火災作用后混凝土的性能以及最佳修復期顯得尤為重要。

王孔藩通過設置自然冷卻與噴水冷卻兩種冷卻方式，對高溫冷卻后的混凝土抗壓性能進行試驗研究，其試驗結果抗壓強度折減系數如表1所示，為保守起見，混凝土抗壓強度出現反彈時折減系數記為1.00。從表中可以看出溫度低于200 ℃時，混凝土抗壓強度基本保持不變，其后隨溫度的升高，混凝土抗壓強度逐漸降低，并且噴水冷卻混凝土抗壓強度急劇下降，高溫下混凝土抗壓強度下降較為緩和，自然冷卻情況下混凝土抗壓強度下降介于兩者之間，這一現象是由于混凝土在冷卻過程中，內外溫差導致混凝土內部出現大量收縮裂縫所致，而噴水冷卻加劇了這一現象。安然也通過試驗研究得出高溫冷卻后，噴水冷卻情況下混凝土抗壓強度要低于自然冷卻情況下混凝土抗壓強度。但是賈福萍等試驗結果顯示，在經過250 ℃高溫后，噴水冷卻混凝土抗壓強度低于自然冷卻混凝土抗壓強度，但當溫度升高到450 ℃以及650 ℃時，自然冷卻混凝土抗壓強度卻低于噴水冷卻混凝土抗壓強度這一反常現象，對于這一現象出現的原因還有待于進一步的試驗研究探討。

同時賈福萍在試驗過程中還發現，當經受850 ℃高溫時，混凝土試塊外觀形狀較為完整，但是在外界環境中放置一段時間后，試件出現較為嚴重的坍塌現象，這一方面對火災以及高溫后建筑物的承載能力的評估具有一定的指導意義。因此可以推斷出經受高溫后混凝土抗壓強度存在一定程度的滯后效應，應該在混凝土抗壓強度衰減期結束之后進行相應的檢測鑒定，或者在衰減期內進行評估時，應對混凝土殘余抗壓強度進行折減。

2.2 高溫對混凝土耐久性的影響

火災對人民的生命財產問題造成極大的威脅，不僅僅是火災后結構的承載能力能否滿足正常使用的要求，同時火災給混凝土結構長久性能帶來的問題（即耐久性問題）也不容忽視。火災后混凝土的耐久性問題是多方面的，需要進行綜合分析，確定主導因素做到有的放矢，才能最大程度上減少災后混凝土耐久性造成的問題。

由于建筑物中存在著PVC材料，因此在高溫分解的情況下，火災煙霧中存在著大量的氯離子成分，從而對混凝土耐久性問題造成嚴重影響。一般情況下，PVC材料在200～300 ℃高溫下會迅速分解產生HCl氣體。張奕通過試驗研究發現，HCl氣體在較高溫度下極易與混凝土結合，導致在火災后混凝土構件表層區域有大量的氯離子存在，當這部分氯離子滲透到鋼筋表面的時候，會加速鋼筋的銹蝕，嚴重影響混凝土結構的耐久性。

火災過程中，引起混凝土的中性化區域與混凝土碳化區域有著較為相似的化學性質，但是發生的機理卻有所區別。高溫引起的混凝土中性化問題主要是由于混凝土中的高堿性膠凝材料在400 ℃時發生分解，在溫度達到500 ℃時基本分解完全，從而導致混凝土堿性降低，同時火災過程中產生的各種酸性氣體也能導致混凝土堿性降低。對于高溫導致混凝土中性化的區域，一般采用酚酞試劑，但由于受到受火位置、受火時間以及受火面積等各種因素的影響，因此這種確定方法具有很大的離散性。為了準確評估高溫導致混凝土結構的損傷程度，張奕采用溫度場分布推求高溫引起混凝土中性化的深度，具有很好的借鑒意義。

由于我國火災對混凝土結構耐久性理論研究還不夠成熟，對災后混凝土結構耐久性問題鑒定標準也不是很完善，導致對火災后混凝土結構的鑒定工作忽略了混凝土耐久性方面的鑒定，使火災后混凝土結構的損傷評估缺乏準確性和系統性，使得不少火災后建筑結構的加固修復后若干年內出現嚴重的耐久性問題。由此可見，高溫灼燒后，混凝土的承載能力以及耐久性能均降低，因此對于高溫灼燒后混凝土的加固修復顯得尤為重要。

3 水泥基滲透結晶型防水材料

3.1 滲透結晶作用機理

對于水泥基滲透結晶型防水材料的滲透結晶作用機理，目前比較認可的有兩種：沉淀反應機理和絡合沉淀反應機理。

3.1.1 沉淀反應機理

在涂刷初期，水泥基滲透結晶型防水材料中的活性化學物質以水為載體，滲透到混凝土內部，與其中的氫氧化鈣等物質反應，生成不溶于水的結晶物質，填充在混凝土內部裂縫與孔隙當中，密實混凝土，同時活性化學物質能夠與鋼筋表面的氧化物質反應，生成一層鈍化膜，起到保護鋼筋的作用，從而改善鋼筋混凝土的整體性能。由于水在此反應過程中既起到溶劑載體的作用，又起到反應物質的作用，因此當混凝土處于干燥狀態時，其中的活性化學物質會以固體形式存在，也即“休眠”狀態。當混凝土再次受到外界作用，產生結構性裂縫時，水會再次侵入混凝土，而其中的活性化學物會再次被激活參與反應生成結晶物質，密實混凝土。

3.1.2 絡合沉淀反應機理

水泥基滲透結晶型防水材料中的活性化學物質在隨水向混凝土內部滲透的過程中，在氫氧化鈣等物質的高濃度區，會與其中電離出的鈣離子絡合，生成不穩定的、溶于水的絡合物，絡合物在隨水繼續滲透的過程中，當遇到活性更高的未水化水泥或水泥凝膠體時，活性物質會被硅酸根離子取代，生成不溶于水的結晶體，填充在混凝土內部，而活性化學物質會隨水繼續滲透，循環反應。當混凝土處于干燥狀態時，其中的活性化學物質處于“休眠”狀態，當有水侵入時，活性化學物質會被再次激活參與到反應當中。

3.2 水泥基滲透結晶材料對混凝土耐久性的研究現狀

影響混凝土結構耐久性的因素有很多，其中主要因素有氯離子侵蝕、碳化反應等。

3.2.1 碳化反應

在通常情況下，空氣中的二氧化碳氣體會不斷的與混凝土內部的氫氧化鈣發生發應，從而破壞混凝土的堿性環境。同時，碳化還會引起混凝土的收縮，使得混凝土產生裂縫，進而影響混凝土的性能。

雷曉東等[10]通過碳化試驗研究，探討水泥基滲透結晶型防水材料對新舊混凝土抗碳化能力的影響，試驗結果表明：在試驗初期，舊混凝土構件的碳化深度要高于新澆筑混凝土的碳化深度（這可能是由于舊混凝土構件在服役階段，已經產生一定的碳化深度），但隨著時間的推移，舊混凝土與新混凝土的碳化速度基本一致。韓雪瑩等通過碳化試驗研究，結果表明水泥基滲透結晶型防水材料能夠明顯提高混凝土的抗碳化能力，但當混凝土強度等級超過C40以后，效果不是很明顯；此外，在適當延長養護齡期的情況下，可以降低混凝土的碳化速度，增強滲透結晶效果。

3.2.2 氯離子侵蝕

在沿海地區，其中的鹽溶液（氯化物）會滲透到混凝土當中，侵蝕鋼筋，而其中的酸根離子會破壞混凝土的堿性環境。

劉蔚等通過試驗研究，將涂布與未涂布XYPEX的構件浸泡在NaCl溶液中，結果表明水泥基滲透結晶型防水材料能夠顯著提高混凝土表層的密實性，提高抵抗氯離子侵蝕的能力。根據澳大利亞建筑研究中心建筑環境部的研究成果，在3個月的氯化物閉水環境中，構件在未加入水泥基滲透結晶型防水材料試件的有效氯離子擴散系數比加入水泥基滲透結晶型防水材料試件的有效氯離子擴散系數多出好幾倍。

綜上所述，水泥基滲透結晶型防水材料能夠通過滲透結晶作用增強混凝土的密實性，改善混凝土的耐久性能。

4 CCCW應用于高溫灼燒后混凝土加固修復效果的探討

從以上的綜述以及討論可知，水泥基滲透結晶型防水材料中的活性化學物質以水為載體，滲透到混凝土內部，與其中的氫氧化鈣等物質發生結晶反應，這其實是滲透與結晶的兩個過程，結晶物質在混凝土裂縫當中逐漸積累，使得混凝土沿縱深方向形成一個致密的區域，提高混凝土的強度以及耐久性，從而改善混凝土的性能。而水泥基滲透結晶型防水材料中活性化學物質以及滲透結晶的深度不僅僅與材料本身有關，同時還取決于混凝土基層特性，應用在不同混凝土基層上的滲透結晶深度是不同的，水泥基滲透結晶型防水材料要想更好地發揮滲透結晶作用，混凝土基層必備三個條件：①混凝土中有足夠的裂縫或者連通的毛細孔。沒有足夠的毛細孔或裂縫的存在，水泥基滲透結晶型防水材料不能滲透，就更談不上其滲透結晶密實混凝土的作用；②水的存在。水不僅是水泥基滲透結晶型防水材料中的活性化學物質進入混凝土內部的載體，同時也是參與反應的物質，因此水的作用是不容忽視的；③游離的氫氧化鈣等物質的量。

從高溫灼燒混凝土自身情況來看：①高溫灼燒對混凝土的影響主要表現為應力損失導致的混凝土裂縫以及物理化學變化導致的混凝土內部結構的疏松，從而使得混凝土有足夠的裂縫及連通的毛細孔，水泥基滲透結晶型防水材料能夠很好地滲透進入混凝土內部進行結晶；②滲透壓力。由于高溫使得混凝土內部比較干燥，因此在涂抹之前先將基層表面充分濕潤，水泥基滲透結晶型防水材料中的活性化學物質在涂抹初期可以通過滲水進入混凝土內部。隨著涂抹時間的增長，混凝土趨于飽和狀態時，滲透壓力逐漸轉變為化學梯度（由濃度差產生），由于混凝土內部存在的活性物質濃度相對較低并且在移動過程中逐漸反應減少，導致混凝土表層濃度要遠大于內部濃度，只要濃度差產生的化學驅動力大于水壓力，活性化學物質就會源源不斷地以水為載體滲透到混凝土內部。

高溫對混凝土造成的損傷，有利于水泥基滲透結晶型防水材料滲透結晶作用的發揮，理論上該材料是一種修復高溫灼燒混凝土的理想材料。

5 結語

高溫灼燒對混凝土結構的強度產生嚴重的影響，同時隨著時間的推移，對混凝土耐久性方面的不利影響也逐漸凸顯出來，因此對高溫灼燒后的混凝土結構的加固，不能僅僅局限于混凝土結構強度方面，同時要考慮到混凝土結構耐久性方面。而傳統加固方法僅僅局限于混凝土結構強度方面，對混凝土結構的耐久性方面貢獻較小甚至沒有貢獻。而水泥基滲透結晶型防水材料，從作用機理來看，不僅僅能夠提高混凝土結構的強度，同時能夠通過長期作用，改善混凝土的密實性，從而從長久方面改善混凝土結構各方面的性能。但是對水泥基滲透結晶型防水材料在實際工程中應用于高溫灼燒混凝土的加固修復還存在著許多疑問，今后的研究者應從以下幾個方面進行改進。

（1） 從現有的研究成果來看，對水泥基滲透結晶型防水材料的研究多集中于抗滲方面的研究，對其改善混凝土結構力學性能方面的研究相對較少，同時對水泥基滲透結晶型防水材料的研究缺乏系統性以及深入的試驗研究。因此應盡快建立系統的試驗方法，探討水泥基滲透結晶型防水材料對混凝土結構的綜合性能的影響。

（2） 目前水泥基滲透結晶型防水材料改善高溫灼燒混凝土性能的試驗探討相對較少，因此能否在實際工程中應用于混凝土加固修復不得而知，但從理論方面來看，水泥基滲透結晶型防水材料是改善高溫灼燒混凝土的一種理想材料。因此應進行相關方面的試驗研究，探討水泥基滲透結晶型防水材料能否應用于改善高溫灼燒混凝土結構方面。

（3） 尺寸效應的影響。目前對水泥基滲透結晶型防水材料性能方面的研究，多集中于小構件，與實際工程用到的實際構件尺寸相差較大，導致即使在試驗當中效果明顯，但是在實際工程中能否應用不得而知。因此應進行實際工程尺寸構件的試驗探討或者建立試驗數據與實際工程方面的相關性顯得尤為重要。

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Abstract： Aiming at the serious damage of concrete caused by high-temperature burning and the series of problems that occur after the reinforcement， the effects of high temperature on the properties of concrete are summarized.At the same time，it also discussed that the cement-based permeable crystallization materials were used to repair concrete performance of high temperature in the theoretical basis. The results showed that concrete properties changed significantly after hightemperature burning.Theoretically， cementitious capillary crystallinewaterproofing materials can improve the performance of concrete after high temperature burning， which can reinforce and repair the concrete.

Key words： high temperature burning；reinforced concrete； capillary crystalline； reinforcement and repair