混凝土表層病害噴射修補(bǔ)技術(shù)及應(yīng)用

馬智法，郭洪娟，黃如卉

（1.中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061；2吉林精誠工程檢測有限公司，吉林長春130062）

1 混凝土建筑物表面破壞特征

目前在水工、港工、公路、交通、地下工程及火力發(fā)電廠冷卻塔等工程中，由于受到凍融、碳化、化學(xué)腐蝕、空蝕等多種因素的破壞作用，建筑物表層混凝土破壞剝落，鋼筋外露銹蝕，嚴(yán)重影響建筑物的外觀和安全運(yùn)行。主要破壞形式有表面沖刷、凍融、剝落、局部開裂等。在實(shí)際工程中，混凝土表層病害常具有：面積大、部位高、修補(bǔ)操作空間小等特點(diǎn)。使得混凝土表層冰害修補(bǔ)施工難度大、施工成本高，施工質(zhì)量難以保證。

2 混凝土表層病害噴射修補(bǔ)技術(shù)

2.1 技術(shù)機(jī)理

混凝土表層病害噴射修補(bǔ)新技術(shù)，采用先進(jìn)的修補(bǔ)加固材料（高性能微縮低膠骨比砂漿）及先進(jìn)的施工工藝，能夠有效解決上述表面病害各項(xiàng)問題。高性能微縮低膠骨比砂漿干縮變形小、粘結(jié)強(qiáng)度高、抗裂性能好、抗凍融、抗?jié)B、抗腐蝕、耐久性優(yōu)良。在噴射修補(bǔ)工藝中，“水泥裹砂法”的應(yīng)用使骨料產(chǎn)生早期‘造殼’效應(yīng)，通過與SK水溶液二次混合形成SEC砂漿，然后進(jìn)行混凝土噴射施工。與干噴混凝土相比，該方法具有回彈率小、粉塵含量低、工效高、混凝土強(qiáng)度高、表面平整、均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，可以節(jié)約大量水泥，還可改善工作環(huán)境，對工人的勞動(dòng)保護(hù)起到良好的作用。

2.2 材料性能

噴射普通砂漿混凝土修補(bǔ)雖然可以保證強(qiáng)度，但抗?jié)B、抗凍性卻不能保證，且噴射砂漿的線脹系數(shù)較大，不能保證薄層大面積破損混凝土修復(fù)所要求的修補(bǔ)材料與新老材料之間具有良好的粘接性和變形協(xié)調(diào)性。噴射摻入T劑的砂漿雖然可以滿足強(qiáng)度、抗?jié)B、抗凍性能要求，但T劑砂漿的干縮率較大，容易產(chǎn)生干縮裂縫，這一點(diǎn)從下表的T劑混凝土的干縮率即可得到證實(shí)。

為了減少T劑砂漿的干縮性，使其線脹系數(shù)與老混凝土基本一致，在以往的研究成果上對T劑砂漿進(jìn)行了改性研究，在T劑砂漿中摻入SK引氣減水劑（摻入該劑后能使砂漿的抗凍、抗?jié)B效果得到進(jìn)一步加強(qiáng)，實(shí)測抗?jié)B標(biāo)號S13，抗凍標(biāo)號大于D300）、和減縮劑（摻入該劑后，砂漿14 d限制膨脹率大于0.02%），得到了一種適用于薄層大面積破損混凝土修補(bǔ)加固的全新材料——高強(qiáng)無收縮低膠骨比砂漿，該砂漿既具有T劑砂漿高強(qiáng)、耐凍融、抗?jié)B性好的特點(diǎn)，又解決了T劑砂漿硬化期干縮性大的問題，使新、老材料的性能更為協(xié)調(diào)。

2.3 施工技術(shù)工藝流程

混凝土表層病害修補(bǔ)技術(shù)的工程實(shí)施，應(yīng)按如下程序開展工作：①工程現(xiàn)場測試?yán)匣炷列阅芊治?；②修補(bǔ)方案制定；③確定新混凝土性能指標(biāo)；④原材料比例選擇骨料造殼；⑤現(xiàn)場噴射混凝土拌合物制備；⑥混凝土噴射施工。

在施工過程中，SK劑水溶液與完成“造殼拌和”的混合料在噴頭處再度混合，進(jìn)行二次混合攪拌后，經(jīng)高壓風(fēng)送至受噴面，采取層層疊壓的方式噴至設(shè)計(jì)規(guī)定厚度。從而提高骨料與膠凝材料的界面粘結(jié)強(qiáng)度和混凝土的密實(shí)性。具體實(shí)際施工時(shí)，其施工工序?yàn)椋鹤鳂I(yè)面表面處理→拌合物制備→噴射施工。

表1 混凝土表層病害修補(bǔ)混凝土性能

3 工程應(yīng)用案例

3.1 工程概述及病害成因分析

某電廠運(yùn)行至今已有25年的歷史。冷卻塔采用自然通風(fēng)式雙曲線鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)?；炷猎O(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度標(biāo)號300號，抗?jié)B標(biāo)號W8。受力鋼筋采用8R28Mn鋼，箍筋和構(gòu)造筋為A3鋼，設(shè)計(jì)保護(hù)層厚度30 mm?，F(xiàn)場查明冷卻塔的人字柱均有不同程度的破壞，主要表現(xiàn)在部分人字柱箍筋外露和少部分人字柱兼有順筋裂縫。根據(jù)人字柱的破壞特征和運(yùn)行環(huán)境綜合分析，初步認(rèn)為破壞主要有以下原因：

1）施工質(zhì)量存在缺陷，施工時(shí)混凝土澆搗不密實(shí)，保護(hù)層未達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，已外露的箍筋保護(hù)層多數(shù)小于10 mm。

2）受冷卻淋水的影響，人字柱周圍環(huán)境濕度比較大，冬季表面混凝土形成霜凍，溫度變化時(shí)易遭受凍融破壞。

3）經(jīng)煙囪排放的氣體未進(jìn)行脫硫處理含有SO2，SO2在空氣中進(jìn)一步氧化成SO3，對混凝土形成化學(xué)侵蝕，與混凝土中的Ca（OH）2反應(yīng)生成CaSO4，產(chǎn)生體積膨脹，而CaSO4與混凝土中的C3A，反應(yīng)生成硫鋁酸鈣，產(chǎn)生第二次體積膨脹，膨脹應(yīng)力使混凝土脹裂、變酥。

4）煙囪排放的氣體使周圍空氣中的CO2濃度增加，長期處在高濃度的CO2侵蝕，人字柱混凝土產(chǎn)生碳化?，F(xiàn)場采用表面鑿孔噴灑酚酞酒精液，觀察不變顏色深度約在15 mm，說明碳化深度超過了已外露鋼筋的混凝土保護(hù)層深度。

3.2 施工方案的選擇與論證

針對混凝土的破壞情況及成因，采用混凝土表面噴射修補(bǔ)技術(shù)比較適宜，即在混凝土表面做一層混凝土防護(hù)層，防止人字柱混凝土及外露鋼筋進(jìn)一步破壞。而結(jié)構(gòu)物的薄層修補(bǔ)具有一定的技術(shù)難度，主要存在結(jié)合面強(qiáng)度、修補(bǔ)層收縮、修補(bǔ)層的耐久性和修補(bǔ)后外觀問題。這些問題解決不好將導(dǎo)致修補(bǔ)的失敗。

1）結(jié)合面強(qiáng)度問題。表面加一層防護(hù)層需要解決的問題是防護(hù)層與混凝土的整體工作共同受力結(jié)合面強(qiáng)度問題。增加的防護(hù)層與人字柱在受力的過程中，結(jié)合面會(huì)出現(xiàn)拉、壓、彎、剪等各種復(fù)雜應(yīng)力，其中關(guān)鍵的是剪力和拉力。結(jié)合面的剪應(yīng)力和法向拉應(yīng)力主要靠結(jié)合面兩邊的新舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度承擔(dān)，由于結(jié)合面的粘結(jié)抗剪強(qiáng)度及法向粘結(jié)抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混凝土本身強(qiáng)度，因此，結(jié)合面是修補(bǔ)加固結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，破壞總是首先發(fā)生在結(jié)合面。

采用噴射砂漿施工工藝，施工質(zhì)量容易得到保證，特別適合薄層修補(bǔ)加固。與澆注和人工抹混凝土方法相比，噴射混凝土早期強(qiáng)度高，常溫下一天的抗壓強(qiáng)度可達(dá)6.0～15.0 MPa，與舊混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度高，摻入硅粉后，其粘結(jié)抗拉強(qiáng)度可達(dá)1.5～2.5 MPa，接近混凝土自身強(qiáng)度，比普通工藝修補(bǔ)加固的混凝土粘結(jié)強(qiáng)度高2～4倍。

2）耐久性問題。修補(bǔ)層的耐久性問題決定修補(bǔ)后的使用年限。有關(guān)試驗(yàn)表明摻入硅粉的混凝土可提高混凝土的抗?jié)B抗凍性、抗化學(xué)侵蝕性。試驗(yàn)人員測定了兩種混凝土水的滲透系數(shù)：一種是含300 kg/m膠凝材料的非硅粉混凝土，另一種是硅粉的混凝土，非硅粉的混凝土是3×10-11m/s，而硅粉混凝土是6×10-14m/s。在摻入硅粉的混凝土中，由于硅粉的填充和火山灰作用，使混凝土中的孔隙溶液凈化，提高小毛細(xì)孔的冰點(diǎn)?；炷恋幕瘜W(xué)侵蝕主要是酸性物質(zhì)與混凝土中的Ca（OH）2反應(yīng)，生成水溶性鹽，從混凝土中溶解出來，增加混凝土的滲透性，從而進(jìn)一步加快混凝土腐蝕。摻入硅粉能降低混凝土Ca（OH）2的含量，降低化學(xué)侵蝕速度。但是，不會(huì)因?yàn)楣璺鄣膿饺攵够炷恋膒H值降低很多。有關(guān)試驗(yàn)表明：當(dāng)硅粉摻量達(dá)到30%時(shí)，pH值也不低于12。因此，對鋼筋鈍化的氧化膜層影響很小。

此外，再摻入一定量的SK引氣減水劑，可進(jìn)一步提高修補(bǔ)層砂漿的抗?jié)B抗凍性。施工試驗(yàn)檢測結(jié)果為，5組試驗(yàn)平均抗壓強(qiáng)度40 MPa，抗?jié)B大于W13，抗凍大于F300。

3）表面外觀問題。直接采用噴射混凝土修補(bǔ)工藝，修補(bǔ)后的混凝土外觀很差，表面粗糙，凹凸不平。這也是噴射混凝土或砂漿工藝的最大缺欠。因此，在施工過程要加裝模板和表面修整，以達(dá)原有棱柱型規(guī)則外觀。為此，混凝土的修補(bǔ)采用噴射厚度2.5 cm的限縮水泥砂漿，加表面修整方案。

3.3 施工過程

1）人字柱表面混凝土鑿毛。在鏟除起鼓松動(dòng)的混凝土外，表面鑿毛要控制毛點(diǎn)深度和密度，毛點(diǎn)過深對人字柱將產(chǎn)生一定破壞，過淺影響結(jié)合面的粘結(jié)強(qiáng)度。一般控制鑿毛深度在20 mm、毛點(diǎn)密度250個(gè)/m2左右。

2）修補(bǔ)層外觀控制。在人字柱噴射之前需要安裝模板來控制修補(bǔ)層的外觀尺寸。模板制成中空形式。模板寬度決定修補(bǔ)厚度，制作時(shí)要嚴(yán)格控制。模板兩兩對側(cè)安裝，外緣距人字柱表面留有需要修補(bǔ)的厚度2.5 cm。當(dāng)噴層達(dá)到終凝后，進(jìn)行模板拆除。

3）噴射高性能微縮低膠骨比砂漿。先清洗待噴射表面，使其浸透水分并處在面干狀態(tài)，然后噴射。噴射由噴射手和噴射機(jī)操作手協(xié)同完成，噴射機(jī)操作手主要控制噴射工作壓力和保持上料均勻，噴射手要控制噴射角度、噴射距離、噴射時(shí)的水灰比及掌握噴射基本方法進(jìn)行噴射。噴射厚度分兩次完成，第一次噴射厚度1.5～2.0 cm，第二次噴射厚度0.5～1.0 cm。

4）噴射后的修整。 修整開始時(shí)間以噴層砂漿不粘手為宜，大約在噴射后20 min左右。修整用0.7 mm的張緊割線，緊貼兩側(cè)模板邊緣刮除噴層多余部分，直至表面平整。刮除過程用力要輕，避免擾動(dòng)整個(gè)噴層，同時(shí)以一個(gè)方向進(jìn)行。

5）妥善養(yǎng)護(hù)完成修補(bǔ)過程。實(shí)踐證明初期養(yǎng)護(hù)最重要，修補(bǔ)后的3～4 d內(nèi)修補(bǔ)層干縮速度最快，是產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵時(shí)期。養(yǎng)護(hù)初期不僅要使修補(bǔ)層始終保持濕潤狀態(tài)，而且要避免環(huán)境影響使修補(bǔ)層產(chǎn)生過大的溫差。養(yǎng)護(hù)時(shí)間要達(dá)到14晝夜。

4 結(jié)語

采用噴射特種混凝土加表面修整施工工藝對工程進(jìn)行薄層修補(bǔ)，不僅達(dá)到了補(bǔ)強(qiáng)目的，并且具有良好的外觀，同時(shí)該技術(shù)可使噴射過程中時(shí)的正?；貜棞p少，節(jié)約了正常施工中的材料投入，上述優(yōu)點(diǎn)在工程修補(bǔ)應(yīng)用中均得到證實(shí)。