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鋼筋混凝土維修材料方法
鋼筋混凝土橋是一個耐久性結構，但是經驗告訴我們即使是混凝土材料、設計和施工的質量都很好，隨著服役時間的延長，橋梁結構還是會出現(xiàn)各種各樣的病害。下面小編為大家分享鋼筋混凝土維修材料方法，歡迎大家閱讀瀏覽。
一、前言
鋼筋混凝土橋是一個耐久性結構，但是經驗告訴我們即使是混凝土材料、設計和施工的質量都很好，隨著服役時間的延長，橋梁結構還是會出現(xiàn)各種各樣的病害。鋼筋混凝土橋梁的耐久性與如下因素有關：
混凝土的密實度;
混凝土抗開裂能力;
結構所處環(huán)境的潮濕度;
結構所處環(huán)境的凍融循環(huán)情況;
結構所處環(huán)境的二氧化碳濃度;
結構所處環(huán)境的化冰鹽使用情況等;
如果混凝土材料或施工質量不好，或設計有缺陷等都會加速病害的發(fā)生和發(fā)展速度。另外，由于混凝土炭化反應或氯離子滲入會導致鋼筋銹蝕，而鋼筋銹蝕又會引起混凝土的分層與破碎。高質量的材料、施工和設計可以提高新橋梁的耐久性，但仍然有很多理由需要對這些新橋進行保護以便使其能達到或超過設計服役壽命。對已經服役一定時間的橋梁，更要進行經常性的保護和維修，以便使其經常處于良好的條件下，延長服役壽命。
在本文中，首先我們對混凝土的病害做一簡單介紹，接著就水泥基維修和保護材料的特點和使用方法進行了說明。另外對用于結構保護的密封劑和涂裝材料的性能和作用也進行了介紹，最后對典型的維修步驟，包括表面準備、銹蝕鋼筋的維修與保護和混凝土的維修與保護，進行了詳細的介紹。
密封劑和涂裝材料的功能主要是減少鋼筋混凝土結構中的電解液，從而減緩電化學銹蝕反應的進程。另外，密封劑和涂裝材料還可以防止化冰鹽、二氧化碳和氧氣等對結構的侵入從而減緩鋼筋的銹蝕，這類保護還可以降低凍融循環(huán)對結構的破壞，提高結構抗凍融循環(huán)的能力。
二、混凝土病害
混凝土病害是一個復雜的問題，與混凝土原來的質量和工作環(huán)境有很大關系。水泥膠漿的多孔性，它的化學與物理特性，低張力強度和脆性等是混凝土病害的關鍵因素�；炷猎系馁|量、設計的不完善和澆筑及養(yǎng)護過程中出現(xiàn)的問題也是病害產生的重要原因。為了方便陳述，我們將混凝土的病害分成以下幾類：
鋼筋銹蝕;
堿骨料反應;
凍融循環(huán);
1，鋼筋銹蝕
銹蝕是金屬鐵發(fā)生氧化的電化學過程，生成氧化鐵。氧化鐵的體積比金屬鐵大，因此鋼筋銹蝕會導致混凝土開裂。而開裂又使得水、二氧化碳和鹽更容易進入到混凝土結構內部，從而又加速了鋼筋銹蝕的速度。
鋼筋銹蝕需要水和氧氣同時存在。當混凝土結構內部的相對濕度達到40%時，銹蝕就開始了，相對濕度達到70-80%時，銹蝕速度達到最大。當相對濕度超過70-80%或整個混凝土結構完全浸沒在水里時，由于氧的供應量不足，因此銹蝕速度反而下降了。另一方面，氯離子的存在會加速銹蝕速度。
炭化反應主要是水泥中的石灰，大氣中的二氧化碳和某些酸性物質，如二氧化硫和二氧化氮之間的反應。這個中性化反應的結果導致混凝土pH值的下降，使得鋼筋表面的鈍化膜逐步喪失而引發(fā)鋼筋銹蝕。同時炭化反應也會加劇由于氯離子滲入而導致的銹蝕。
2，凍融破壞
凍融循環(huán)使混凝土中的水結冰膨脹而產生張力，從而導致結構開裂。通過加入引氣劑，使得混凝土結構內部形成大小合適的氣穴可以有效地減少凍融對混凝土的破壞。沒有加入引氣劑的混凝土常常需要維修與保護，防止凍融循環(huán)造成的破壞。
3，堿骨料反應
堿骨料反應是指水化水泥中的堿性物質與骨料中可反應化學成分之間發(fā)生化學反應。一般來說有兩類堿骨料反應：堿-碳反應：堿性物質與含有碳酸鹽類物質的骨料(如白云石等)發(fā)生化學反應;另一類是堿-硅反應：堿性物質與含硅酸鹽類物質的骨料(如蛋白石和硅酸石灰石等)發(fā)生化學反應。堿骨料反應的結果是在水泥骨料表面發(fā)生膨脹性斷裂，從而導致混凝土結構開裂。比起由于鋼筋銹蝕而導致的病害和開裂，堿骨料反應的過程要慢的多。
以上對混凝土病害的分類只是很多種混凝土病害分類方法的一種。然而，對各種分類方式都有一個共同的標準。當混凝土結構處在極端的工作環(huán)境中時，其微觀結構特征對混凝土病害而言是至關重要的，著名混凝土專家Mehta 先生對微觀結構與混凝土耐久性之間的關系有如下論述：“從長遠角度看，混凝土的可穿透性或可滲水性是唯一與耐久性直接相關的特性。有大量的事實證明，如果混凝土結構完全不可穿透或完全不滲水，則那些病害，包括鋼筋銹蝕、堿骨料反應和凍融破壞根本就不會發(fā)生。”
三、混凝土維修—系統(tǒng)
如果我們接受“全面”的方法，可以使我們獲得耐久性更好的混凝土，同樣的概念可以為我們提供耐久性更好的混凝土維修方法。由于有證據(jù)表明大量的維修在很短地時間內就失效了，因此壽命更長的維修方法具有很大的吸引力�；炷翆＜褽mmons 和 Vaysburd 就混凝土維修的系統(tǒng)概念做過如下闡述：“為了理解那些影響設計和選擇維修方法的因素，需要將整個混凝土維修工作作為一個整體的系統(tǒng)進行考慮。例如，維修材料的選擇僅僅是獲得長期維修壽命的一個步驟，而施工方法、表面準備和檢測方法等同樣重要。”
1，引起混凝土病害的原因是什麼?
徹底弄清楚混凝土病害的原因是制定和實施正確維修方案的基礎，如下這些檢測和評估方法對于進行病害診斷很有幫助：
現(xiàn)場目測;
分層檢測;
電壓法檢測;
氯離子含量分析;
炭化深度分析;
巖石記述學分析;
氣穴分布檢測;
結構分析;
2，結構有哪些損壞?
有礙觀瞻：顏色斑駁，表面開裂;
開裂、分層、銹蝕;
危及公眾安全：破碎、脫落;
滲漏;
耐久性差;
3，結構的剩余服役期還由多長?
4，結構目前的承載能力是多少?
5，此次維修對整個系統(tǒng)會有哪些影響?
6，什麼材料和方法最適合此次維修?
四、鋼筋混凝土橋梁的維修：材料與方法
1，清除松動、破碎的混凝土
徹底清除松動、破碎的混凝土并充分進行表面準備是進行鋼筋混凝土橋梁維修最基本的步驟。電錘和高壓水槍是進行表面清理常用的工具，而后者要優(yōu)于前者，因為它給混凝土結構造成的損害很小，但是成本較高且在某些施工現(xiàn)場很難實施。當在立面、平面或頂面進行薄層(幾毫米)表面準備時，典型的手段是高壓水、干噴砂和濕噴砂。如果主要是在平面上進行表面準備，可以使用刮、鑿、磨和噴丸等手段。在平面上，一般需要將表層混凝土清除掉6-12mm以獲得所謂的清潔、堅固的混凝土，因此打磨和噴丸比較合適。
當用濕或干噴丸方法清理水平面時，必須在整個區(qū)域內進行完全徹底地清理。對分層的地方，強烈建議將其周圍5厘米范圍內的混凝土全部清除，以確保將鋼筋周圍已發(fā)生炭化的混凝土徹底清除。如果可能，最好將鋼筋下面的混凝土也清除掉，以便在鋼筋下面填充修補材料。清除鋼筋表面所有的銹跡。高質量的表面準備是維修材料與原有結構良好粘結的重要條件。
2，防銹涂層：保護暴露的鋼筋
聚合物基防銹涂料(典型材料有丙烯酸類和環(huán)氧類)被用來進行銹蝕鋼筋的表面防銹。這類材料有很多致命的弱點，例如，它們一般都對表面清理要求很高，甚至要求清理達到“白色金屬表面”的水平，而這在現(xiàn)場往往是不可能的。另外是嚴格要求施工是涂層表面不能有“針孔”，如果涂層表面有“針孔”，在“針孔”附近將形成“陽極”，這樣不但失去了防銹的意義，而且還會極大地加快銹蝕速度。
水泥基防銹材料由于其本身是堿性的，同時具有一定的“遷移”能力，因此可以克服這些弱點。而且水泥基材料在修補區(qū)域周圍不會形成“高”陽極效果，不會由于施工不慎而導致的加速銹蝕速度的現(xiàn)象發(fā)生。
3，修補砂漿和混凝土：性能與應用
病害混凝土的維修可能會用到幾種材料：
薄層修補砂漿(0-12mm)
厚層修補砂漿(6-100mm)
干噴或濕噴混凝土
所有這些修補材料應具備以下重要特性：
塑性收縮率低;
干收縮率低;
黏結性良好;
宜使用;
抗干收縮裂縫;
耐久性好(抗凍融能力強);
薄層修補砂漿一般是經聚合物改性的，比如丙烯酸乳液、丁二烯、苯乙烯或苯乙烯改性的丙烯酸等。以往這類修補砂漿都是雙組分的，這樣在施工現(xiàn)場混合時可能會出現(xiàn)比例上的失誤。但最近我們推出了經干聚合物改性的單組分薄層修補砂漿，這類單組分的修補砂漿在現(xiàn)場只加水就可以了。經乳液聚合物或干聚合物改性的砂漿具有良好的粘結性和耐久性。
厚層修補砂漿一般含有纖維以減少干收縮開裂現(xiàn)象的發(fā)生，而纖維的選擇十分重要。低彈性模量的纖維，如聚苯烯、尼龍或特種聚酯等纖維只能控制“塑性”收縮開裂，而高彈性模量纖維，如特種玻璃纖維等既可以控制“塑性”收縮開裂，也可以控制干收縮開裂。
在頂板上使用厚層修補砂漿時，其快干特性就顯得十分重要。骨料和外加劑的選擇對于在立面和頂板上的施工的簡便和快速影響很大。
對大體積維修應該使用噴射混凝土方式進行。噴射混凝土分干噴和濕噴兩種，干噴是將水泥、骨料和外加劑事先進行干混，并在噴嘴處加水并以高速噴射到修補面上。濕噴是將修補砂漿預先與水調和好，然后用噴槍噴射到修補面上。
干噴和濕噴都可以獲得理想的修補效果，但干噴的回彈很高，一般可能達到25%左右，同時施工質量與操作人員的操作水平有很大的關系。與干噴相比，濕噴的回彈率小，同時由于在濕噴過程中會捕獲一些空氣，在混凝土內部形成氣穴，因此其抗凍融破壞的能力更強。另外濕噴對操作人員的技術水平要求不像干噴那樣高。
噴射混凝土的最新技術發(fā)展是微硅粉的使用。微硅粉是一種非晶態(tài)的二氧化硅，是鐵合金工業(yè)的副產品。微硅粉顆粒的粒度非常小，一般是水泥水化反應生成的顆粒的百分之一或更小。因此加入微硅粉后可以提高混凝土的抗壓強度，提高抗?jié)B能力和抗化學腐蝕物的能力。同時，加入微硅粉后，還可以降低干噴或濕噴混凝土的回彈率，特別是在濕噴時，可以使?jié)駠姷幕貜椔蕼p少到可以忽略不計的程度。還有，微硅粉可以提高混凝土內部的粘合能力，縮短混凝土澆筑好后不能馬上浸水的等待時間。另外，從經濟角度看，微硅粉的成本比聚合物的成本要低很多。微硅粉的缺點是比較容易產生塑性開裂，這一點可以通過恰當?shù)酿B(yǎng)護，特別是早期養(yǎng)護來解決。
纖維增強是另一項噴射混凝土新技術，通過在混凝土中加入纖維可以提高抗彎、抗張和抗開裂能力。纖維的增強效果與所使用纖維的彈性模量有直接的關系。彈性模量越高，效果越好。鋼纖維對混凝土的增強效果非常明顯，目前在干噴和濕噴中都得到了廣泛的使用。鋼纖維增強噴射混凝土目前在隧道的建設與維修、港口混凝土設施的建設與維修中用的很多，其維修厚度可達5-15cm，在薄層修補中不宜使用。
經耐堿處理的玻璃纖維具有較高的彈性模量，而且很容易與修補砂漿混合，另外玻璃纖維增強噴射混凝土的終飾性非常好。玻璃纖維一般用在濕噴混凝土中，但也可以用在干噴混凝土中。其主要用途是用來進行混凝土結構的維修，包括天花，墻體，結構墚，混凝土橋梁以及工業(yè)混凝土結構維修等。另外，玻璃纖維增強混凝土可以進行從薄層到后達幾英寸的厚層修補。
聚合物纖維，如聚丙烯纖維等也被用在干噴和濕噴混凝土中，單纖維聚丙烯纖維可以用在干噴或濕噴混凝土中，但小纖維據(jù)苯烯纖維主要用在濕噴混凝土中。聚合物纖維的最大弱點是其彈性模量較低，因此主要用于控制塑性開裂和在一定范圍內的干縮開裂。其主要優(yōu)點是成本較低，同時在堿性的修補砂漿和混凝土中化學性能不活躍。
五、鋼筋混凝土保護密封劑和涂裝材料
在整個橋梁表面使用防水密封劑和涂裝材料有很多意義，可以減少混凝土中電解液的含量，減少被修補區(qū)域(陰極)和未修補區(qū)域(陽極)間的電位差，從而降低銹蝕速度。事實證明，影響橋梁混凝土結構的水主要來源于降雨，因此對鋼筋混凝土橋梁進行防水是降低鋼筋銹蝕速度的基本手段。另外，保護密封劑和涂裝材料還可以減少氧氣的滲透，減緩混凝土炭化反應的進程。
為了方便討論，本文將涂裝材料分成兩大類：
滲透型密封劑;
成膜型密封劑;
按照所用粘合劑的化學成分，也可以進行如下分類：
有機類：各種聚合物涂裝系統(tǒng);
無機類：硅酸鹽水泥，
有機與無機混合類：聚合物與硅酸鹽水泥混合;
如下指標對涂裝材料是關鍵性指標：
耐久性
水汽透過性
抗水和鹽的滲透性
抗二氧化碳滲透性
橋聯(lián)裂縫的能力
以上這些指標并不是按重要性大小的順序排列的，對這些指標的要求和重要程度與涂裝材料功能和使用目的有密切的關系。例如，如果涂裝的目的是防止水和二氧化碳的滲透從而起到保護混凝土作用，則水汽透過性，抗二氧化碳滲透性和橋聯(lián)裂縫的能力是最重要的指標。
1，耐久性
所謂耐久性，這里指的是涂裝材料或密封劑涂刷后，可以在多長時間內對混凝土結構起到有效的保護，即涂裝材料或密封劑的使用壽命究竟有多長。耐久性與材料的種類、被保護的混凝土結構所處的工作環(huán)境以及涂裝材料與被保護基層間的物理化學性能的相互作用有關。
材料本身的耐久性和其抵御化學侵蝕的能力(如抗紫外線能力，耐摩擦能力和彈性等)一般是可以精確地確定的。但是，為什麼有時候這類保護還會失效呢?除了材料選擇有誤、表面清理不徹底等明顯的原因外，導致保護涂層過早失效的原因往往是由于涂裝材料的物化性能與被保護的混凝土結構不兼容造成的。
2，水氣透過性
使結構中的水汽穿過涂層的能力稱為水汽透過性。所有的涂裝材料都會降低混凝土的水汽透過性，但問題是“所要求的最小的呼吸性到底應該是多少?”，或者說涂裝材料將潮氣封閉在混凝土結構中的最大程度是多少?在回答這個問題之前，我們應該認識到水汽透過性是在平衡狀態(tài)下測得的，因此，其結果只能用來進行不同材料間的比較。同時，也應該注意到一個材料的呼吸性能對高密實度混凝土非常合適，但對結構疏松多孔的結構可能就不合適。另外，如果沒有水或不存在溫度和濕度梯度來驅動潮氣從結構內散發(fā)出來，則涂層的“可呼吸性”也就不那么重要了。
除了某些“屏障”系統(tǒng)外，混凝土和鋼筋混凝土的保護材料都需要有最大的“可呼吸性能”，以保證水分能從混凝土中蒸發(fā)出來，同時又能防止外界的水和鹽向結構內滲透。涂層還應具有一定的柔韌性以便封閉結構上已經存在或將來可能產生的裂縫。
3，抗水和鹽的滲透性
北美地區(qū)對這個性能進行了深入的研究并制定了一系列的標準來測量。
4，抗二氧化碳的滲透
歐洲對涂層抗二氧化碳的滲透有明確的指標要求，他們用Rb 值來衡量抗二氧化碳的滲透性能。這個值表示涂層的抗二氧化碳的滲透能力相當于多厚的空氣層的抗二氧化碳的滲透能力。例如Rb =100 m，意思是涂層抗二氧化碳的滲透能力相當于100米厚的空氣層抗二氧化碳滲透的能力。歐洲對涂層抗二氧化碳滲透能力的最小要求是Rb=50 m。涂層抗二氧化碳滲透的能力越強，就越可以減緩結構的炭化速度，從而減緩鋼筋的銹蝕速度。
5，橋聯(lián)裂縫的能力
混凝土是脆性材料，收縮、溫度變化和鋼筋銹蝕等都會產生裂縫，而這些裂縫又會加速水、鹽、二氧化碳和其它化學腐蝕性物質對混凝土結構的腐蝕速度，因此，涂層橋聯(lián)可移動裂縫的能力是十分重要的。涂層低溫柔韌性更加重要，因為在低溫條件下，裂縫變寬而涂層的彈性減弱。另外，涂層封閉“即將來到的”裂縫的能力也十分重要，所謂“即將來到的”裂縫是指混凝土結構涂裝后產生的裂縫。
六、鋼筋混凝土橋梁保護密封材料和涂裝材料簡介
1，滲透型密封劑
使用滲透型密封劑保護鋼筋混凝土橋梁不受水、化冰鹽和酸雨的侵蝕已經是常規(guī)的做法了。按照作者的觀點，使用憎水硅烷或齊聚物硅氧烷等滲透型密封劑可以為鋼筋混凝土橋梁提供充分而相對經濟的保護。但是像所有其他的方法一樣，滲透型密封劑也有它的局限性，其中最值得注意的是它的保護壽命，一般滲透型密封劑的保護壽命為4-6年，換句話說，就是每隔4-6年需要重新涂刷一次。這類密封劑的另一個不足之處是它對大于0.2mm的裂縫無能為力。相對低廉的成本和施工的簡單是這類材料的主要優(yōu)點。另外還可以減少混凝土結構受凍融破壞的程度。
2，聚合物基成膜型涂裝材料
有很多基于聚合物和硅酸鹽水泥的防水與混凝土保護材料，主要指標是“可呼吸能力”和抗二氧化碳的滲透能力。在某些混凝土維修項目中，如橋梁結構和冷卻塔等，通過減少水和二氧化碳的深入，處于炭化或氯離子污染環(huán)境下的鋼筋銹蝕過程只能被減緩，而不可能被停止。從長遠角度看，結構往往會形成一些微小的裂縫，因此需要用有一定彈性的涂裝材料來橋聯(lián)新產生的裂縫，以阻止水和二氧化碳通過縫隙侵入結構內部�；炷两Y構維修后，一般應用柔性水泥類涂裝材料對結構進行保護。預應力或后張法鋼筋混凝土預制件出現(xiàn)裂縫的機會較少，因此，也可以選用一些彈性較差的聚合物涂裝材料。
3，聚合物改性水泥基成膜型涂裝材料
在保護鋼筋混凝土橋梁方面，聚合物改性水泥基材料表現(xiàn)出卓越的性能，它們具有良好的呼吸性能、與混凝土基層的兼容性良好、耐久性和耐摩擦性優(yōu)異，同時成本不高，所有這些使得這類材料成為混凝土保護的首選材料。
4，柔性、化學交聯(lián)、單組分丙烯酸涂裝材料
經化學交聯(lián)處理的單組分水基彈性涂料具有很好的低溫柔韌性和抵抗永久形變能力，這一特性對于封閉移動裂縫非常重要，因為這類材料的永久形變隨著屈張循環(huán)而增加，逐漸導致材料老化、變脆和開裂。經化學交聯(lián)處理的彈性丙烯酸涂裝材料具有良好的形變恢復能力，因此可以為基層的可移動裂縫提供更好和更加可靠的保護與防水效果。這類材料常用于混凝土結構防水和防炭化反應。
在維修過程中，徹底清除銹蝕鋼筋周圍的混凝土是一件十分困難的工作，例如后張法箱型墚，如果將銹蝕鋼筋周圍的混凝土全部清除將對結構造成嚴重的破壞。在這種情況下，僅將松動的混凝土清除，然后在銹蝕鋼筋上涂刷水泥基阻銹劑，再用薄層修補水泥進行修補，最后用化學交聯(lián)涂裝材料進行涂裝保護，就可以大大減慢銹蝕速度，達到修補保護的目的。
由于相對于被修補并作阻銹處理的這一端(陰極)，沒有被修補的另一端就變成了陽極，因此銹蝕會在這端開始發(fā)生。同樣，在修補時并沒有開裂和銹蝕的部份在以后也會逐漸發(fā)生銹蝕開裂等病害，并逐漸影響到經過修補的部份。而化學交聯(lián)彈性涂裝材料可以封閉這些“后來發(fā)生”的裂縫，為混凝土結構提供一個干燥、沒有鹽和二氧化碳等有害化學成分侵蝕的環(huán)境，從而大大降低病害發(fā)生和發(fā)展的速度。
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