谈混凝土修补规范：给人指导还是令人迷茫

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

尽管我们对混凝土修补和修补工程的复杂性认识有了明显的进步，但早龄期修补的失败已成为一个主要的问题。近期的一个研究报告称，在200个混凝土修补工程中，只有约半数成功。失败的原因总结为：

对于破坏原因的不正确判断；

修补设计方案不正确；

修补材料选择不恰当；

修补操作不合格。

一个设计较好的规范应该对工程师、承包商、材料供应商和质量控制人员而言都是一个指导线路图。但是，正如没有正确地勘查就画不出地图一样，对问题不经过仔细的判断，就无法制定出修补规范。修补的耐久性是要考虑的最重要的因素，在一个技术方案中要妥善处理，因此修补设计必须侧重于耐久性。修补操作的不合格可能是由于质量控制不充分导致的。而实际操作可能超过了制定者的控制，规范与质量控制是相互依赖的关系。总之，质量控制人员的主要任务是确保修补操作按照规范执行，但需假定质量技术规范是完善的。

但是，我们为北美制定修补规范工作的经验，包括海洋建筑、桥、车库和工厂，都清晰地显示，好的技术规范是罕见的。搜索实际的工程方案，我们发现，许多工程师简单地将Band-Aid®应用于危楼结构，而不是基于大量的工程经验而研究出一个复杂的补救措施（图1）。

能否指定性能？

我们判断，修补规范发展缓慢与性能规范的日益普及有关。有观念认为规定最终结果通常是好的，但这种观念并不适于混凝土修补领域。除非要求的性能标准和可靠的评价技术已完善并被广泛接受，否则可能由于本身的复杂性，不能够超出规范应用性能要求。

许多规定的性能要求不是重点，很简单，因为在处理这些要求时没有实际意义。如果一个特别的性能或其它规定条款不能被实际检测、测量或控制，那么它就不应被规定。

图1 修缮设计和撰写相关技术方案要求由工程师指挥对现状做一个全面评估

考虑到对修补材料的性能要求，采纳“混凝土修补材料的选择指南（ACI 546.3R-06）”能够大大改善结果。而其它许多修补特性，比如电化学活性，则既未可知也不可预测。

在要求关于修补被氯化物和海洋环境腐蚀的受损结构的性能要求时，更需要警觉。应当全面理解将会发生的行为，考虑性能要求的方法将更适用；然而，这不适于腐蚀受损结构被修补的情况，因为在可行的实验方法和实际操作中没有经证实其关联性。连续腐蚀和腐蚀加速的风险，归因于复杂结构新旧混凝土的电化学不兼容性，除非规定全局的阴极保护，否则这种风险经常存在（图2）。

沿着可导电连续钢筋出现许多临界的多种环境协同作用，除了应力状态的差异之外，也显著增加了问题的复杂性。在现有结构上修补部位的影响，化学组成的变化以及外来物质的分布，氧气、水分和其它因素对修补系统电化学性能的影响必须都要考虑。然而，这样的指导性文件并不存在，因此对腐蚀结构免费修补是不现实的。

在修补规范中，不应该出现“由工程师指导”的字样。对真正需要的研究和认识应该去除这些没有意义和多余的语句，这些语句给人感觉写规范的人不正规和懒惰。而且，规范中这种不确定性使得健全的项目招标变为不可能——在这样的规范指导下工作，像是在碰运气。

图2 在被氯化物污染混凝土修补的部分会形成一个腐蚀电池。曲线A1代表修补区域的阳极反应，曲线A2代表现存含有氯化物混凝土的阳极反应。同时存在一个电化学潜力差（Erp-Esb），在现存混凝土中发展的阳极区域腐蚀速率远远大于修补区域（Isb>>Irp）

对规范的看法

许多修补规范是参考标准、支付项目和从之前几乎没有考虑规范的工程中循环复制条款。在这些规范中，没有一个混凝土补修标准。固有的变化主要取决于：

结构内部存在的物理和电化学状态；

内外环境的相互作用；

由于修补导致的变化；

大规模运输过程；

基体与修补之间的兼容和不兼容性。

影响混凝土修补系统性能的因素有内在的和外在的。因此，对它们应该正确地考虑，规范制定者（设计者）必须对物理和电化学现象，已存在基体和修补材料的相互关系，外部环境，以及基体和修补材料中的环境等方面都具有足够的知识。当设计需要确定一个已修补结构的具体服役期或者下一次采取修补措施的具体时间的时候，这些知识尤为重要。

影响修补的关键因素

耐久性

对混凝土修补来说，“耐久性”最实际的指标是希望够推迟下一次修补行为或替换结构的时间。实施起来，对于一个修补工程来说应包括：

对待修补结构现状的评估，仔细考虑在复杂修补系统中不同部分类似的连续破坏和问题，制订出实施方案。

耐久性计划，包括修补结构服役寿命的模型方法和经验办法（对连续腐蚀和破坏所能造成的性能、可能性以及风险的结果仔细考虑）。

渗透性

钢筋混凝土破坏的开始及发展的一个基本的影响因素是水分的迁移。水中可以包含外来物质，然后产生有害的物理、化学和电化学影响。

许多规范只参考ASTM C1202“混凝土抗氯离子渗透能力的电示标准测试方法”来规定修补材料的抗渗性。然而没有同时参考干燥收缩限值去限制裂缝的延展，低抗渗性是不能确定的。我们查阅了大量的规范，但还没有找到一个对干燥收缩限制设立的情况。

当规范了预先包装的修补材料，则限制收缩值也通常给出了，但是没有指明在什么龄期应该满足这个限值，那么这样的要求是没有意义的。ASTM C1571“预收缩砂浆或混凝土在开裂和产生拉伸应力特性时的龄期确定标准实验方法” 允许材料对开裂的敏感性变化，它对于确定材料早期开裂和选择不易开裂的混合材料来补救很实用。这个方法包括了从试样成型开始影响收缩开裂的大量因素。但规范制定者们却好像对这个对于修补材料很有必要的试验没有意识到（或选择忽略）。

同样令人关注的是，低水胶比（w/cm）会减少收缩，这种说法是错误的。实际上，对于给定的一组成分，对混合物的收缩和裂缝潜能影响最大的是它的总胶凝材料含量。

水泥浆体的基本作用是胶结、填充和增加后期强度，然而，它也是混凝土收缩的来源。由于缺少骨料的约束，水泥净浆的收缩是含有相同浆体的混凝土的4～5倍。因此，减少浆体量能够最有效地减少收缩及开裂，从而增加耐久性。

然而，我们找到许多要求水胶比约为0.3的高性能混凝土的规范。这些混合物要求加入减水剂，但这些外加剂能够有效提高低水胶比混合物的工作性能，却不能减少收缩的总量。有些时候，确实还会产生相反效果。ASTM C494“混凝土化学外加剂的标准规范”允许测试加外加剂的试样比测试控制不加外加剂的试样多35%的收缩。但看起来，修补规范的制定者对此不知道。材料尤其对于修补材料低裂纹趋势的一些性能和因素列于表1。

表1 材料性能和修补开裂项目的相关影响

材料强度

我们对规范的研究显示，一个普遍的错误观念是，高强修补材料是有益的。我们还没有读到一个单独关于制定允许硬化修补材料抗压强度限值的规范。当然，一个强度越大硬化越快的胶凝材料更容易开裂，因为较高的弹性模量增加了由干燥收缩而产生的拉伸应力以及其它受限体积变化。这种强度不兼容性同样对受荷载的修补系统起到消极的作用。

工程材料的一个主要缺点不是缺少强度或硬化慢，而是缺少抵御裂缝的引发和扩展。

同样，对高强、早强修补材料不必要的规范也能引起许多问题。对于普通的修补，这种材料有高收缩和开裂的可能性较大。尺寸稳定而非较高的早期强度是能够达到长期耐久性的条件。强度增长率，除了硬化的整体程度，对孔隙结构、微细和大裂缝，以及胶凝材料的传输（渗透）性能有显著影响。

一般速度的强度增长（3天——达到最终强度的50%，7天——70%，28天——100%），水化产物具有充足的时间在水泥浆体中扩散并均匀沉淀。强度增长率快，水化速度超过了扩散过程，导致水化产物在水泥颗粒附近保持静止，留下的间隙相对开放。这些相对密集的水化产物的沉积物将水泥包住，有时密封了水泥颗粒，阻碍了水和水化产物的扩散，从而阻碍了进一步的水化，与水化速度正常的材料相比，产生更多的开放孔隙结构。

总之，对于混凝土和其它胶凝材料，尤其那些暴露在严酷的环境中的胶凝材料，强度的增长率是影响耐久性的关键。强度增长慢的材料（如那些含有粉煤灰或矿渣水泥的材料）可能在这些条件下表现地更为出色。

应该规范和应用具有可接受的、最小的早强性能的修补材料。如果实际可行，应该规范一段时期内的抗压强度而不是28天抗压强度。这种规范的抗压强度不应该超过必要的荷载目标。实际上，现场28天抗压强度应该保持在与规范强度相似的水平。

腐蚀保护

在修补过的混凝土结构中有一个主要的问题是对钢筋的继续甚至加速腐蚀。在修补一个遭受钢筋腐蚀和混凝土破坏的现有混凝土结构时，含有氯离子的混凝土常被遗留。在这种情况下，常常会继续甚至加快腐蚀，因为被修补部位与周围的混凝土相比，具有不同的水气、氧气和氯离子含量。可能形成更强的腐蚀，从而导致修补部位的剥落，或者更常见的是修补周围混凝土的剥落。关于混凝土修补失效的整体模型见图3。

目前，我们已经看到大量声称可以防止或能够显著减缓进一步腐蚀和破坏的产品和系列的发展、市场和规范。

由于经济结果而提出的不按规定执行的保护措施（甚至可以起到反作用），必须对这些排除在外的保护系统正确的操作进行评估和记录在合理范围内。我们需要相信，在修补时，防腐蚀剂能够提供保护。然而，若没有进行区域评估，我们怎么会知道防腐蚀剂不会扩散或从需要它们的部位流失？

水分和温度梯度都会对修补系统中的水和其它物质的传输起决定作用，因此，防锈剂很可能由于水分和温度梯度的影响，而超越修补区域向外扩展，从而减少了必要的浓度。同样，氯化物也很可能从原有受污染的混凝土迁移到被修补部位。当结构暴露，这些影响会加大，当结构被置于干湿环境中，修补材料和原有混凝土之间的物质传输将最为显著。

总之，将防腐剂加入修补材料中，总体的影响因素是什么呢？当氯化物和碳化物已经分布很广时，修补材料本身的性质已不能解决整个结构的腐蚀问题。含有防腐剂的修补材料可以成为一个洁净的（没有腐蚀的）钝化区域，但它会刺激周围混凝土的腐蚀——产生环形效应，导致附近修补区域的混凝土腐蚀、早早开裂和剥落。说到底，希望在修补材料中外加防腐剂来获益，这种想法是否正确呢？

修补材料

对一个所给工程规范修补材料是一项令人头痛的任务，需同时考虑市场上可得材料的数量，以及厂家基于不同材料性能和测试方法，所提供的产品说明书对各材料的描述。工程师一方面会很受限制，另一方面有时会对某一特殊修补工程的材料的基本选择和性能规格产生误解。通常，说明书只提供某一特殊材料有利的性能指标。同样，检测材料性能以及改变的试验方法常常记录不全。

产品说明书中所给的性能信息是不可信的，那么也不能作为规范，和在其他充分条件下，保证修补耐久的材料选择的可信基础。由于产品说明书的这种混乱，常常不能规范和使用合适的材料，导致早期修补失效。

行业迫切需要对水泥基修补材料报告性能和描述的标准化协议，ACI发布了“水泥基修补材料数据表指南（ACI364.3R-09）”。这个指南要求提供标准化、逻辑化和相容格式的材料信息，以便于修补材料能够被规范和选择。

协议定义材料的重要性能和如何测试这些性能。不同于规范，操作标准不会被列出，但留给规范制定者基于基体混凝土的性能、所应用的约束条件和安装的环境去选择，以实现协调性。关于许多类型混凝土修补材料的相关性、解释和推荐限值最近已经在ACI546.3R-06发布。

将指南应用于实践的过程无疑是对设计规范质量和修补工程质量的提高，它决定了混凝土结构的可持续性。但将指南付于实践有个严重的问题——材料生产厂家需要重新检测市场上的材料，并制出新的数据表，这是个高成本的任务。生产厂家不会去做这些费时费钱的工作，除非工程规范根据这个ACI文件列明相关要求和条款。因此，工程师或规范制定者有责任去建议ACI364.3R-09提出这样的条款。

经济意义

制定一个混凝土修补规范是一件复杂的工程任务，它要求制定者具备科学、工程、业内实践的广泛知识，以及较高的责任感。我们批评的目的在于帮助这个行业能更有效和更经济的使用资源。

设计和规范混凝土修补有特别的要求。实际上，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补材料的生产。列表绝非完整，但可能有助于说明一些能够通过合理认识和重视所涉及的问题而解决的问题。一些要点和建议已在大量的修复工程中尝试过，并被证明是可行和有效的。

考虑到破坏混凝土结构的体积和修复资源的缺乏，更可靠地制定混凝土修补实践的每个方法，包括工程规范，将会获得巨大的技术和经济意义。（译者：建筑材料工业技术情报研究所，宁夏，王冬）