混凝土表层病害喷射修补技术及应用

马智法，郭洪娟，黄如卉

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061；2吉林精诚工程检测有限公司，吉林长春130062）

1 混凝土建筑物表面破坏特征

目前在水工、港工、公路、交通、地下工程及火力发电厂冷却塔等工程中，由于受到冻融、碳化、化学腐蚀、空蚀等多种因素的破坏作用，建筑物表层混凝土破坏剥落，钢筋外露锈蚀，严重影响建筑物的外观和安全运行。主要破坏形式有表面冲刷、冻融、剥落、局部开裂等。在实际工程中，混凝土表层病害常具有：面积大、部位高、修补操作空间小等特点。使得混凝土表层冰害修补施工难度大、施工成本高，施工质量难以保证。

2 混凝土表层病害喷射修补技术

2.1 技术机理

混凝土表层病害喷射修补新技术，采用先进的修补加固材料（高性能微缩低胶骨比砂浆）及先进的施工工艺，能够有效解决上述表面病害各项问题。高性能微缩低胶骨比砂浆干缩变形小、粘结强度高、抗裂性能好、抗冻融、抗渗、抗腐蚀、耐久性优良。在喷射修补工艺中，“水泥裹砂法”的应用使骨料产生早期‘造壳’效应，通过与SK水溶液二次混合形成SEC砂浆，然后进行混凝土喷射施工。与干喷混凝土相比，该方法具有回弹率小、粉尘含量低、工效高、混凝土强度高、表面平整、均匀性好等优点，可以节约大量水泥，还可改善工作环境，对工人的劳动保护起到良好的作用。

2.2 材料性能

喷射普通砂浆混凝土修补虽然可以保证强度，但抗渗、抗冻性却不能保证，且喷射砂浆的线胀系数较大，不能保证薄层大面积破损混凝土修复所要求的修补材料与新老材料之间具有良好的粘接性和变形协调性。喷射掺入T剂的砂浆虽然可以满足强度、抗渗、抗冻性能要求，但T剂砂浆的干缩率较大，容易产生干缩裂缝，这一点从下表的T剂混凝土的干缩率即可得到证实。

为了减少T剂砂浆的干缩性，使其线胀系数与老混凝土基本一致，在以往的研究成果上对T剂砂浆进行了改性研究，在T剂砂浆中掺入SK引气减水剂（掺入该剂后能使砂浆的抗冻、抗渗效果得到进一步加强，实测抗渗标号S13，抗冻标号大于D300）、和减缩剂（掺入该剂后，砂浆14 d限制膨胀率大于0.02%），得到了一种适用于薄层大面积破损混凝土修补加固的全新材料——高强无收缩低胶骨比砂浆，该砂浆既具有T剂砂浆高强、耐冻融、抗渗性好的特点，又解决了T剂砂浆硬化期干缩性大的问题，使新、老材料的性能更为协调。

2.3 施工技术工艺流程

混凝土表层病害修补技术的工程实施，应按如下程序开展工作：①工程现场测试老混凝土性能分析；②修补方案制定；③确定新混凝土性能指标；④原材料比例选择骨料造壳；⑤现场喷射混凝土拌合物制备；⑥混凝土喷射施工。

在施工过程中，SK剂水溶液与完成“造壳拌和”的混合料在喷头处再度混合，进行二次混合搅拌后，经高压风送至受喷面，采取层层叠压的方式喷至设计规定厚度。从而提高骨料与胶凝材料的界面粘结强度和混凝土的密实性。具体实际施工时，其施工工序为：作业面表面处理→拌合物制备→喷射施工。

表1 混凝土表层病害修补混凝土性能

3 工程应用案例

3.1 工程概述及病害成因分析

某电厂运行至今已有25年的历史。冷却塔采用自然通风式双曲线钢筋混凝土结构。混凝土设计抗压强度标号300号，抗渗标号W8。受力钢筋采用8R28Mn钢，箍筋和构造筋为A3钢，设计保护层厚度30 mm。现场查明冷却塔的人字柱均有不同程度的破坏，主要表现在部分人字柱箍筋外露和少部分人字柱兼有顺筋裂缝。根据人字柱的破坏特征和运行环境综合分析，初步认为破坏主要有以下原因：

1）施工质量存在缺陷，施工时混凝土浇捣不密实，保护层未达到设计厚度，已外露的箍筋保护层多数小于10 mm。

2）受冷却淋水的影响，人字柱周围环境湿度比较大，冬季表面混凝土形成霜冻，温度变化时易遭受冻融破坏。

3）经烟囱排放的气体未进行脱硫处理含有SO2，SO2在空气中进一步氧化成SO3，对混凝土形成化学侵蚀，与混凝土中的Ca（OH）2反应生成CaSO4，产生体积膨胀，而CaSO4与混凝土中的C3A，反应生成硫铝酸钙，产生第二次体积膨胀，膨胀应力使混凝土胀裂、变酥。

4）烟囱排放的气体使周围空气中的CO2浓度增加，长期处在高浓度的CO2侵蚀，人字柱混凝土产生碳化。现场采用表面凿孔喷洒酚酞酒精液，观察不变颜色深度约在15 mm，说明碳化深度超过了已外露钢筋的混凝土保护层深度。

3.2 施工方案的选择与论证

针对混凝土的破坏情况及成因，采用混凝土表面喷射修补技术比较适宜，即在混凝土表面做一层混凝土防护层，防止人字柱混凝土及外露钢筋进一步破坏。而结构物的薄层修补具有一定的技术难度，主要存在结合面强度、修补层收缩、修补层的耐久性和修补后外观问题。这些问题解决不好将导致修补的失败。

1）结合面强度问题。表面加一层防护层需要解决的问题是防护层与混凝土的整体工作共同受力结合面强度问题。增加的防护层与人字柱在受力的过程中，结合面会出现拉、压、弯、剪等各种复杂应力，其中关键的是剪力和拉力。结合面的剪应力和法向拉应力主要靠结合面两边的新旧混凝土的粘结强度承担，由于结合面的粘结抗剪强度及法向粘结抗拉强度远远低于混凝土本身强度，因此，结合面是修补加固结构的薄弱环节，破坏总是首先发生在结合面。

采用喷射砂浆施工工艺，施工质量容易得到保证，特别适合薄层修补加固。与浇注和人工抹混凝土方法相比，喷射混凝土早期强度高，常温下一天的抗压强度可达6.0～15.0 MPa，与旧混凝土的粘结强度高，掺入硅粉后，其粘结抗拉强度可达1.5～2.5 MPa，接近混凝土自身强度，比普通工艺修补加固的混凝土粘结强度高2～4倍。

2）耐久性问题。修补层的耐久性问题决定修补后的使用年限。有关试验表明掺入硅粉的混凝土可提高混凝土的抗渗抗冻性、抗化学侵蚀性。试验人员测定了两种混凝土水的渗透系数：一种是含300 kg/m胶凝材料的非硅粉混凝土，另一种是硅粉的混凝土，非硅粉的混凝土是3×10-11m/s，而硅粉混凝土是6×10-14m/s。在掺入硅粉的混凝土中，由于硅粉的填充和火山灰作用，使混凝土中的孔隙溶液净化，提高小毛细孔的冰点。混凝土的化学侵蚀主要是酸性物质与混凝土中的Ca（OH）2反应，生成水溶性盐，从混凝土中溶解出来，增加混凝土的渗透性，从而进一步加快混凝土腐蚀。掺入硅粉能降低混凝土Ca（OH）2的含量，降低化学侵蚀速度。但是，不会因为硅粉的掺入而使混凝土的pH值降低很多。有关试验表明：当硅粉掺量达到30%时，pH值也不低于12。因此，对钢筋钝化的氧化膜层影响很小。

此外，再掺入一定量的SK引气减水剂，可进一步提高修补层砂浆的抗渗抗冻性。施工试验检测结果为，5组试验平均抗压强度40 MPa，抗渗大于W13，抗冻大于F300。

3）表面外观问题。直接采用喷射混凝土修补工艺，修补后的混凝土外观很差，表面粗糙，凹凸不平。这也是喷射混凝土或砂浆工艺的最大缺欠。因此，在施工过程要加装模板和表面修整，以达原有棱柱型规则外观。为此，混凝土的修补采用喷射厚度2.5 cm的限缩水泥砂浆，加表面修整方案。

3.3 施工过程

1）人字柱表面混凝土凿毛。在铲除起鼓松动的混凝土外，表面凿毛要控制毛点深度和密度，毛点过深对人字柱将产生一定破坏，过浅影响结合面的粘结强度。一般控制凿毛深度在20 mm、毛点密度250个/m2左右。

2）修补层外观控制。在人字柱喷射之前需要安装模板来控制修补层的外观尺寸。模板制成中空形式。模板宽度决定修补厚度，制作时要严格控制。模板两两对侧安装，外缘距人字柱表面留有需要修补的厚度2.5 cm。当喷层达到终凝后，进行模板拆除。

3）喷射高性能微缩低胶骨比砂浆。先清洗待喷射表面，使其浸透水分并处在面干状态，然后喷射。喷射由喷射手和喷射机操作手协同完成，喷射机操作手主要控制喷射工作压力和保持上料均匀，喷射手要控制喷射角度、喷射距离、喷射时的水灰比及掌握喷射基本方法进行喷射。喷射厚度分两次完成，第一次喷射厚度1.5～2.0 cm，第二次喷射厚度0.5～1.0 cm。

4）喷射后的修整。 修整开始时间以喷层砂浆不粘手为宜，大约在喷射后20 min左右。修整用0.7 mm的张紧割线，紧贴两侧模板边缘刮除喷层多余部分，直至表面平整。刮除过程用力要轻，避免扰动整个喷层，同时以一个方向进行。

5）妥善养护完成修补过程。实践证明初期养护最重要，修补后的3～4 d内修补层干缩速度最快，是产生裂缝的关键时期。养护初期不仅要使修补层始终保持湿润状态，而且要避免环境影响使修补层产生过大的温差。养护时间要达到14昼夜。

4 结语

采用喷射特种混凝土加表面修整施工工艺对工程进行薄层修补，不仅达到了补强目的，并且具有良好的外观，同时该技术可使喷射过程中时的正常回弹减少，节约了正常施工中的材料投入，上述优点在工程修补应用中均得到证实。