CCCW应用于高温灼烧后混凝土加固修复研究

尚晓华+邵凯华

摘要：针对高温灼烧对混凝土造成的严重损害以及加固后出现的一系列问题进行了研究，阐述了高温对混凝土性能的影响，同时探讨了水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）应用于高温灼烧后混凝土加固修复的理论基础。结果表明：高温灼烧后混凝土性能发生显著变化，从理论上水泥基渗透结晶型防水材料能够改善高温灼烧后混凝土的性能，起到加固修复效果。

关键词：高温灼烧；钢筋混凝土；渗透结晶；加固修复

中图分类号：TU37

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22011004

1 引言

目前，混凝土结构仍然是世界上使用最多的建筑结构形式，虽然混凝土为热惰性材料，并具有较好的耐火性和耐热性，但是在经受高温灼烧时，同样也会造成材料性能的严重裂化，使得结构承载能力下降、变形增大等，从而威胁居者的生命安全。就现阶段我国的经济现状来看，对于经受火灾的建筑，尤其是超高层、大型建筑，如果推倒重新设计的话，将会浪费大量的人力、物力，因此高温灼烧后混凝土的加固修复显得尤为重要，然而现阶段的加固方法，如纤维增强复合材料加固法等，实践证明这些加固方法在短期内有效，但是在混凝土加固后继续服役的过程中，仍可能受到荷载、环境侵蚀等因素的影响，使得加固后的结构构件面临着各种问题的挑战，其结构性能也必然会随着时间退化，从而使得结构构件面临着再次加固的可能。水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）是一种防水材料，其中的活性化学物质能够以水为载体渗透进混凝土内部反应生成不溶性结晶体，填充在裂缝当中，以起到密实混凝土的作用，改善混凝土的性能。笔者综述了高温对混凝土性能的影响，同时探讨CCCW应用于高温灼烧后混凝土加固修复方面的理论基础。只有充分了解高温对混凝土造成的损伤以及CCCW的性能，才能更好的服务于实际工程。

2 高温对混凝土性能的影响

高温是造成混凝土材料损伤的重要因素之一，俞秋佳认为高温造成混凝土损伤的原因有两类：一类是应力损伤，高温作用会使混凝土内部出现应力，从而使得混凝土内部出现裂缝；另一类是化学损伤，当温度达到一定程度时，混凝土内部各组分会发生变化，从而使得混凝土结构趋于疏松。在宏观上表现为强度、刚度以及耐久性的降低。混凝土经常遭受火灾而导致其表面的温度短时间内迅速升高，对混凝土造成的损伤不容忽视。

2.1 高温对混凝土的力学性能的影响

结构设计的一项重要指标是混凝土的抗压强度，同时混凝土的其他强度指标与混凝土抗压强度有一定的相关性。

2.1.1 高温作用下混凝土强度的变化

众多的试验研究以及火灾情况调查显示，在高温作用下，混凝土的强度下降是不可避免的，其衰减情况与众多因素有关。

赵现省提到混凝土强度等级、冷却方式、骨料类别、配合比等均对混凝土强度造成影响，为探讨高温对混凝土强度的影响程度，赵现省等[2]在限定上述因素均相同的情况下，设计试验对混凝土的抗压强度、抗剪强度、劈裂抗拉等进行探讨，试验结果表明：混凝土的各项强度指标均随着温度的升高而降低，但下降幅度略有不同，其中混凝土的抗剪强度下降最为缓慢，而混凝土的劈裂强度下降最为剧烈。其中值得注意的是，混凝土的抗压强度在从室温升至300 ℃时基本保持不变，甚至有一定的增长，但当温度超过400 ℃时，抗压强度急剧下降。很多试验结果证实了这一方面，时旭东也通过试验研究得出在温度不超过300 ℃时，混凝土的抗压强度在常温抗压强度上下波动，当温度超过300 ℃时，混凝土的抗压强度接近呈线性下降趋势，当温度达到900 ℃时，混凝土的抗压强度不足常温抗压强度的10%。王孔藩对此做出了解释：出现这一现象的主要原因是混凝土的拮抗作用所致，在混凝土结构中，在高温作用下，混凝土内部一般会形成水蒸汽蒸压，在蒸压作用下，水泥水化反应被加速，这就导致了在300 ℃左右时，混凝土抗压强度出现反弹的情况，此时水泥水化的强度要高于高温对混凝土造成的损伤，但随着温度的继续升高，混凝土抗压强度降低是由于剩余未水化水泥熟料数目的降低以及高温对混凝土结构造成的损伤所致。当温度超过700 ℃时，将会出现爆裂现象，这一现象的发生是由于混凝土当中水蒸气在迁移过程中受阻产生的。

2.1.2 冷却后混凝土强度的变化

在实际火灾事故调查中，建筑物一般是在火灾发生一段时间后倒塌，从而威胁居住者的生命财产安全，因此探讨火灾作用后混凝土的性能以及最佳修复期显得尤为重要。

王孔藩通过设置自然冷却与喷水冷却两种冷却方式，对高温冷却后的混凝土抗压性能进行试验研究，其试验结果抗压强度折减系数如表1所示，为保守起见，混凝土抗压强度出现反弹时折减系数记为1.00。从表中可以看出温度低于200 ℃时，混凝土抗压强度基本保持不变，其后随温度的升高，混凝土抗压强度逐渐降低，并且喷水冷却混凝土抗压强度急剧下降，高温下混凝土抗压强度下降较为缓和，自然冷却情况下混凝土抗压强度下降介于两者之间，这一现象是由于混凝土在冷却过程中，内外温差导致混凝土内部出现大量收缩裂缝所致，而喷水冷却加剧了这一现象。安然也通过试验研究得出高温冷却后，喷水冷却情况下混凝土抗压强度要低于自然冷却情况下混凝土抗压强度。但是贾福萍等试验结果显示，在经过250 ℃高温后，喷水冷却混凝土抗压强度低于自然冷却混凝土抗压强度，但当温度升高到450 ℃以及650 ℃时，自然冷却混凝土抗壓强度却低于喷水冷却混凝土抗压强度这一反常现象，对于这一现象出现的原因还有待于进一步的试验研究探讨。

同时贾福萍在试验过程中还发现，当经受850 ℃高温时，混凝土试块外观形状较为完整，但是在外界环境中放置一段时间后，试件出现较为严重的坍塌现象，这一方面对火灾以及高温后建筑物的承载能力的评估具有一定的指导意义。因此可以推断出经受高温后混凝土抗压强度存在一定程度的滞后效应，应该在混凝土抗压强度衰减期结束之后进行相应的检测鉴定，或者在衰减期内进行评估时，应对混凝土残余抗压强度进行折减。

2.2 高温对混凝土耐久性的影响

火灾对人民的生命财产问题造成极大的威胁，不仅仅是火灾后结构的承载能力能否满足正常使用的要求，同时火灾给混凝土结构长久性能带来的问题（即耐久性问题）也不容忽视。火灾后混凝土的耐久性问题是多方面的，需要进行综合分析，确定主导因素做到有的放矢，才能最大程度上减少灾后混凝土耐久性造成的问题。

由于建筑物中存在著PVC材料，因此在高温分解的情况下，火灾烟雾中存在着大量的氯离子成分，从而对混凝土耐久性问题造成严重影响。一般情况下，PVC材料在200～300 ℃高温下会迅速分解产生HCl气体。张奕通过试验研究发现，HCl气体在较高温度下极易与混凝土结合，导致在火灾后混凝土构件表层区域有大量的氯离子存在，当这部分氯离子渗透到钢筋表面的时候，会加速钢筋的锈蚀，严重影响混凝土结构的耐久性。

火灾过程中，引起混凝土的中性化区域与混凝土碳化区域有着较为相似的化学性质，但是发生的机理却有所区别。高温引起的混凝土中性化问题主要是由于混凝土中的高碱性胶凝材料在400 ℃时发生分解，在温度达到500 ℃时基本分解完全，从而导致混凝土碱性降低，同时火灾过程中产生的各种酸性气体也能导致混凝土碱性降低。对于高温导致混凝土中性化的区域，一般采用酚酞试剂，但由于受到受火位置、受火时间以及受火面积等各种因素的影响，因此这种确定方法具有很大的离散性。为了准确评估高温导致混凝土结构的损伤程度，张奕采用温度场分布推求高温引起混凝土中性化的深度，具有很好的借鉴意义。

由于我国火灾对混凝土结构耐久性理论研究还不够成熟，对灾后混凝土结构耐久性问题鉴定标准也不是很完善，导致对火灾后混凝土结构的鉴定工作忽略了混凝土耐久性方面的鉴定，使火灾后混凝土结构的损伤评估缺乏准确性和系统性，使得不少火灾后建筑结构的加固修复后若干年内出现严重的耐久性问题。由此可见，高温灼烧后，混凝土的承载能力以及耐久性能均降低，因此对于高温灼烧后混凝土的加固修复显得尤为重要。

3 水泥基渗透结晶型防水材料

3.1 渗透结晶作用机理

对于水泥基渗透结晶型防水材料的渗透结晶作用机理，目前比较认可的有两种：沉淀反应机理和络合沉淀反应机理。

3.1.1 沉淀反应机理

在涂刷初期，水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质以水为载体，渗透到混凝土内部，与其中的氢氧化钙等物质反应，生成不溶于水的结晶物质，填充在混凝土内部裂缝与孔隙当中，密实混凝土，同时活性化学物质能够与钢筋表面的氧化物质反应，生成一层钝化膜，起到保护钢筋的作用，从而改善钢筋混凝土的整体性能。由于水在此反应过程中既起到溶剂载体的作用，又起到反应物质的作用，因此当混凝土处于干燥状态时，其中的活性化学物质会以固体形式存在，也即“休眠”状态。当混凝土再次受到外界作用，产生结构性裂缝时，水会再次侵入混凝土，而其中的活性化学物会再次被激活参与反应生成结晶物质，密实混凝土。

3.1.2 络合沉淀反应机理

水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质在随水向混凝土内部渗透的过程中，在氢氧化钙等物质的高浓度区，会与其中电离出的钙离子络合，生成不稳定的、溶于水的络合物，络合物在随水继续渗透的过程中，当遇到活性更高的未水化水泥或水泥凝胶体时，活性物质会被硅酸根离子取代，生成不溶于水的结晶体，填充在混凝土内部，而活性化学物质会随水继续渗透，循环反应。当混凝土处于干燥状态时，其中的活性化学物质处于“休眠”状态，当有水侵入时，活性化学物质会被再次激活参与到反应当中。

3.2 水泥基渗透结晶材料对混凝土耐久性的研究现状

影响混凝土结构耐久性的因素有很多，其中主要因素有氯离子侵蚀、碳化反应等。

3.2.1 碳化反应

在通常情况下，空气中的二氧化碳气体会不断的与混凝土内部的氢氧化钙发生发应，从而破坏混凝土的碱性环境。同时，碳化还会引起混凝土的收缩，使得混凝土产生裂缝，进而影响混凝土的性能。

雷晓东等[10]通过碳化试验研究，探讨水泥基渗透结晶型防水材料对新旧混凝土抗碳化能力的影响，试验结果表明：在试验初期，旧混凝土构件的碳化深度要高于新浇筑混凝土的碳化深度（这可能是由于旧混凝土构件在服役阶段，已经产生一定的碳化深度），但随着时间的推移，旧混凝土与新混凝土的碳化速度基本一致。韩雪莹等通过碳化试验研究，结果表明水泥基渗透结晶型防水材料能够明显提高混凝土的抗碳化能力，但当混凝土强度等级超过C40以后，效果不是很明显；此外，在适当延长养护龄期的情况下，可以降低混凝土的碳化速度，增强渗透结晶效果。

3.2.2 氯离子侵蚀

在沿海地区，其中的盐溶液（氯化物）会渗透到混凝土当中，侵蚀钢筋，而其中的酸根离子会破坏混凝土的碱性环境。

刘蔚等通过试验研究，将涂布与未涂布XYPEX的构件浸泡在NaCl溶液中，结果表明水泥基渗透结晶型防水材料能够显著提高混凝土表层的密实性，提高抵抗氯离子侵蚀的能力。根据澳大利亚建筑研究中心建筑环境部的研究成果，在3个月的氯化物闭水环境中，构件在未加入水泥基渗透结晶型防水材料试件的有效氯离子扩散系数比加入水泥基渗透结晶型防水材料试件的有效氯离子扩散系数多出好几倍。

综上所述，水泥基渗透结晶型防水材料能够通过渗透结晶作用增强混凝土的密实性，改善混凝土的耐久性能。

4 CCCW应用于高温灼烧后混凝土加固修复效果的探讨

从以上的综述以及讨论可知，水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质以水为载体，渗透到混凝土内部，与其中的氢氧化钙等物质发生结晶反应，这其实是渗透与结晶的两个过程，结晶物质在混凝土裂缝当中逐渐积累，使得混凝土沿纵深方向形成一个致密的区域，提高混凝土的强度以及耐久性，从而改善混凝土的性能。而水泥基渗透结晶型防水材料中活性化学物质以及渗透结晶的深度不仅仅与材料本身有关，同时还取决于混凝土基层特性，应用在不同混凝土基层上的渗透结晶深度是不同的，水泥基渗透结晶型防水材料要想更好地发挥渗透结晶作用，混凝土基层必备三个条件：①混凝土中有足够的裂缝或者连通的毛细孔。没有足够的毛细孔或裂缝的存在，水泥基渗透结晶型防水材料不能渗透，就更谈不上其渗透结晶密实混凝土的作用；②水的存在。水不仅是水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质进入混凝土内部的载体，同时也是参与反应的物质，因此水的作用是不容忽视的；③游离的氢氧化钙等物质的量。

从高温灼烧混凝土自身情况来看：①高温灼烧对混凝土的影响主要表现为应力损失导致的混凝土裂缝以及物理化学变化导致的混凝土内部结构的疏松，从而使得混凝土有足够的裂缝及连通的毛细孔，水泥基渗透结晶型防水材料能够很好地渗透进入混凝土内部进行结晶；②渗透压力。由于高温使得混凝土内部比较干燥，因此在涂抹之前先将基层表面充分湿润，水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质在涂抹初期可以通過渗水进入混凝土内部。随着涂抹时间的增长，混凝土趋于饱和状态时，渗透压力逐渐转变为化学梯度（由浓度差产生），由于混凝土内部存在的活性物质浓度相对较低并且在移动过程中逐渐反应减少，导致混凝土表层浓度要远大于内部浓度，只要浓度差产生的化学驱动力大于水压力，活性化学物质就会源源不断地以水为载体渗透到混凝土内部。

高温对混凝土造成的损伤，有利于水泥基渗透结晶型防水材料渗透结晶作用的发挥，理论上该材料是一种修复高温灼烧混凝土的理想材料。

5 结语

高温灼烧对混凝土结构的强度产生严重的影响，同时随着时间的推移，对混凝土耐久性方面的不利影响也逐渐凸显出来，因此对高温灼烧后的混凝土结构的加固，不能仅仅局限于混凝土结构强度方面，同时要考虑到混凝土结构耐久性方面。而传统加固方法仅仅局限于混凝土结构强度方面，对混凝土结构的耐久性方面贡献较小甚至没有贡献。而水泥基渗透结晶型防水材料，从作用机理来看，不仅仅能够提高混凝土结构的强度，同时能够通过长期作用，改善混凝土的密实性，从而从长久方面改善混凝土结构各方面的性能。但是对水泥基渗透结晶型防水材料在实际工程中应用于高温灼烧混凝土的加固修复还存在着许多疑问，今后的研究者应从以下几个方面进行改进。

（1） 从现有的研究成果来看，对水泥基渗透结晶型防水材料的研究多集中于抗渗方面的研究，对其改善混凝土结构力学性能方面的研究相对较少，同时对水泥基渗透结晶型防水材料的研究缺乏系统性以及深入的试验研究。因此应尽快建立系统的试验方法，探讨水泥基渗透结晶型防水材料对混凝土结构的综合性能的影响。

（2） 目前水泥基渗透结晶型防水材料改善高温灼烧混凝土性能的试验探讨相对较少，因此能否在实际工程中应用于混凝土加固修复不得而知，但从理论方面来看，水泥基渗透结晶型防水材料是改善高温灼烧混凝土的一种理想材料。因此应进行相关方面的试验研究，探讨水泥基渗透结晶型防水材料能否应用于改善高温灼烧混凝土结构方面。

（3） 尺寸效应的影响。目前对水泥基渗透结晶型防水材料性能方面的研究，多集中于小构件，与实际工程用到的实际构件尺寸相差较大，导致即使在试验当中效果明显，但是在实际工程中能否应用不得而知。因此应进行实际工程尺寸构件的试验探讨或者建立试验数据与实际工程方面的相关性显得尤为重要。

参考文献：

[1]俞秋佳. 受损结构混凝土的耐久性能研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[2]赵现省，陈雄飞. 火灾对钢筋混凝土结构力学性能的影响分析[J]. 特种结构，2014，31（3）：7～10.

[3]时旭东，过镇海. 高温下钢筋混凝土受力性能的试验研究[J]. 土木工程学报，2000，33（6）：6～16.

[4]安 然，王清远，阎慧群，等. 高温后混凝土力学性能研究[J]. 工程结构，2005，25（6）：69～72.

[5]贾福萍，王永春，渠艳艳，等. 冷却方式和静置时间对高温后混凝土残余强度的影响[J]. 建筑材料学报，2011，14（3）：400～405.

[6]贾福萍，吕恒林，崔艳莉，等. 不同冷却方式对高温后混凝土性能退化研究[J]. 中国矿业大学学报，2009，38（1）：25～29.

[7]张 奕，金伟良. 火灾后混凝土性能结构耐久性的若干研究[J]. 工业建筑，2005，35（8）：93～96.

[8]曾跃飞，邓 浩. 火灾后混凝土构件耐久性损伤评估与鉴定[J]. 长春工程学院学报（自然科学版），2007，8（2）：27～30.

[9]黄洪胜，张明强，李铁军，等. 水泥基渗透结晶型防水材料在路桥工程中的应用[J].建筑材料，2011，10（91）： 27～30.

[10]雷晓东，姚 莉. 水泥基渗透结晶材料提高混凝土结构特性的探讨[C]∥中国建筑学会.新防水堵漏工程标准宣贯与技术研讨会论文集.银川：中国建筑学会防水技术专业委员会，2011：135～139.

[11]韩雪莹，张 新，杨 亮，等. 水泥基渗透结晶型防水材料提高混凝土耐久性试验研究[J]，中国建筑防水，2006（8）：18～20.

[12]刘 蔚. 水泥基渗透结晶材料对混凝土耐久性影响的试验研究[J]，交通世界（建养机械），2013（6）：200～201.

[13]张光辉. 混凝土结构硫酸盐腐蚀研究综述[J]，混凝土，2012（1）：49～54.

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