既有建筑混凝土结构耐久性修复技术综述

郭向勇，王建军，2，李东彬，2

（1.中国建筑技术集团有限公司，北京 100013；2.北京市既有建筑改造工程技术研究中心，北京 100013）

0 引言

钢筋混凝土作为当今工程建设中最常用的结构材料，应用于建筑已有逾百年的历史。随着建筑的使用年限越来越长，钢筋混凝土结构耐久性问题也越来越突出。我国已进入新建建筑和存量建筑改造并重的时代，既有建筑改造规模越来越大，改造内容越来越丰富，提升混凝土结构耐久性是增长既有建筑使用寿命的根本，既有建筑混凝土结构耐久性改造越来越受到重视。就发展进程来说，发达国家混凝土耐久性修复技术的实践比我国早 20～30 年［1］。修复理论和修复技术健全，形成了可供借鉴的丰富实践经验和理论成果。本文系统梳理了混凝土结构耐久性修复的使用材料和技术类型，在提炼归纳国内外混凝土结构耐久性修复技术发展经验和研究前沿的基础上，从材料损伤程度的角度划分修复技术，并且围绕既有建筑混凝土结构耐久性修复技术，分析了混凝土耐久性损伤起因及耐久性评估，耐久性修复使用的材料选择的内在规律，以期提高既有建筑混凝土结构耐久性修复工程的质量与效率，促进既有建筑混凝土结构耐久性修复技术的推广与发展。

1 损伤起因及耐久性评估

1.1 混凝土耐久性损伤起因

耐久性是指建筑物抵抗气候作用、化学腐蚀、物理作用或任何其他破坏过程的能力［2］。建筑物经受长时间环境侵蚀后，其结构和材料的耐久性有不同程度的退化和损伤。对于既有建筑常年受到外界环境的侵蚀作用，并且混凝土本身质量、表面粉刷装修面层以及环境因素都对钢筋混凝土结构的耐久性有重要影响。混凝土强度低、密实性差、表面无防护以及潮湿、温差变化大的环境等因素都对混凝土耐久性产生不利影响。

钢筋混凝土结构由钢筋和混凝土两种材料构成，因此其耐久性损伤一般是从混凝土或钢筋劣化开始。从钢筋混凝土结构耐久性损伤的机理来看，可将材料耐久性损伤分为化学作用引起的损伤和物理作用引起的损伤两大类。由化学作用引起的材料损伤主要有混凝土碳化、钢筋锈蚀、碱-骨料反应、氯离子及硫酸盐侵蚀；由物理作用引起的材料损伤主要有混凝土冻融破坏、磨损、碰撞等。国内外工程调查资料表明，钢筋锈蚀是混凝土结构最普遍、危害最大的耐久性损伤，在环境相对恶劣的条件下，钢筋严重锈蚀往往使结构达不到预期的使用寿命［3］；在严寒或寒冷地区，冻融破坏也是常见的耐久性损伤；对于长期潮湿或接触水的环境，需考虑可能发生的碱-骨料反应、钙矾石延迟反应和软水溶蚀等的影响；对于风沙环境，需要考虑冲刷、磨损对混凝土表面损伤的影响。

1.2 既有建筑混凝土结构耐久性评估

既有建筑混凝土结构耐久性修复首先应对其进行耐久性评估。混凝土结构耐久性评估包括资料收集与现场查勘、不同环境条件下耐久性评定。

1）资料收集与现场查勘。对混凝土结构进行耐久性评估前，需要对混凝土结构所处的环境进行调研，对混凝土结构外观损伤状况、混凝土结构几何尺寸、混凝土渗透性、混凝土抗压强度、混凝土碳化深度、混凝土中氯离子含量以及混凝土保护层厚度、钢筋位置、钢筋直径进行系统地资料收集与现场查勘。

2）混凝土结构耐久性评定。根据现行国家标准 GB/T 51355－2019《既有混凝土结构耐久性评定标准》，混凝土结构耐久性分构件、评定单元两个层次，按 3 个等级进行评定；评定单元根据所处环境条件、结构使用功能、结构布置等情况划分。通过评定分门别类有针对性地对损伤混凝土结构进行修复。

混凝土结构耐久性按照明确评定目的、范围和内容、初步调查、制定检测与评定方案、现场调查与检测损伤、分析与评定、编写评定报告等工作程序进行评定。混凝土结构评定时所处的环境条件从宏观大环境和局部小环境的影响进行考虑。结构或构件的重要性和可修复性用于调整混凝土结构耐久性的安全裕度。一般来说，目标使用年限越长、结构或构件的重要性越高、可修复性越差的结构，耐久性评定时安全裕度适当提高，以保证结构或构件具有足够的安全储备。开展耐久性评定时，根据不同环境类别和评定需要确定检测项目。当既有混凝土结构可能存在多种耐久性环境时，按不同环境类别选择检测项目。然而混凝土是一种非均质的复合材料，各构件甚至同构件不同部位之间混凝土质量差异很大，即便是在同一环境中，混凝土耐久性损伤往往有很大的差异。由于薄弱构件或部位对整个结构耐久性评定结果起控制作用，在进行混凝土结构耐久性评定时，对薄弱构件或薄弱部位，按最不利参数取值进行耐久性评定，并在评定报告中予以说明。因此，混凝土耐久性评估为既有建筑混凝土耐久性修复提供参考的依据。

2 既有建筑混凝土结构耐久性修复技术

2.1 修复使用的材料

2.1.1 修复使用材料总要求

既有建筑混凝土结构耐久性修复技术以修复材料为基础，用于既有建筑混凝土耐久性修复的材料有多种，如何有针对性地选择适合每个耐久性修复工程具体情况的材料和修复技术至关重要。因此，修复材料选择以修复后混凝土结构不低于设计要求，面层密实并且强度不低于设计强度，修复材料的抗冻等级不应低于原混凝土抗冻等级，修复使用的材料满足相关产品标准要求等为原则。选择混凝土损伤修复使用的材料时，应从混凝土结构所处的环境条件、混凝土损伤类型、损伤程度综合考虑。

值得注意的是，一个完整的修复材料体系，除了考虑修复材料的性能外，还应考虑原有旧材料和修复材料之间差异性问题［4］。这种差异性主要针对材料的收缩差异性和弹性模量差异性。选择修复材料时，应该尽量选用与原有旧材料收缩较为接近的材料，避免因为材料的差异性而产生应力。同时，应该选用与原有旧材料弹性模量接近的修复材料。由于弹性模量的差异，会导致修复结构应力重分布，无法发挥弹性模量较小材料的作用。

2.1.2 主要修复材料

混凝土结构修复材料按照应用范围可分为表层修补、开裂修补、钢材防锈和补强加固修复材料，修复材料性能应符合相关标准的规定。

1）表层修补材料。表层修补材料根据混凝土结构所处环境条件和损伤类型应具有环境适应性和抵抗外界侵蚀的能力，可采用无机材料、有机高分子材料以及复合材料如界面处理剂和修补砂浆，修补砂浆的抗压强度、抗拉强度、抗折强度不应低于基材混凝土。表层修补材料与基材粘结牢固，在其运行期内，不应出现开裂、起皮现象。

2）开裂修补材料。开裂修补材料可分为表层修复材料、施压灌缝材料、填补防水材料 3 种类型。开裂修补材料应能与旧混凝土粘结性好且耐久可靠。表层修复材料如环氧胶泥、成膜涂料、渗透性防水剂等材料。环氧胶泥一般用于稳定、干燥裂缝的表面封闭，裂缝封闭后应能抵抗灌浆的压力；成膜涂料一般用于混凝土结构大面积表面裂缝和微细活动裂缝的表面封闭；渗透性防水剂遇水后能化合结晶为稳定的不透水结构，一般用于微细渗水裂缝迎水面的表面处理。施压灌缝材料如环氧树脂、甲基丙烯酸树脂、聚氨醋类等材料。填补防水材料如环氧树脂胶粘剂、水泥基聚合物砂浆以及沥青防水膏等材料。对于受力条件下的活动性开裂，应通过柔性材料修复。

3）钢材防锈材料。钢材防锈材料如防锈砂浆、钢筋阻锈剂、钢筋表层钝化剂和表面迁移型阻锈剂等。在进行钢筋阻锈时采用钢筋阻锈剂抑制混凝土中钢筋的电化学腐蚀；防锈砂浆一般掺入适量的掺入型阻锈剂进行钢筋阻锈，其各项性能应满足设计要求；钢筋表层钝化剂涂刷在已锈蚀的钢筋表面，要求与钢筋粘接能力好；表面迁移型阻锈剂涂覆在混凝土表面，要求渗透到钢筋周围。

4）补强加固材料。补强加固材料采用浇筑新的混凝土和植入新的钢筋。浇筑的新的混凝土力学性能应高于被修复的混凝土基材；新浇筑的混凝土应与旧混凝土紧密结合。替换或植入新的钢筋各项性能应满足设计要求。

2.2 修复技术

混凝土结构耐久性修复技术按照材料损伤程度划分为表面修复、裂缝修复、钢筋阻锈、补强加固等修复技术。

2.2.1 混凝土表面修复技术

混凝土表面修复技术根据混凝土表面损伤程度大小选择修复技术。

无粉刷装修面层的混凝土碳化已超过保护层时采用面层涂刷修复技术。使用如浸透型混凝土保护液涂刷在碳化混凝土表面，增强混凝土抵御进一步碳化的能力。混凝土结构表面损伤程度小且不影响混凝土结构安全时也采用面层涂刷修复技术。由于其表面涂层薄，涂刷材料应选用表面粘结力强且老化性能优良的材料。表面修复技术有无法深入裂缝内部的缺点，目前缺乏同时具有经济性好与防水性耐久性好的表面修复材料。

欧洲混凝土规范 EN 1504 和国际材料与结构研究实验联合会 RILEM 都把旧混凝土表面的处理视为混凝土修复工作中最为重要的内容［5］。当旧混凝土表面的粗糙度为 4～5 mm 时，粘结效果最佳，无需把旧混凝土表面处理的特别粗糙［6］。研究发现干燥状态下和饱和面干状态下粘结能力并无差别；而烘干和饱和湿润状态下，粘结能力降低［7］。在施工修复材料时，旧混凝土表面不能过干或者过湿。过干或者过湿会降低两者之间的粘结强度。一般认为在旧混凝土表面涂刷界面剂能够显著提高粘结强度。但是应该避免界面剂过厚，形成薄弱面，降低粘结强度［8］。

2.2.2 混凝土裂缝修复技术

裂缝修复技术根据混凝土结构物部位不同、开裂程度不同选择修复技术。

表面涂覆修复技术适用于裂缝宽度＜0.5 mm，对结构的强度影响不大，但会使钢筋锈蚀且有损美观的微细裂缝修复。将修复材料涂刷于裂缝表面，对于稀疏的细裂缝，可骑缝涂刷修复；对于密集的细裂缝，应采用全部涂刷修复。该技术的涂覆材料与旧混凝土基体之间没有反应性行为，仅能在基层表面形成一层很薄的憎水膜，因此对基体的修补增强作用较弱，而且一旦涂层受到损伤就会严重影响到混凝土结构的防护性能。

填充修复技术适用于裂缝宽度＞0.5 mm，数量少的宽大裂缝和钢筋锈蚀产生的膨胀裂缝。该技术在裂缝中嵌填各种修补材料。对于钢筋锈蚀引起的膨胀裂缝，应先沿裂缝将混凝土开凿成 U 型或 V 型槽，完全露出钢筋锈蚀部位，彻底除锈后在除锈的钢筋部位涂防锈材料，再填充修复材料。填充修复技术对结构有损伤的混凝土梁等构件不宜采用。该技术的长期修复效果有待进一步研究。

灌浆修复技术适用于裂缝宽度＞3 mm，宽度大、缝隙深的裂缝，尤其适用于混凝土结构受力产生的裂缝。沿裂缝将混凝土开凿成 U 型或 V 型槽，用电锯沿裂缝切割成 20°角的区域。清理凿槽表面，将选定的涂覆材料涂刷凿槽，涂刷厚度不宜过厚，然后将灌浆材料灌入裂缝内部，并用抹子压实。该技术操作过程复杂，对修复设备要求高，且灌入的修复材料通常具有污染环境的缺点。

2.2.3 钢筋阻锈技术

钢筋阻锈技术根据钢筋锈蚀程度、锈蚀原因、锈蚀部位等选择修复技术。

钢筋锈蚀通常是电化学腐蚀，阳极反应和阴极反应都是发生在钢筋和电解质界面之间的电化学反应。阴极保护是钢筋混凝土结构最常用最有效的电化学保护技术，但如果钢筋锈蚀是混凝土碳化引起的，则不适合用阴极保护技术。这是因为碳化混凝土会使混凝土电阻率增高，不利于阴极保护［9］，采用局部修复技术更为有效。

针对碳化引起的钢筋锈蚀，应先凿除钢筋表面疏松开裂混凝土，对钢筋彻底除锈，选用迁移性钢筋阻锈剂涂刷在经处理后的锈蚀钢筋表面进行阻锈。电化学除氯技术的修复效果比涂刷钢筋阻锈剂的修复效果要好，但考虑到涂刷阻锈剂的技术远比电化学除氯要简单方便，因此当钢筋混凝土构件初始锈蚀率不大时，选择涂刷阻锈剂的技术进行修复，且涂刷 3 层阻锈剂效果较好；当钢筋混凝土构件初始锈蚀率较大时，选择电化学除氯技术进行修复，且经济的修复时间为 6～8 周。但是钢筋阻锈修复技术如电化学除盐后钢筋自腐蚀电位负移，在侵蚀环境作用下易发生“二次腐蚀”；现有混凝土电迁移性阻锈剂主要是胺类或醇胺类有机物，在高碱性条件下，醇胺类有机阻锈剂的电离程度有限，在混凝土中的迁移阻锈效果有限。因此，研发在混凝土中快速迁移并在钢筋表面稳定吸附的其他种类化合物意义重大，并且电迁移性阻锈剂的有效阻锈基团在钢筋表面的吸附方式、吸附机理以及吸附膜的长期稳定性尚需进一步研究。

对有裂缝且受氯盐侵蚀严重的混凝土结构而言，可采用电化学脱盐与电沉积两种技术结合的脱盐与裂缝沉积愈合同步修复技术。虽然电沉积和电化学脱盐同为电化学修复技术，装置相似，但由于两者功能不一样，优化的试验参数并不一样。为实现脱盐与裂缝愈合同步进行，还需要进一步研究通电电流密度等参数的合理取值。

2.2.4 补强加固修复技术

补强加固修复技术通常包括围套加固技术、粘钢加固技术、碳纤维片材加固技术、预应力加固技术等。混凝土损坏严重，局部形成凹陷，钢筋呈现裸露、断裂或磨损，严重影响建筑物结构和安全，以及混凝土构件承载力不足引起的裂缝，必须采取补强加固修复技术。严重损坏部位采用植入新的钢筋和浇筑新的混凝土的修复技术，为提高混凝土的整体强度，在损坏严重的凹陷区域需要采取植筋后浇筑混凝土的措施。

围套加固技术适用于空间大的混凝土结构损伤修复。加固时，损伤部位的旧混凝土凿毛清洗，钢筋锈蚀的，应凿出钢筋，清除铁锈，需增配的钢筋根据裂缝开裂的程度由计算确定。该技术在一定程度上会减小建筑物的使用空间，增加结构自重，现场湿作业量较大，养护期较长，对建筑物的使用有一定影响。

粘钢加固技术适用于正常情况下的一般受弯、受拉结构构件的损伤修复。加固时，在混凝土结构表面采用建筑结构胶粘贴钢板，维护结构，提高结构承载力。该技术中结构胶耐久性能，在非静荷载作用下粘钢加固技术等有待进一步研究。

碳纤维片材加固技术适用于损伤的混凝土梁的加固。碳纤维片材利用建筑结构胶将碳纤维片材粘贴于梁的表面，对于有裂缝梁先进行裂缝处理，再进行碳纤维片材加固。加固时，梁的受弯加固，碳纤维片材应粘贴在梁的受拉区一侧。该技术中碳纤维易发生脆性破坏，抗冲击性能较差。

预应力加固技术适用于大跨结构以及采用其它修复技术无法加固或加固效果差的混凝土结构修复。加固时，预应力受力杆通过建筑结构胶粘结并采用膨胀螺栓锚定在旧混凝土上，结合面凿毛和清洁处理，通过外加预应力钢质受力杆对混凝土结构进行加固。

3 结语

在过去 40 年里，中国城镇化加速发展，建筑总量快速增长。然而已建的大量建筑工程中混凝土结构耐久性病害导致钢筋混凝土建筑物破坏造成巨大损失，既有建筑改造和老旧结构耐久性修复，对延长建筑寿命具有非常重要的意义和社会经济价值。既有居住建筑混凝土结构耐久性修复要从实际工程出发，在评估鉴定的基础上，针对不同的耐久性损伤采用不同的技术进行修复，发挥不同修复技术的最佳效力。本文通过阐述混凝土结构耐久性损伤起因及耐久性评估，并对各类修复技术的适用性进行了分析，为今后混凝土结构耐久性能提升提供参考。