劉 磊

混凝土碳化是指混凝土中的水化產(chǎn)物與環(huán)境中的CO2發(fā)生反應生成其他物質(zhì)的物理化學過程。隨著混凝土被碳化，其表面硬度、密度會有不同程度的提高，孔隙液的PH值則會降低；當PH值降低到一定程度時就會導致鋼筋鈍化膜破壞、出現(xiàn)銹蝕同時伴隨著體積膨脹，最終導致整個建筑物的破壞。

一、水工混凝土的防碳化處理材料

由于歷史原因，我國有許多水工建筑物存在著混凝土密實性差、碳化剝落嚴重的現(xiàn)象。目前，對水工混凝土的碳化破壞處進行修補已成為保證工程正常運行的重要技術(shù)手段之一，已有許多工程采用了不同的材料進行防碳化處理，取得了一定的經(jīng)驗和成果。

水工混凝土防碳化處理防護修補材料主要分無機和有機以及結(jié)合兩者特點而組成的聚合物水泥基材料三類。無機修補材料是以硅酸鹽水泥為基料并摻有硅砂等多種特殊活性化學物質(zhì)的粉末狀材料，故又稱水泥基修補材料。有機修補材料是選用不飽和聚酯樹脂（如環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂）、固化劑、增韌劑、稀釋劑和填料等組成修補材料，亦稱樹脂基修補材料。聚合物水泥基修補材料是通過向水泥砂漿中摻加聚合物乳膠改性而制成的一類有機無機復合修補材料。

丁苯膠乳（SBR）是常用的聚合物之一，它加入水泥砂漿后形成的SBR改性聚合物水泥砂漿（簡稱SBR砂漿）具有優(yōu)異的物理力學性能和耐久性，對修補防護工程有較強的適應性，應用于嶂山閘、蚌埠閘等工程均取得令人滿意的效果。

二、SBR砂漿的優(yōu)點及作用機理

采用SBR砂漿進行混凝土表面防護處理具有以下優(yōu)點：①SBR砂漿對混凝土的防護效果較好。②SBR乳液在水泥砂漿中摻量較少，單價相對較低，工程總投資增加不多，但卻大大提高了水泥砂漿的抗?jié)B、抗碳化、抗裂性能及粘結(jié)強度。③SBR砂漿使用機械噴涂，操作十分簡單，且不含有害揮發(fā)物質(zhì)，施工人員不需要特殊的防護設備。

SBR乳液摻入普通水泥砂漿后，砂漿性能得到改善的主要原因是：①SBR乳液內(nèi)含有一定的高效分散劑，有效地阻礙了水泥顆粒凝聚，膠體粒子比水泥顆粒小很多，這些粒子粘附在骨料和水泥顆粒表面，從而使混合體即具有粘聚性又有很大的流變性。②SBR乳液在水泥砂漿混合物中隨水進入到各個角落，在水泥固化過程中，它也逐步失水聚合。聚合物包裹了水泥水化產(chǎn)物，形成一種帶有一定韌性的界面膜和填充部分毛細孔隙的不可逆的連續(xù)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使毛細管孔隙有效直徑減少,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，從而抑制了外界氣體與水的侵入。③SBR砂漿彈性模量低，適應變形能力高。④SBR乳液失水后產(chǎn)生相當?shù)恼辰Y(jié)力，可增大新老材料的粘結(jié)強度。

三、SBR砂漿在嶂山閘混凝土表面防碳化處理中的應用

嶂山閘位于江蘇省宿遷市，是一座以泄洪為主，兼有蓄水灌溉作用的大型水利工程。工程修建于1959年，1961年建成。由于受特定歷史條件影響，該閘存在著設計標準低、水泥用量偏少、施工質(zhì)量差等問題，致使混凝土的耐久性、密實性和均勻性都相對較差。1994年進行了啟閉機工作橋大梁及平衡砣混凝土的表面防碳化處理工作。

1.嶂山閘防碳化處理情況

適宜的施工工藝對保障防護工程的質(zhì)量、減輕勞動強度、降低防護費用和縮短工期等都起到較大作用。針對嶂山閘啟閉機工作橋的實際情況，表面防護方案主要分為混凝土表面基本無裂縫的部位處理方案和混凝土表面有順筋裂紋的部位的處理方案兩種，工藝流程如下：

①鑿除混凝土表面有順筋裂紋處的混凝土50mm；②增補鋼筋；③噴砂除銹及除去老混凝土表面浮層；④壓力水除塵；⑤拌制SBR砂漿，噴涂一遍在已鑿除表面的混凝土處；⑥拌制普通水泥砂漿，修復鑿除處的混凝土斷面；⑦拌制SBR砂漿，噴涂三遍至所有需要防護的混凝土表面；⑧噴水養(yǎng)護。無裂縫的部位如啟閉機工作橋底面的表面防護只需要按上述第③、④、⑦、⑧四個步驟進行即可。

嶂山閘表面防碳化處理的施工機械十分簡單，只需要空氣壓縮機、噴砂槍和普通的建筑涂層噴槍?？諝鈮嚎s機制得的壓縮空氣輸送到噴砂槍內(nèi)，用來噴砂除銹或除去老混凝土表面的浮層；壓縮空氣輸送到建筑涂層噴槍內(nèi)，用來噴涂SBR表面修補材料。噴嘴直徑可根據(jù)SBR砂漿的性能、砂子粒徑、噴涂面的大小、工作壓力選用不同口徑。

2.嶂山閘SBR砂漿的性能

嶂山閘采用了SBR砂漿作為工程的防護材料，主要技術(shù)性能指標如下：

抗急冷急熱變化：砂漿在混凝土試件涂抹3mm厚，然后經(jīng)從80℃立即到-18℃的溫度下分別保持3小時的25個循環(huán)后，用40倍放大鏡觀察，SBR砂漿層完好如初。耐侵蝕性：SBR砂漿的切片置入19%鹽酸溶液中浸泡24小時后觀察，該切片完整，溶液清晰。

3.嶂山閘防碳化處理效果

為了解SBR聚合物砂漿防護效果，對啟閉機工作橋大梁進行了外觀檢查和現(xiàn)場取芯，觀測已在工程上應用13年后的SBR砂漿和其防護下的混凝土的碳化的情況具體如下：

啟閉機工作橋大梁防碳化層表面完整，構(gòu)件表面無裂縫和孔隙，大梁碳化層混凝土顏色發(fā)黃，混凝土內(nèi)鋼筋完好未銹蝕。SBR砂漿防碳化層表面完整，表面無裂縫和孔隙，SBR砂漿與老混凝土已成為一體共同抵抗外界的碳化作用。

在拆除的3片啟閉機工作橋大梁上分別鉆取數(shù)個混凝土芯樣，并測量混凝土表面SBR砂漿的厚度及碳化深度和大梁混凝土碳化深度。SBR砂漿厚度實測值為1.0～4.2 mm，平均值為2.3 mm，標準差0.66mm。SBR砂漿碳化深度實測為0～1.0 mm，平均碳化深度為0.43mm，標準差0.36mm。啟閉機工作橋大梁混凝土碳化深度平均值為66.30mm，最小值45mm，最大值82mm，標準差8.88mm。

從SBR砂漿的檢測結(jié)果來看，經(jīng)過了13年的實際應用，SBR砂漿已碳化層尚不到厚度的20%，這充分說明了SBR砂漿抗碳化性能是非常優(yōu)異的。按照碳化深度數(shù)學模型和SBR砂漿厚度及其碳化深度呈正態(tài)分布的特點來推算，目前SBR砂漿的防護作用保證率在99%以上；如按95%的設計保證率來考慮，SBR砂漿層失去防碳化能力至少還需30年，即平均厚度2.3mm的SBR砂漿在嶂山閘所處的環(huán)境中預計要經(jīng)過43年后才開始失去對混凝土的保護作用。

從混凝土的碳化深度來看，2002年安全檢測時該構(gòu)件混凝土碳化深度在35～88mm間，平均碳化深度為65mm，標準差為11.56mm。在使用SBR砂漿對已經(jīng)嚴重碳化的混凝土進行防護后，混凝土碳化深度平均值為66.30 mm，標準差8.88mm。按照理想狀態(tài)，SBR砂漿層完全隔絕了外界CO2向混凝土內(nèi)部擴散的通道，在SBR砂漿層沒有完全碳化前混凝土不會繼續(xù)碳化。實際上老混凝土在漫長的碳化過程中在完全碳化層和未碳化層之間形成了一個寬度不定的微碳化區(qū)，該處混凝土PH值同未碳化的混凝土相比已經(jīng)有一定程度的降低，但采用1%的酚酞酒精溶液來檢查時仍呈粉紅色，色澤同未碳化處相比可明顯觀察到其顏色偏淡。根據(jù)擴散理論—CO2濃度在混凝土中呈直線遞減、混凝土中CO2濃度由表面（和環(huán)境中相同）遞減至碳化區(qū)前緣為0的假設，因碳化深度不同而在混凝土內(nèi)部形成CO2等濃度面的跌宕起伏；當SBR砂漿層阻斷了外界CO2向混凝土內(nèi)部擴散的途徑后，混凝土內(nèi)部CO2濃度將重新分布而使部分微碳化區(qū)混凝土完全碳化。從兩次實測的具體數(shù)據(jù)來看，可證實上述觀點，即混凝土原先淺碳化區(qū)向內(nèi)繼續(xù)碳化，深碳化區(qū)則保持不變，此時碳化深度的正態(tài)分布圖形就體現(xiàn)為平均值增大、標準差減小的趨勢。

表1 SBR砂漿物理力學性能

表2 SBR砂漿抗裂及耐久性能

以上充分地證明了SBR砂漿對嶂山閘啟閉機大梁混凝土的碳化起到了非常重要的防護作用，它是保證嶂山閘啟閉機工作橋大梁繼續(xù)正常工作而不可缺少的一層結(jié)構(gòu)。

四、結(jié)論

1.根據(jù)嶂山閘實測的SBR砂漿厚度和碳化深度，初步預測其正常使用壽命約為43年（95%設計保證率）。從嶂山閘工程上實際應用情況來看，SBR砂漿對防止老混凝土進一步碳化起到了非常重要的防護作用，它是保證工程正常運用不可缺少的一層結(jié)構(gòu)。

2.根據(jù)SBR砂漿的物理力學性能及耐久性能試驗結(jié)果和嶂山閘等工程上實際應用情況來看，在正常環(huán)境條件下，采用SBR砂漿進行混凝土表面防碳化處理時，砂漿層的設計厚度4mm可以滿足安全使用要求。

3.采用SBR砂漿進行混凝土表面防護處理具有性能優(yōu)異、操作簡單、防護效果好、投資少且不含有害揮發(fā)物質(zhì)，對環(huán)境和人身均無污染和毒害作用，因此應大力推廣SBR砂漿作為水工建筑物混凝土表面防護材料