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

盡管我們對(duì)混凝土修補(bǔ)和修補(bǔ)工程的復(fù)雜性認(rèn)識(shí)有了明顯的進(jìn)步，但早齡期修補(bǔ)的失敗已成為一個(gè)主要的問(wèn)題。近期的一個(gè)研究報(bào)告稱，在200個(gè)混凝土修補(bǔ)工程中，只有約半數(shù)成功。失敗的原因總結(jié)為：

對(duì)于破壞原因的不正確判斷；

修補(bǔ)設(shè)計(jì)方案不正確；

修補(bǔ)材料選擇不恰當(dāng)；

修補(bǔ)操作不合格。

一個(gè)設(shè)計(jì)較好的規(guī)范應(yīng)該對(duì)工程師、承包商、材料供應(yīng)商和質(zhì)量控制人員而言都是一個(gè)指導(dǎo)線路圖。但是，正如沒(méi)有正確地勘查就畫不出地圖一樣，對(duì)問(wèn)題不經(jīng)過(guò)仔細(xì)的判斷，就無(wú)法制定出修補(bǔ)規(guī)范。修補(bǔ)的耐久性是要考慮的最重要的因素，在一個(gè)技術(shù)方案中要妥善處理，因此修補(bǔ)設(shè)計(jì)必須側(cè)重于耐久性。修補(bǔ)操作的不合格可能是由于質(zhì)量控制不充分導(dǎo)致的。而實(shí)際操作可能超過(guò)了制定者的控制，規(guī)范與質(zhì)量控制是相互依賴的關(guān)系?？傊?，質(zhì)量控制人員的主要任務(wù)是確保修補(bǔ)操作按照規(guī)范執(zhí)行，但需假定質(zhì)量技術(shù)規(guī)范是完善的。

但是，我們?yōu)楸泵乐贫ㄐ扪a(bǔ)規(guī)范工作的經(jīng)驗(yàn)，包括海洋建筑、橋、車庫(kù)和工廠，都清晰地顯示，好的技術(shù)規(guī)范是罕見(jiàn)的。搜索實(shí)際的工程方案，我們發(fā)現(xiàn)，許多工程師簡(jiǎn)單地將Band-Aid?應(yīng)用于危樓結(jié)構(gòu)，而不是基于大量的工程經(jīng)驗(yàn)而研究出一個(gè)復(fù)雜的補(bǔ)救措施（圖1）。

能否指定性能？

我們判斷，修補(bǔ)規(guī)范發(fā)展緩慢與性能規(guī)范的日益普及有關(guān)。有觀念認(rèn)為規(guī)定最終結(jié)果通常是好的，但這種觀念并不適于混凝土修補(bǔ)領(lǐng)域。除非要求的性能標(biāo)準(zhǔn)和可靠的評(píng)價(jià)技術(shù)已完善并被廣泛接受，否則可能由于本身的復(fù)雜性，不能夠超出規(guī)范應(yīng)用性能要求。

許多規(guī)定的性能要求不是重點(diǎn)，很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵谔幚磉@些要求時(shí)沒(méi)有實(shí)際意義。如果一個(gè)特別的性能或其它規(guī)定條款不能被實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量或控制，那么它就不應(yīng)被規(guī)定。

圖1 修繕設(shè)計(jì)和撰寫相關(guān)技術(shù)方案要求由工程師指揮對(duì)現(xiàn)狀做一個(gè)全面評(píng)估

考慮到對(duì)修補(bǔ)材料的性能要求，采納“混凝土修補(bǔ)材料的選擇指南（ACI 546.3R-06）”能夠大大改善結(jié)果。而其它許多修補(bǔ)特性，比如電化學(xué)活性，則既未可知也不可預(yù)測(cè)。

在要求關(guān)于修補(bǔ)被氯化物和海洋環(huán)境腐蝕的受損結(jié)構(gòu)的性能要求時(shí)，更需要警覺(jué)。應(yīng)當(dāng)全面理解將會(huì)發(fā)生的行為，考慮性能要求的方法將更適用；然而，這不適于腐蝕受損結(jié)構(gòu)被修補(bǔ)的情況，因?yàn)樵诳尚械膶?shí)驗(yàn)方法和實(shí)際操作中沒(méi)有經(jīng)證實(shí)其關(guān)聯(lián)性。連續(xù)腐蝕和腐蝕加速的風(fēng)險(xiǎn)，歸因于復(fù)雜結(jié)構(gòu)新舊混凝土的電化學(xué)不兼容性，除非規(guī)定全局的陰極保護(hù)，否則這種風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)常存在（圖2）。

沿著可導(dǎo)電連續(xù)鋼筋出現(xiàn)許多臨界的多種環(huán)境協(xié)同作用，除了應(yīng)力狀態(tài)的差異之外，也顯著增加了問(wèn)題的復(fù)雜性。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上修補(bǔ)部位的影響，化學(xué)組成的變化以及外來(lái)物質(zhì)的分布，氧氣、水分和其它因素對(duì)修補(bǔ)系統(tǒng)電化學(xué)性能的影響必須都要考慮。然而，這樣的指導(dǎo)性文件并不存在，因此對(duì)腐蝕結(jié)構(gòu)免費(fèi)修補(bǔ)是不現(xiàn)實(shí)的。

在修補(bǔ)規(guī)范中，不應(yīng)該出現(xiàn)“由工程師指導(dǎo)”的字樣。對(duì)真正需要的研究和認(rèn)識(shí)應(yīng)該去除這些沒(méi)有意義和多余的語(yǔ)句，這些語(yǔ)句給人感覺(jué)寫規(guī)范的人不正規(guī)和懶惰。而且，規(guī)范中這種不確定性使得健全的項(xiàng)目招標(biāo)變?yōu)椴豢赡堋谶@樣的規(guī)范指導(dǎo)下工作，像是在碰運(yùn)氣。

圖2 在被氯化物污染混凝土修補(bǔ)的部分會(huì)形成一個(gè)腐蝕電池。曲線A1代表修補(bǔ)區(qū)域的陽(yáng)極反應(yīng)，曲線A2代表現(xiàn)存含有氯化物混凝土的陽(yáng)極反應(yīng)。同時(shí)存在一個(gè)電化學(xué)潛力差（Erp-Esb），在現(xiàn)存混凝土中發(fā)展的陽(yáng)極區(qū)域腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于修補(bǔ)區(qū)域（Isb>>Irp）

對(duì)規(guī)范的看法

許多修補(bǔ)規(guī)范是參考標(biāo)準(zhǔn)、支付項(xiàng)目和從之前幾乎沒(méi)有考慮規(guī)范的工程中循環(huán)復(fù)制條款。在這些規(guī)范中，沒(méi)有一個(gè)混凝土補(bǔ)修標(biāo)準(zhǔn)。固有的變化主要取決于：

結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的物理和電化學(xué)狀態(tài)；

內(nèi)外環(huán)境的相互作用；

由于修補(bǔ)導(dǎo)致的變化；

大規(guī)模運(yùn)輸過(guò)程；

基體與修補(bǔ)之間的兼容和不兼容性。

影響混凝土修補(bǔ)系統(tǒng)性能的因素有內(nèi)在的和外在的。因此，對(duì)它們應(yīng)該正確地考慮，規(guī)范制定者（設(shè)計(jì)者）必須對(duì)物理和電化學(xué)現(xiàn)象，已存在基體和修補(bǔ)材料的相互關(guān)系，外部環(huán)境，以及基體和修補(bǔ)材料中的環(huán)境等方面都具有足夠的知識(shí)。當(dāng)設(shè)計(jì)需要確定一個(gè)已修補(bǔ)結(jié)構(gòu)的具體服役期或者下一次采取修補(bǔ)措施的具體時(shí)間的時(shí)候，這些知識(shí)尤為重要。

影響修補(bǔ)的關(guān)鍵因素

耐久性

對(duì)混凝土修補(bǔ)來(lái)說(shuō)，“耐久性”最實(shí)際的指標(biāo)是希望夠推遲下一次修補(bǔ)行為或替換結(jié)構(gòu)的時(shí)間。實(shí)施起來(lái)，對(duì)于一個(gè)修補(bǔ)工程來(lái)說(shuō)應(yīng)包括：

對(duì)待修補(bǔ)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的評(píng)估，仔細(xì)考慮在復(fù)雜修補(bǔ)系統(tǒng)中不同部分類似的連續(xù)破壞和問(wèn)題，制訂出實(shí)施方案。

耐久性計(jì)劃，包括修補(bǔ)結(jié)構(gòu)服役壽命的模型方法和經(jīng)驗(yàn)辦法（對(duì)連續(xù)腐蝕和破壞所能造成的性能、可能性以及風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)果仔細(xì)考慮）。

滲透性

鋼筋混凝土破壞的開(kāi)始及發(fā)展的一個(gè)基本的影響因素是水分的遷移。水中可以包含外來(lái)物質(zhì)，然后產(chǎn)生有害的物理、化學(xué)和電化學(xué)影響。

許多規(guī)范只參考ASTM C1202“混凝土抗氯離子滲透能力的電示標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法”來(lái)規(guī)定修補(bǔ)材料的抗?jié)B性。然而沒(méi)有同時(shí)參考干燥收縮限值去限制裂縫的延展，低抗?jié)B性是不能確定的。我們查閱了大量的規(guī)范，但還沒(méi)有找到一個(gè)對(duì)干燥收縮限制設(shè)立的情況。

當(dāng)規(guī)范了預(yù)先包裝的修補(bǔ)材料，則限制收縮值也通常給出了，但是沒(méi)有指明在什么齡期應(yīng)該滿足這個(gè)限值，那么這樣的要求是沒(méi)有意義的。ASTM C1571“預(yù)收縮砂漿或混凝土在開(kāi)裂和產(chǎn)生拉伸應(yīng)力特性時(shí)的齡期確定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法” 允許材料對(duì)開(kāi)裂的敏感性變化，它對(duì)于確定材料早期開(kāi)裂和選擇不易開(kāi)裂的混合材料來(lái)補(bǔ)救很實(shí)用。這個(gè)方法包括了從試樣成型開(kāi)始影響收縮開(kāi)裂的大量因素。但規(guī)范制定者們卻好像對(duì)這個(gè)對(duì)于修補(bǔ)材料很有必要的試驗(yàn)沒(méi)有意識(shí)到（或選擇忽略）。

同樣令人關(guān)注的是，低水膠比（w/cm）會(huì)減少收縮，這種說(shuō)法是錯(cuò)誤的。實(shí)際上，對(duì)于給定的一組成分，對(duì)混合物的收縮和裂縫潛能影響最大的是它的總膠凝材料含量。

水泥漿體的基本作用是膠結(jié)、填充和增加后期強(qiáng)度，然而，它也是混凝土收縮的來(lái)源。由于缺少骨料的約束，水泥凈漿的收縮是含有相同漿體的混凝土的4～5倍。因此，減少漿體量能夠最有效地減少收縮及開(kāi)裂，從而增加耐久性。

然而，我們找到許多要求水膠比約為0.3的高性能混凝土的規(guī)范。這些混合物要求加入減水劑，但這些外加劑能夠有效提高低水膠比混合物的工作性能，卻不能減少收縮的總量。有些時(shí)候，確實(shí)還會(huì)產(chǎn)生相反效果。ASTM C494“混凝土化學(xué)外加劑的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范”允許測(cè)試加外加劑的試樣比測(cè)試控制不加外加劑的試樣多35%的收縮。但看起來(lái)，修補(bǔ)規(guī)范的制定者對(duì)此不知道。材料尤其對(duì)于修補(bǔ)材料低裂紋趨勢(shì)的一些性能和因素列于表1。

表1 材料性能和修補(bǔ)開(kāi)裂項(xiàng)目的相關(guān)影響

材料強(qiáng)度

我們對(duì)規(guī)范的研究顯示，一個(gè)普遍的錯(cuò)誤觀念是，高強(qiáng)修補(bǔ)材料是有益的。我們還沒(méi)有讀到一個(gè)單獨(dú)關(guān)于制定允許硬化修補(bǔ)材料抗壓強(qiáng)度限值的規(guī)范。當(dāng)然，一個(gè)強(qiáng)度越大硬化越快的膠凝材料更容易開(kāi)裂，因?yàn)檩^高的彈性模量增加了由干燥收縮而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力以及其它受限體積變化。這種強(qiáng)度不兼容性同樣對(duì)受荷載的修補(bǔ)系統(tǒng)起到消極的作用。

工程材料的一個(gè)主要缺點(diǎn)不是缺少?gòu)?qiáng)度或硬化慢，而是缺少抵御裂縫的引發(fā)和擴(kuò)展。

同樣，對(duì)高強(qiáng)、早強(qiáng)修補(bǔ)材料不必要的規(guī)范也能引起許多問(wèn)題。對(duì)于普通的修補(bǔ)，這種材料有高收縮和開(kāi)裂的可能性較大。尺寸穩(wěn)定而非較高的早期強(qiáng)度是能夠達(dá)到長(zhǎng)期耐久性的條件。強(qiáng)度增長(zhǎng)率，除了硬化的整體程度，對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)、微細(xì)和大裂縫，以及膠凝材料的傳輸（滲透）性能有顯著影響。

一般速度的強(qiáng)度增長(zhǎng)（3天——達(dá)到最終強(qiáng)度的50%，7天——70%，28天——100%），水化產(chǎn)物具有充足的時(shí)間在水泥漿體中擴(kuò)散并均勻沉淀。強(qiáng)度增長(zhǎng)率快，水化速度超過(guò)了擴(kuò)散過(guò)程，導(dǎo)致水化產(chǎn)物在水泥顆粒附近保持靜止，留下的間隙相對(duì)開(kāi)放。這些相對(duì)密集的水化產(chǎn)物的沉積物將水泥包住，有時(shí)密封了水泥顆粒，阻礙了水和水化產(chǎn)物的擴(kuò)散，從而阻礙了進(jìn)一步的水化，與水化速度正常的材料相比，產(chǎn)生更多的開(kāi)放孔隙結(jié)構(gòu)。

總之，對(duì)于混凝土和其它膠凝材料，尤其那些暴露在嚴(yán)酷的環(huán)境中的膠凝材料，強(qiáng)度的增長(zhǎng)率是影響耐久性的關(guān)鍵。強(qiáng)度增長(zhǎng)慢的材料（如那些含有粉煤灰或礦渣水泥的材料）可能在這些條件下表現(xiàn)地更為出色。

應(yīng)該規(guī)范和應(yīng)用具有可接受的、最小的早強(qiáng)性能的修補(bǔ)材料。如果實(shí)際可行，應(yīng)該規(guī)范一段時(shí)期內(nèi)的抗壓強(qiáng)度而不是28天抗壓強(qiáng)度。這種規(guī)范的抗壓強(qiáng)度不應(yīng)該超過(guò)必要的荷載目標(biāo)。實(shí)際上，現(xiàn)場(chǎng)28天抗壓強(qiáng)度應(yīng)該保持在與規(guī)范強(qiáng)度相似的水平。

腐蝕保護(hù)

在修補(bǔ)過(guò)的混凝土結(jié)構(gòu)中有一個(gè)主要的問(wèn)題是對(duì)鋼筋的繼續(xù)甚至加速腐蝕。在修補(bǔ)一個(gè)遭受鋼筋腐蝕和混凝土破壞的現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，含有氯離子的混凝土常被遺留。在這種情況下，常常會(huì)繼續(xù)甚至加快腐蝕，因?yàn)楸恍扪a(bǔ)部位與周圍的混凝土相比，具有不同的水氣、氧氣和氯離子含量?？赡苄纬筛鼜?qiáng)的腐蝕，從而導(dǎo)致修補(bǔ)部位的剝落，或者更常見(jiàn)的是修補(bǔ)周圍混凝土的剝落。關(guān)于混凝土修補(bǔ)失效的整體模型見(jiàn)圖3。

目前，我們已經(jīng)看到大量聲稱可以防止或能夠顯著減緩進(jìn)一步腐蝕和破壞的產(chǎn)品和系列的發(fā)展、市場(chǎng)和規(guī)范。

由于經(jīng)濟(jì)結(jié)果而提出的不按規(guī)定執(zhí)行的保護(hù)措施（甚至可以起到反作用），必須對(duì)這些排除在外的保護(hù)系統(tǒng)正確的操作進(jìn)行評(píng)估和記錄在合理范圍內(nèi)。我們需要相信，在修補(bǔ)時(shí)，防腐蝕劑能夠提供保護(hù)。然而，若沒(méi)有進(jìn)行區(qū)域評(píng)估，我們?cè)趺磿?huì)知道防腐蝕劑不會(huì)擴(kuò)散或從需要它們的部位流失？

水分和溫度梯度都會(huì)對(duì)修補(bǔ)系統(tǒng)中的水和其它物質(zhì)的傳輸起決定作用，因此，防銹劑很可能由于水分和溫度梯度的影響，而超越修補(bǔ)區(qū)域向外擴(kuò)展，從而減少了必要的濃度。同樣，氯化物也很可能從原有受污染的混凝土遷移到被修補(bǔ)部位。當(dāng)結(jié)構(gòu)暴露，這些影響會(huì)加大，當(dāng)結(jié)構(gòu)被置于干濕環(huán)境中，修補(bǔ)材料和原有混凝土之間的物質(zhì)傳輸將最為顯著。

總之，將防腐劑加入修補(bǔ)材料中，總體的影響因素是什么呢？當(dāng)氯化物和碳化物已經(jīng)分布很廣時(shí)，修補(bǔ)材料本身的性質(zhì)已不能解決整個(gè)結(jié)構(gòu)的腐蝕問(wèn)題。含有防腐劑的修補(bǔ)材料可以成為一個(gè)潔凈的（沒(méi)有腐蝕的）鈍化區(qū)域，但它會(huì)刺激周圍混凝土的腐蝕——產(chǎn)生環(huán)形效應(yīng)，導(dǎo)致附近修補(bǔ)區(qū)域的混凝土腐蝕、早早開(kāi)裂和剝落。說(shuō)到底，希望在修補(bǔ)材料中外加防腐劑來(lái)獲益，這種想法是否正確呢？

修補(bǔ)材料

對(duì)一個(gè)所給工程規(guī)范修補(bǔ)材料是一項(xiàng)令人頭痛的任務(wù)，需同時(shí)考慮市場(chǎng)上可得材料的數(shù)量，以及廠家基于不同材料性能和測(cè)試方法，所提供的產(chǎn)品說(shuō)明書對(duì)各材料的描述。工程師一方面會(huì)很受限制，另一方面有時(shí)會(huì)對(duì)某一特殊修補(bǔ)工程的材料的基本選擇和性能規(guī)格產(chǎn)生誤解。通常，說(shuō)明書只提供某一特殊材料有利的性能指標(biāo)。同樣，檢測(cè)材料性能以及改變的試驗(yàn)方法常常記錄不全。

產(chǎn)品說(shuō)明書中所給的性能信息是不可信的，那么也不能作為規(guī)范，和在其他充分條件下，保證修補(bǔ)耐久的材料選擇的可信基礎(chǔ)。由于產(chǎn)品說(shuō)明書的這種混亂，常常不能規(guī)范和使用合適的材料，導(dǎo)致早期修補(bǔ)失效。

行業(yè)迫切需要對(duì)水泥基修補(bǔ)材料報(bào)告性能和描述的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，ACI發(fā)布了“水泥基修補(bǔ)材料數(shù)據(jù)表指南（ACI364.3R-09）”。這個(gè)指南要求提供標(biāo)準(zhǔn)化、邏輯化和相容格式的材料信息，以便于修補(bǔ)材料能夠被規(guī)范和選擇。

協(xié)議定義材料的重要性能和如何測(cè)試這些性能。不同于規(guī)范，操作標(biāo)準(zhǔn)不會(huì)被列出，但留給規(guī)范制定者基于基體混凝土的性能、所應(yīng)用的約束條件和安裝的環(huán)境去選擇，以實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)性。關(guān)于許多類型混凝土修補(bǔ)材料的相關(guān)性、解釋和推薦限值最近已經(jīng)在ACI546.3R-06發(fā)布。

將指南應(yīng)用于實(shí)踐的過(guò)程無(wú)疑是對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范質(zhì)量和修補(bǔ)工程質(zhì)量的提高，它決定了混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性。但將指南付于實(shí)踐有個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題——材料生產(chǎn)廠家需要重新檢測(cè)市場(chǎng)上的材料，并制出新的數(shù)據(jù)表，這是個(gè)高成本的任務(wù)。生產(chǎn)廠家不會(huì)去做這些費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的工作，除非工程規(guī)范根據(jù)這個(gè)ACI文件列明相關(guān)要求和條款。因此，工程師或規(guī)范制定者有責(zé)任去建議ACI364.3R-09提出這樣的條款。

經(jīng)濟(jì)意義

制定一個(gè)混凝土修補(bǔ)規(guī)范是一件復(fù)雜的工程任務(wù)，它要求制定者具備科學(xué)、工程、業(yè)內(nèi)實(shí)踐的廣泛知識(shí)，以及較高的責(zé)任感。我們批評(píng)的目的在于幫助這個(gè)行業(yè)能更有效和更經(jīng)濟(jì)的使用資源。

設(shè)計(jì)和規(guī)范混凝土修補(bǔ)有特別的要求。實(shí)際上，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補(bǔ)材料的生產(chǎn)。列表絕非完整，但可能有助于說(shuō)明一些能夠通過(guò)合理認(rèn)識(shí)和重視所涉及的問(wèn)題而解決的問(wèn)題。一些要點(diǎn)和建議已在大量的修復(fù)工程中嘗試過(guò)，并被證明是可行和有效的。

考慮到破壞混凝土結(jié)構(gòu)的體積和修復(fù)資源的缺乏，更可靠地制定混凝土修補(bǔ)實(shí)踐的每個(gè)方法，包括工程規(guī)范，將會(huì)獲得巨大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)意義。（譯者：建筑材料工業(yè)技術(shù)情報(bào)研究所，寧夏，王冬）