3.混凝土的保护与修复

混凝土结构的表面保养和维护

通过添加涂层，如涂料、清漆、覆膜及打底粉刷等手段，能够增强混凝土结构抵抗空气中和其他物质的化学及物理腐蚀。

这类涂层可以直接应用于新建筑上或根据实际情况应用到需要提高耐久度的现存建筑中。

在建筑的使用过程中，这些涂层需经历阶段性维护，以检验是否需要重新涂层。

最近几年有关保护涂层领域的技术有了长足进步，不论是在材料方面还是用途方面。

一般情况下使用这些涂层是为了降低水的吸收率及有害气体和盐分的侵入；也会保护混凝土不受特定的化学腐蚀。

混凝土表面保护的方法

保护混凝土表面的方法一般可被分为两大类：

· 厚涂层

· 保护性油漆

厚涂层在混凝土处在极端化学或物理腐蚀的环境时而使用。例如，当混凝土不断与化学腐蚀性物质、液压及有害气体接触，或者裸露在极端的磨损或冲击的条件下。针对于涂层需要缓解的不同问题，其化学和物理特性也各有不同。

一类别包括：沥青烯、沥青、氯丁橡胶、丁基橡胶、煤焦油环氧基涂料、防腐砖瓦、砖块、特种水泥、砂浆（如环氧、酚醛、聚酯、硫、硅酸盐或呋喃基）和一种人造覆膜的耐高温涂料。使用这类产品时建议先进行测试以确保合适性。

防护涂料

这些方法用于抵抗通常存在于工业、城市及海洋环境的腐蚀性物质侵袭。

这会降低混凝土被污染或腐蚀的风险，并且保护混凝土外观。

现有的两种不同方法：

· 含有开口气孔的防水涂层

· 非渗透性覆膜涂层

除了抵抗标准范围内的腐蚀性物质，所有的产品还必须具备：

· 抗天气因素影响。

· 防止真菌和细菌在混凝土表面滋生。

· 抗敲击和刮擦。

· 抗光降解（由于阳光中的紫外线）。

· 与混凝土接触时具备一定的化学稳定性，防止由于底层的高碱浓度而发生风化或皂化的风险。

一般情况下，防水涂层可适用于光滑和粗糙的表面，以防止水进入混凝土表面不超过3mm的孔隙覆膜涂层，适用于光滑的表面以达到良好的黏合度，它会封住大于0.1mm的孔隙。在需要连续性表面时通常要进行打底粉刷。

清漆，用于保护裸露的混凝土表面，可被视为一种保护性油漆。

涂料和清漆都会黏结在混凝土表面形成连续的低渗透性涂层。

防水油漆

这类产品会使混凝土表面防水，但并不阻碍气体和水蒸气进入。要想解释这一现象，首先需解释混凝土的某些特性。混凝土具有亲水性，因此会通过很多途径吸收液态水和水蒸气。主要是通过毛细吸收作用，但压力成分、扩散、吸收及冷凝也起到辅助作用。

如果孔隙足够大并且呈连续分布，毛细吸收作用会致使大量水进入混凝土。

当残余的雨水在混凝土表面形成薄薄一层之后，这些水便会通过毛细吸收作用渗进混凝土内部。凡是混凝土接触水的情况下这种现象都会发生，例如地基。

抗水制品（也称为“防水材料”）会改变混凝土充满毛细管道的外壁和水的表面接触的角度。因此它们不能被认为是油漆，而是一种抗渗性涂层。

它们主要是有机的硅类产品，如溶解于特殊溶剂或水中的硅树脂，或者溶解于特殊溶剂中的硅烷。

抗渗性覆膜

抗渗性覆膜在混凝土表面形成连续的半弹性保护膜。它们阻断了水、水蒸气及其他气体的通过。

应用这些薄膜要求混凝土表面均匀、光滑，孔隙不超过0.1mm。虽然它们比混凝土更有弹性，但多数此类产品一旦干燥仍然会裂缝（由于移动、冲击、温度等）。

维护前的表面制备技术

混凝土表面利于涂绘，因为粗糙的表面及孔隙会使涂料和油漆迅速被吸收。为了获得良好的黏合度其表面需坚硬，并且确保没有灰尘和其他污垢。

在进行涂层之前，必须修补一切裂缝，填补孔洞及沟壑，并且采取其他必要的维护手段。

如果表面过于粗糙和不均匀，在涂层前必须对其表面进行打磨。

如果在混凝土表面涂层之前使用过其他产品，如凝固剂或脱模剂，必须在涂层之前全部清除。

涂以保护性涂层的方法

正确涂上涂层与表面的准备工作及产品的正确选择同样重要，使表面优质、耐用。

第一步要确保产品在使用前充分搅拌，多数产品含有一些单独的成分，由于贮存过程较重的物质会沉淀。

因此有必要使用铲子将容器的底部刮净，并进行更好的搅拌。如果产品十分黏稠，就需要借用机械进行搅拌。

根据所使用的产品不同，使用时所要注意的环节也不同。不过以下方面通用：

· 喷漆时的环境温度应在10～50℃，避免在阳光直射下进行喷漆。

· 混凝土清洁完毕后立即开始喷漆，以防沾染新的污垢。

· 在空气的相对湿度超过90% 时不能进行喷漆。

· 混凝土表面的相对湿度不应超过5% ～6%，除非硬化过程需要与水反应或涂料为水溶性。需要具备能立即读取这一数值的设施。

· 避免在大风环境下用喷雾器作业。· 当用喷雾器操作时，每个连续涂层厚度应超过前一层的50%。

喷涂

使用喷雾器进行涂漆的方法用途很广，因为处理较大区域较为简便。产品物理属性（例如一致性）是其能否进行喷洒作业的决定性因素。黏性适中的或具有摇溶性质的产品适合喷洒作业。

采用不通风的方法进行防水涂层是最佳的方法，因为需要的设备比需要使用压缩空气设备的其他方法要更加简易。

喷洒作业需要的人力成本较低，但一般不适用于面积较小的表面。

刷子及滚筒的使用

在多孔或不规则表面使用刷子或滚筒涂抹第一层涂层能够保证更好的吸收率。

刷子适用于较小的区域。要根据所涂面积的大小选择合适尺寸的刷子。

扁平的尼龙刷是最常用的种类，建议最大尺寸为10cm。

滚筒只适用于规则、平滑的表面。这会使墙壁和天花板的涂层更加迅速。

保护层损坏的主要原因

对保护层造成损害的主要因素有：

· 产品选择有误

· 产品的抗天气干燥能力不足

· 涂漆之前的表面处理不当

· 涂漆之前，产品浓度过低

· 涂层数量不足

通常使用的产品不能满足环境的需要。例如使用抗渗性涂层，然而具有开口气孔的防水涂层效果更佳。

如果预测在接下来的几天有雨，则不能进行喷漆。在雨停后至少等待3 天，当雨水自然风干后再进行喷漆。因此建议在一年中最干燥的季节进行喷漆。

在进行喷漆前混凝土必须适当硬化，带有污垢的表面会影响喷漆效果，表面含有脱模剂或油垢也不适合进行喷漆。

如果涂料过稀则不足以获得较好的表面黏合度，因此会产生孔隙，从而导致有害物质侵入。这类错误通常发生在水溶性涂料中。

涂层数量不足则不能提供充足的保护，在使用透明的清漆时经常发生此类问题。经常进行现场检查可以有效避免这一情况，通常2～3层涂层较为理想。

在实际操作中，理想的情况是负责购买保护性产品的人同时负责后期的喷漆工作。

保养

混凝土的保养手段可被分为：

· 预防措施

· 补救措施

预防措施是指在混凝土表面出现损坏迹象之前采取的措施。保护性涂层的使用寿命比混凝土短，因此需要经常进行检查以确保其持续具有防护作用。

一般来说，保护性涂层每隔2～3年便需要重新涂漆，如果是防水涂层或水溶性涂料，则每隔4 年重新涂漆，若是溶质性涂料则每隔6年重新涂装一次。

但是，初期退化的迹象经常被忽略，导致这种维护多为补救措施，而非预防措施。此时就需要对症状进行诊断并对混凝土实施正确地修缮和维护。在涂以保护性涂层前，有多种众所周知的维修方法。

混凝土的修复

如果混凝土损失了碱浓度或被氯化物污染，就会对建筑结构造成严重后果。其中最严重的便是当混凝土腐蚀程度过高，裸露其内部钢筋结构并使其受到化学腐蚀（例如氯离子），因为这样会造成整个结构的腐蚀和弱化。

这类化学腐蚀会在混凝土表面产生肉眼可见的裂纹及孔洞，严重时甚至会导致混凝土折断，将其内部的受腐蚀钢筋裸露出来。

为了防止这一极端现象发生，需要确保施工过程中钢筋结构不受腐蚀。在处理现存结构时建议要尽量在腐蚀产生明显迹象之前采取措施，因为处理更高阶段的损坏是极其困难的。

维护现存结构需要首先除去受腐蚀钢筋的混凝土保护层，直到钢筋部分完全可见为止，紧接着在钢筋周围包裹新的保护物质。这是个精确的过程，如果整体混凝土构件都发生腐蚀则无法采取此措施，因为这样会削弱结构的完整性。

因此，虽然这是目前广泛采用的技术，但其并不能保证耐久度，因为仍存在腐蚀区未被修复的风险。与现存混凝土具有不同特性的新型保护手段也是维修过后的理想选择。

目前存在其他更昂贵、更复杂的维修手段，在不裸露钢筋结构的前提下减缓或彻底阻止对钢筋的腐蚀。它们是电解保护、电化学氯离子萃取及再碱化。它们能从根本上解决问题，并防止未来的腐蚀。然而在最初症状出现之前，预防性措施仍是第一选择。

如果结构已经遭受损坏，那么传统的裸露钢筋结构只是重要的第一步，然而还需要进行再碱化和电化学氯离子萃取。

受损区域的维修

挑出当整个碳化区域被去除后的混凝土，此时可以接触到钢筋。此技术包含以下几个步骤：

· 去除受损的混凝土，清理裸露的表面

· 保护钢筋结构，恢复其构造形成力

· 新涂料的应用

去除受损混凝土

采取机械或人工的手段去除所有由于钢筋腐蚀所产生的外在压力而损坏的混凝土碎片。

所有松动、碳化的碎片及含有氯离子的物质在接触到“健康”混凝土之前被移除。钢筋结构必须在各个角度充分裸露。这需要移除钢筋后方几cm的混凝土，以便新的保护层完全覆盖钢筋。

还需裸露一些未发生腐蚀症状的钢筋，以检查该处钢筋状态良好。

这么做避免了忽略腐蚀刚刚开始的区域，以防其之后发展出肉眼可见的症状。在鉴定需要去除的区域时需要听取专家的意见。混凝土可以通过凿子、气动针束除锈机和其他类似装置人工去除。

此操作需要仔细检验其结构影响，尤其是在较大或较深区域混凝土从构件中移除时。

有些构件可能需要支柱提供临时支撑。移除工作可以分为损坏程度不同的、相对较小的区域，以防止对部分结构的过度削弱（潜在折断）。

需要去除的混凝土必须首先被清理，其具体手段根据混凝土种类而定。必须使用压缩空气、水流或真空吸尘器将其表面的所有灰尘和泥土清除。

在应用新的保护涂层前也必须彻底清理钢筋，保证没有腐蚀残留。任何一点残留的锈迹都会导致腐蚀继续扩散，其腐蚀速度根据电解质含量而定。

钢筋加固结构可以用沙子进行涂刷、铺垫或清洗。选择的方法必须完全去除锈迹，因而确保整个受检测的钢筋结构状态良好。

尽管从技术上讲清理方式并不困难，清理不完全仍是导致维修无法完全阻止腐蚀的首要原因，因此这个阶段必须额外注意。

钢筋结构的保护和结构性维修

钢筋一旦清理完毕便可开始涂以保护层。涂层可以为水泥薄浆、各类塑料、环氧树脂或特殊的抑制腐蚀强化物。

黏合性环氧树脂也可被应用于钢筋和混凝土中，以增强黏合性并在额外的保护层和现存构件形成更好的密封。

如果新的保护层不能在钢筋结构清理完毕后立即应用，便需要对钢筋使用添加少量细沙的黏合性环氧物质，以便随后增强钢筋结构与保护层的约束力。

在许多情况下，若去除面积太大，或者被视为增强结构承受力的必要元素，此时新的钢筋结构也会被嵌入构件中。根据以往经验来看，当移除部分超过整体的15% 时就必须重新计算结构，并且尽量通过某种方式恢复钢筋的原始强度。

修复钢筋需要切断钢筋条的薄弱部分，并用其他钢筋重叠后用金属丝绑定或焊接在原有钢筋条的方式替换掉。

如果新的钢筋加固结构被嵌入，那么受损的钢筋必须被切割和替换。新换部分的钢筋和原有的钢筋可能会少量重叠，可用金属丝焊接或绑定到指定位置。

如果钢筋被焊接而成，那么必须首先检查新钢筋和原有钢筋是否可兼容焊接。专家也可捻接金属套筒以连接两根钢筋，此方法使用简便。如果连接处用金属丝固定，那么重叠的钢筋长度应为钢条直径的40倍。

通常情况下如果移除的材料含量少于总量的15%，修理就不会构成结构风险，因此无需进行再次加固。

新型涂层材料的应用

在应用新型涂料之前，必须首先检测以确保由于材料去除而裸露的混凝土表面没有任何裂纹。如果表面存在裂纹，必须立即诊断以确定其原因，确保其不是修复工作试图避免的腐蚀症状。环氧树脂能有效填补所有类型的裂纹，通过建立强力的黏结以恢复结构的完整性，有效密封。

所用环氧树脂的种类取决于裂缝的宽度，裂缝分类如下：

· 宽度小于0.2mm：双组份环氧胶黏剂，20℃时黏度为100cP。

· 宽 度 在0.2～0.6mm之 间：双 组份环氧黏合剂，20℃时黏度小于500cP。

· 宽度在0.6～3mm之间：纯双组份环氧黏合剂或结合上玻璃粉尘，20℃时黏度小于1500cP。

· 宽度大于3mm可使用加强环氧树脂。添加颗粒可以是沙粒混上尺寸小于1mm或裂缝宽度0.6倍的小颗粒。通常黏合剂与沙粒的比例为1：1。

为了用黏合剂既能填补裂缝，又能重建统一性和结构完整性，此时需要外部临时密封。首先用软管插入密封区域以便接下来在裂缝处注入黏合剂。

这些沿着裂缝的软管之间间距取决于裂缝的宽度和深度。软管必须插入每个两处或两处以上裂缝的结合处。在注入前必须确保外部密封完全凝固，这通常会花费24小时。

随后注入黏合剂，通过软管使用压力枪和机械插孔。也可使用高效设备自动测量、混合并注入黏合剂。

内部裂缝一旦被完全密封，即可继续混凝土的维修工作。移除混凝土的体积必须用新的混凝土代替，用来加固结构并且为钢筋提供覆盖层。

使用的砂浆具有如下基本特性：

· 强度足够。

· 与原有混凝土和钢筋良好的黏合。

· 尽量不会收缩。

· 抵抗周围环境中各种腐蚀性物质。

· 弹性系数及热膨胀系数与原有构件兼容。

只要能满足上述要求，砂浆可以在现场搅拌，或者由生产商在工地外用更精确的剂量事先准备好。

如果是常见砂浆（即水硬性水泥，含有或不含有添加剂），其成分与原有构件相似并且成本也会降低。

其中一种此类作用的常用砂浆是硅酸盐水泥砂浆家族中的一员，它们能提供更好的黏合度、抗渗性及强度。有机环氧树脂砂浆和聚酯砂浆在需要潜覆盖的情况下特别有效。修复砂浆种类很多，需要根据替换位置的深度、表面黏合的物质、需要的体积总量及原有水泥的特性进行选择。

在应用修复砂浆之前，必须首先在其需要接触的裸露表面涂上一层丙烯酸酯或环氧树脂。

涂以砂浆可以人工操作，不需要使用模板。

不论选择何种维修手段，都必须稳定操作，连续进行，给每层以足够的时间干燥，因而避免收缩损害的风险。精确的时间控制和考虑取决于修复材料的种类，在使用市场上购买的产品时必须遵守生产商的指示说明。

最终的表面必须确保良好的防渗水性和抗氯化物性。

修复受损混凝土的材料

目前在市场能够购买到的修复材料可被分为3大类：

· 无机材料

· 有机材料

· 混合材料

无机材料包括所有种类的水泥，不论是否是硅酸盐水泥，还可以被再次分类为传统型和非传统型。

传统型包括水泥浆、砂浆、微粒混凝土及普通混凝土。非传统型包括膨胀性硅酸盐水泥、镁和磷酸盐水泥、磷酸铝水泥、矾石水泥和铝酸盐水泥。

有机材料用于修复混凝土的有机材料是指含有热稳定聚合黏合剂的合成树脂。树脂由2～3种成分构成，使用之前需先搅拌。搅拌关闭的聚合反应从而使树脂最终凝固，最常用的品种为不饱和环氧树脂、聚氨酯及聚酯树脂。

混合材料由在混合混凝土的水中加入特定种类的聚合物而制成。它们能在不降低混凝土碱浓度的前提下，为混凝土添加附加属性。正是钝化特性保护了钢筋。由于聚合物是液体乳胶，因而可与水泥混合。

当水分蒸发后它会增加混凝土的紧密性，从而产生一种更加致密、抗渗性更好、杨氏弹性系数及热膨胀系数较低、类似于未含添加剂的、水硬性砂浆的新型砂浆。有许多种类的聚合物在与硅酸盐水泥混合后可以达到此效果。

阻止或减缓钢筋结构的腐蚀

阴极保护

阴极保护技术旨在赋予钢筋结构一定的电势能从而阻止腐蚀。有两种方法：电流阴极保护和外加电流阴极保护。

第一种方法将钢筋结构转变为电磁电池的阴极，一个电流或“牺牲性”的阳极与钢筋混凝土构件的表面接触。电流的阳极由锌或镁制成，二者都比钢铁的电化学电势低，因此使离子流逆流，远离钢筋结构。这会使电流阳极遭受腐蚀，但钢筋结构完好无损。

外加电流阴极保护的方法是依靠连续导入的电流工作。负的阳极连接到直流电源并且贴紧钢筋。正的阴极由半插入和抗腐蚀材料组成。

使用寿命在20 年以上的导电材料都可以被用作阳极。常用的材料有：石墨、镀钛铂金、钽、铌、银和铅合金等。

两种方法都面临的问题是钢筋结构必须是连贯的。在新建结构中做到这一点比在现有结构中更加容易，所以在设计阶段就考虑使用阴极保护大有裨益。

阳极的可以有各种形状，通常是成网状或网格状固定与混凝土或为嵌入式聚乙烯板。

电化学氯化物萃取

氯化物萃取是通过在位于混凝土表面、淹没在电解质溶液中的金属网格和钢筋结构之间创建电场以达到目的。

此过程类似于阴极保护，氯离子被强制远离位于混凝土构件外的正极。

结构中损坏的区域在提取开始之前必须事先进行修复。如果钢筋腐蚀造成混凝土的膨胀及裂缝，涉及的混凝土区域必须全部去除，腐蚀的钢筋也必须替换。接下来钢筋便会通电。连接的布局根据钢筋的连续性和尺寸而定，但是最小在20m2。

最后将金属网格安装至混凝土构件表面。嵌入电解质溶液，如水饱和毛毡或纤维素纤维，在整个过程中电解质必须保持湿度。一旦设备安装完毕，接通1A/m2的电流。负极为连接钢筋的导线，正极为金属网格。电流稳定十分重要。

氯化物萃取的过程会持续1～3月。在最初的几周内，必须在混凝土上取样以确保过程正常进行。

必须从混凝土中取样以检测进程是否正常。如果检测结果良好就需决定何时停止萃取。一旦进程停止，就必须关闭电流，撤除金属网格和电解质。接下来清洗混凝土表面，去除的区域必须用新材料替换并且对表面实行保护。

即便此方法有很多益处，但却极其昂贵且过程十分复杂。由于这是一个相对不够成熟的方法，目前尚未完全确定它的副面影响及能清除氯化物的最大量。

再碱化

此方法能够通过使其从PH值较高的区域流向呈酸性的区域，从而激活碱分子（含有OH离子）。

通过在混凝土表面使用富含水泥的砂浆可以促使再碱化，并且保持区域潮湿。这样碱分子就能渗透到表面以下1～2cm。

应用基于上述技术并且具有相同特性的工业手段是最有效的方法。将网格结构置于富含碱元素（即碳化纳）的纤维素涂层的混凝土表面。随后形成电场，将钢筋结构转变为阴极，网格结构变为阳极。金属网格中的碱紧接着迅速通过电化渗透侵入混凝土深层。

整个操作需要15～30 天，它能使碳化混凝土的PH值达到9.5～10.5。操作结束后必须在混凝土表面应用保护措施，以防止再次碳化。

这种方法类似于上述几种，成本高昂且实施起来十分复杂，而且在现存混凝土中效果不佳。