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(yīng)生成其他物質(zhì)的物理化學(xué)過(guò)程。隨著混凝土被碳化，其表面硬度、密度會(huì)有不同程度的提高，孔隙液的PH值則會(huì)降低；當(dāng)PH值降低到一定程度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破壞、出現(xiàn)銹蝕同時(shí)伴隨著體積膨脹，最終導(dǎo)致整個(gè)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(guó)有許多水工建筑物存在著混凝土密實(shí)性差、碳化剝落嚴(yán)重的現(xiàn)象。目前，對(duì)水工混凝土的碳化破壞處進(jìn)行修補(bǔ)已成為保證工程正常運(yùn)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(jìn)行防碳化處理，取得了一定的經(jīng)驗(yàn)和成果。

水工混凝土防碳化處理防護(hù)修補(bǔ)材料主要分無(wú)機(jī)和有機(jī)以及結(jié)合兩者特點(diǎn)而組成的聚合物水泥基材料三類(lèi)。無(wú)機(jī)修補(bǔ)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(xué)物質(zhì)的粉末狀材料，故又稱(chēng)水泥基修補(bǔ)材料。有機(jī)修補(bǔ)材料是選用不飽和聚酯樹(shù)脂（如環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂）、固化劑、增韌劑、稀釋劑和填料等組成修補(bǔ)材料，亦稱(chēng)樹(shù)脂基修補(bǔ)材料。聚合物水泥基修補(bǔ)材料是通過(guò)向水泥砂漿中摻加聚合物乳膠改性而制成的一類(lèi)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合修補(bǔ)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(jiǎn)稱(chēng)SBR砂漿）具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能和耐久性，對(duì)修補(bǔ)防護(hù)工程有較強(qiáng)的適應(yīng)性，應(yīng)用于嶂山閘、蚌埠閘等工程均取得令人滿(mǎn)意的效果。

二、SBR砂漿的優(yōu)點(diǎn)及作用機(jī)理

采用SBR砂漿進(jìn)行混凝土表面防護(hù)處理具有以下優(yōu)點(diǎn)：①SBR砂漿對(duì)混凝土的防護(hù)效果較好。②SBR乳液在水泥砂漿中摻量較少，單價(jià)相對(duì)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(qiáng)度。③SBR砂漿使用機(jī)械噴涂，操作十分簡(jiǎn)單，且不含有害揮發(fā)物質(zhì)，施工人員不需要特殊的防護(hù)設(shè)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(jìn)入到各個(gè)角落，在水泥固化過(guò)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(xì)孔隙的不可逆的連續(xù)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使毛細(xì)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(yīng)變形能力高。④SBR乳液失水后產(chǎn)生相當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)力，可增大新老材料的粘結(jié)強(qiáng)度。

三、SBR砂漿在嶂山閘混凝土表面防碳化處理中的應(yīng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低、水泥用量偏少、施工質(zhì)量差等問(wèn)題，致使混凝土的耐久性、密實(shí)性和均勻性都相對(duì)較差。1994年進(jìn)行了啟閉機(jī)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(duì)保障防護(hù)工程的質(zhì)量、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低防護(hù)費(fèi)用和縮短工期等都起到較大作用。針對(duì)嶂山閘啟閉機(jī)工作橋的實(shí)際情況，表面防護(hù)方案主要分為混凝土表面基本無(wú)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(bǔ)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(fù)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(hù)的混凝土表面；⑧噴水養(yǎng)護(hù)。無(wú)裂縫的部位如啟閉機(jī)工作橋底面的表面防護(hù)只需要按上述第③、④、⑦、⑧四個(gè)步驟進(jìn)行即可。

嶂山閘表面防碳化處理的施工機(jī)械十分簡(jiǎn)單，只需要空氣壓縮機(jī)、噴砂槍和普通的建筑涂層噴槍?？諝鈮嚎s機(jī)制得的壓縮空氣輸送到噴砂槍內(nèi)，用來(lái)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(lái)噴涂SBR表面修補(bǔ)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(hù)材料，主要技術(shù)性能指標(biāo)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(shí)的25個(gè)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(shí)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(hù)效果，對(duì)啟閉機(jī)工作橋大梁進(jìn)行了外觀檢查和現(xiàn)場(chǎng)取芯，觀測(cè)已在工程上應(yīng)用13年后的SBR砂漿和其防護(hù)下的混凝土的碳化的情況具體如下：

啟閉機(jī)工作橋大梁防碳化層表面完整，構(gòu)件表面無(wú)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(wú)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(jī)工作橋大梁上分別鉆取數(shù)個(gè)混凝土芯樣，并測(cè)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(shí)測(cè)值為1.0～4.2 mm，平均值為2.3 mm，標(biāo)準(zhǔn)差0.66mm。SBR砂漿碳化深度實(shí)測(cè)為0～1.0 mm，平均碳化深度為0.43mm，標(biāo)準(zhǔn)差0.36mm。啟閉機(jī)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(biāo)準(zhǔn)差8.88mm。

從SBR砂漿的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，經(jīng)過(guò)了13年的實(shí)際應(yīng)用，SBR砂漿已碳化層尚不到厚度的20%，這充分說(shuō)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(xué)模型和SBR砂漿厚度及其碳化深度呈正態(tài)分布的特點(diǎn)來(lái)推算，目前SBR砂漿的防護(hù)作用保證率在99%以上；如按95%的設(shè)計(jì)保證率來(lái)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(yù)計(jì)要經(jīng)過(guò)43年后才開(kāi)始失去對(duì)混凝土的保護(hù)作用。

從混凝土的碳化深度來(lái)看，2002年安全檢測(cè)時(shí)該構(gòu)件混凝土碳化深度在35～88mm間，平均碳化深度為65mm，標(biāo)準(zhǔn)差為11.56mm。在使用SBR砂漿對(duì)已經(jīng)嚴(yán)重碳化的混凝土進(jìn)行防護(hù)后，混凝土碳化深度平均值為66.30 mm，標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)散的通道，在SBR砂漿層沒(méi)有完全碳化前混凝土不會(huì)繼續(xù)碳化。實(shí)際上老混凝土在漫長(zhǎng)的碳化過(guò)程中在完全碳化層和未碳化層之間形成了一個(gè)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(lái)檢查時(shí)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(kuò)散理論—CO2濃度在混凝土中呈直線(xiàn)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(shè)，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(dāng)SBR砂漿層阻斷了外界CO2向混凝土內(nèi)部擴(kuò)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(shí)測(cè)的具體數(shù)據(jù)來(lái)看，可證實(shí)上述觀點(diǎn)，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(shí)碳化深度的正態(tài)分布圖形就體現(xiàn)為平均值增大、標(biāo)準(zhǔn)差減小的趨勢(shì)。

表1 SBR砂漿物理力學(xué)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(duì)嶂山閘啟閉機(jī)大梁混凝土的碳化起到了非常重要的防護(hù)作用，它是保證嶂山閘啟閉機(jī)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(shí)測(cè)的SBR砂漿厚度和碳化深度，初步預(yù)測(cè)其正常使用壽命約為43年（95%設(shè)計(jì)保證率）。從嶂山閘工程上實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，SBR砂漿對(duì)防止老混凝土進(jìn)一步碳化起到了非常重要的防護(hù)作用，它是保證工程正常運(yùn)用不可缺少的一層結(jié)構(gòu)。

2.根據(jù)SBR砂漿的物理力學(xué)性能及耐久性能試驗(yàn)結(jié)果和嶂山閘等工程上實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，在正常環(huán)境條件下，采用SBR砂漿進(jìn)行混凝土表面防碳化處理時(shí)，砂漿層的設(shè)計(jì)厚度4mm可以滿(mǎn)足安全使用要求。

3.采用SBR砂漿進(jìn)行混凝土表面防護(hù)處理具有性能優(yōu)異、操作簡(jiǎn)單、防護(hù)效果好、投資少且不含有害揮發(fā)物質(zhì)，對(duì)環(huán)境和人身均無(wú)污染和毒害作用，因此應(yīng)大力推廣SBR砂漿作為水工建筑物混凝土表面防護(hù)材料