以渗透之术保百年安康——如何解决混凝土构筑物耐久使用问题

19世纪20年代，人类发明了水泥，近200年，水泥已成为目前世界用量最大的建筑材料，混凝土产品亦成为地球上数量最多的人造构筑物。混凝土材料从早期的抗压强度10MPa到如今抗压强度超过800MPa的超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC），混凝土材料范畴和性能的不断提升造就了构筑物应用功能和范围的不断拓展。

我国每年生产超过20亿吨的水泥、超过30亿立方米的混凝土，如图1所示。过去30年，高速公路、高速铁路等基础设施从无到有，数量与规模均跃居世界首位，在建筑行业，均以混凝土作为主要的工程构筑物结构形式。

图1 部分年份水泥和混凝土产量（厂拌）统计

工程设计了使用寿命，其中桥梁工程为100年。然而，根据已拆除的民用建筑物和桥梁工程的统计，平均寿命均约30年，使用寿命与设计寿命相差甚远。若按30年使用寿命计算，我国每年需要主动淘汰超过20亿平方米的民用建筑物和3万座公路桥梁；若按100年使用寿命计算，每年只需要主动淘汰约0.92万座公路桥梁。

可以想象，工程耐久性问题将对我国未来经济、民生、环境和公共安全等产生深刻的影响，而短寿命工程给人类社会和自然界带来的伤害十分深刻和具体。此外，若不能够实现主动淘汰病危工程，在使用周期内工程自行倒塌则成了显性的安全事故并成为必然趋势。

因此，不论是主动淘汰还是自行倒塌，工程耐久性和安全使用都是一个无法回避的重大问题。如今，水泥生产和混凝土施工已经成为建筑行业碳排放的重要因素，如何合理控制水泥产能和混凝土使用量，提高混凝土材料利用率和延长产品安全使用寿命，成为实现建筑行业碳中和的重要课题。

桥梁等混凝土构筑物的耐久性与安全使用问题存在必然关联，贯穿工程全生命周期。混凝土构筑物在设计、施工、使用等环节若存在不同程度的质量问题，将影响到结构耐久性并涉及安全使用。管理实践表明：解决该难题的最直接、最有效的方法，就是使用过程管理主体从责任边界和本质安全的视角出发，系统分析影响安全使用和耐久性因素，从中揭示相互影响、演化的一般规律，并将影响因素分为主体内因和主体外因加以分类、分级管理。

主体内因指管理者在履职过程中，因建设阶段设计缺陷或施工不规范造成的构筑物质量缺陷；运营使用阶段养护不及时造成损伤累积；自然老化等履职缺失导致安全风险或引发事故造成的伤亡和财物损失。混凝土构筑物主体内因主要包括：设计标准、设计理论不够完善或设计计算不准确造成的结构缺陷；构筑物原材料和混合料设计和选用无法满足运营荷载标准和耐久性使用要求；施工操作不规范、工艺不成熟、现场监管不到位导致的结构性病害；不良使用运营环境产生的混凝土碳化、钢筋锈蚀、冻融破坏等病害；不良自然条件造成设计和使用条件变化导致的病害；因使用荷载作用造成结构损伤累积和疲劳失效等。

图2 影响混凝土耐久使用主体内因

主体外因是指管理者在履职过程中,由于法定责任边界或能力外因素导致安全风险或引发事故造成的伤亡和财物损失。混凝土构筑物主体外因主要包括：不可控的使用，如超负荷、超界限运输或事故碰撞、改变功能等；不可控灾害，如地震、水灾、风灾、火灾等；人为性破坏，如战争、暴恐等；外环境改变，如超级污染、极限气候高低温等。

图3 影响混凝土耐久使用主体外因

混凝土是由水泥、粗骨料、细骨料、水、助剂等混合而成的非均质混合物,根据设计要求,在混凝土中掺加增强强度性能的纤维材料或筋材构成了混凝土构筑物。受各种原因影响,在投入运行之前,由于混凝土成形过程水泥浆硬化干缩、水分蒸发留下大量随机分布的微孔隙和界面裂缝等缺陷，以及混凝土中碱骨料的膨胀反应,开始使用后，受到周围环境的物理、化学、生物作用，混凝土内某些成分发生反应、溶解、膨胀,破坏混凝土结构。如图4。

A.混凝土霉化

B.混凝土碳化

C.混凝土开裂

D.钢筋锈蚀

图4 混凝土结构常见病害

物理作用主要指混凝土在外界环境影响下，发生开裂、溶解、膨胀等，导致混凝土强度降低，结构破坏。

外力作用：超负荷承载和物体撞击对混凝土结构的损伤最大，长期的超负荷作用加速了混凝土开裂，撞击则导致混凝土保护层损坏，钢筋裸露。

浸析作用：水泥石中的Ca(OH)2可溶于水，当混凝土结构长期与一些硬度较小的水接触，如雨水、蒸馏水、工厂冷凝水及含重碳酸盐少的江河水等，Ca(OH)2被溶解析出，使混凝土遭受破坏。

结晶作用：混凝土内的某些盐类在湿热条件时溶于水中，在湿度较低时结晶析出，并在结晶时按其特有的结晶学特征生长，对混凝土孔壁造成极大的结晶压力，引起混凝土的膨胀开裂。

冻融循环破坏：混凝土系由水泥砂浆和粗骨料组成的多毛细孔体，滞留于混凝土中的游离水在温度降低时，毛细孔中水分开始结冰并膨胀，产生冻胀压力的作用，经过反复的冻融循环，混凝土中的损伤不断增大，冻融循环破坏造成的混凝土内部裂缝、表面开裂和防护面的剥落，使CO2和Cl-更易侵入，导致钢筋的腐蚀。

环境中的各种腐蚀介质如CO2、CI-、SO2-、Mg2+、H+等进入混凝土内，与之发生化学反应，生成一些易溶、易水解、易膨胀的物质，使其结构发生破坏。

碳化作用：空气中或水中的CO2与水泥石中的Ca(OH)2、水化硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）发生反应，导致混凝土中碱度降低和混凝土本身的粉化。

氯盐的腐蚀：氯盐和混凝土中的Ca(OH)2、3CaO·2SiO2·3H2O发生反应，生成易溶的CaCl2和带有大量结晶水、比反应物体积大几倍的固相化合物，造成混凝土的膨胀破坏。氯盐可能源于海水、海风、海雾和化冰盐等，亦可能来自建设过程中使用的海砂、早强剂等，氯盐腐蚀是沿海混凝土结构腐蚀破坏最重要的原因之一。

硫酸盐的腐蚀：硫酸及硫酸盐溶液进入混凝土毛细孔中，其硬化时水分蒸发，浓度提高产生结晶，或与水泥、石中成分产生化学反应生成结晶，使其体积膨胀，从而导致混凝土胀裂破坏。在海水、湖水、盐沼水、地下水及某些工业污水中常含有钠、钾、铵、镁等硫酸盐，它们与Ca(OH)2发生置换反应，生成硫酸钙，生成物的体积比反应物大1.5倍以上，且呈针状结晶，引起很大的内应力，致使混凝土表面出现数条较粗大的裂缝。

酸的腐蚀：在酸雨地区，酸对混凝土结构物造成强烈的腐蚀，主要因酸能与水泥石中的Ca(OH)2发生中和反应生成可溶性的钙盐，破坏了水泥石中的碱度，使水化硅酸钙等其他水化产物自行分解。而且盐酸还能直接与这些水化产物反应生成可溶性钙盐，使单位体积内Ca (OH)2和CSH(B)含量减少，混凝土孔隙率增大，力学性能劣化。酸还可与混凝土中的某些成分发生反应生成非凝胶性物质或易溶于水的物质，使混凝土产生由外及内的逐层破坏。此外，酸能促使水化硅酸钙和水化铝酸钙的水解，破坏孔隙结构的胶凝体，使混凝土的力学性能劣化。碳酸盐待水分蒸发后形成碳酸盐结晶，使混凝土发生胀裂。

钢筋锈蚀胀裂：钢筋在混凝土的高碱性环境中（pH>12.5），表面通常会生成一层稳定的钝化膜，不易锈蚀。但在混凝土受到碳化或其他腐蚀作用后，pH降低，或有较多CI-扩散到钢筋表面破坏钝化膜，钢筋就出现锈蚀，在锈胀应力作用下，混凝土层通常顺筋开裂。

混凝土是一种由固、液、气三相物质组成的多孔复合材料，其抗渗透性能和耐磨损性能较差，在化学侵蚀、冻胀、冲蚀、摩擦等多种自然因素的作用下较易损坏，导致混凝土工程无法达到设计使用寿命。

通过对影响混凝土构筑物耐久使用因素和缺陷病理特征分析，要确保其安全耐久性能，必须通过有效的管理手段确保符合设计要求的荷载条件。同时，需要采取可行之有效的防护技术措施解决混凝土构筑物碳化和缺陷衍生、扩展问题。其中防护技术方案及防护材料的选择需要满足材料耐久性和基础混凝土的兼容性，能够修复构筑物外观表面缺陷和长效封闭混凝土表层微裂纹及孔隙，彻底阻隔外部有害物质对混凝土的侵害。兼容性内容包括：修复防护材料强度不小于基础混凝土强度并具有足够的粘结力，保证破坏不发生在防护界面；修复材料具有抵抗环境腐蚀能力，并能够完全覆盖裸露钢筋和缺陷；修复材料在使用期间保持体积的稳定性及低收缩性，并同基础混凝土具有相近的热膨胀系数。

目前，国内外规范和工程项目普遍使用的涂膜防护和硅烷浸渍防护，均未能很好满足修复材料兼容性的要求，出现防护体系材料层间结合力以及底层防护材料与混凝土基面结合力低和收缩性能不一致的问题，造成涂层早期开裂、局部脱落、老化速度快等情况。防护结构过早或过快失效既无法对混凝土形成有效保护，又容易对空气和水体环境产生污染，如图5、图6所示。此外，采用结构胶、环氧胶泥、化学浆液对裂缝和缺陷进行修复同样难以满足兼容性条件，防护效果欠佳。

为此，根据问题本质和病理特征，提出解决问题的技术路线和针对性技术方案，即采用开发充分兼容的新材料体系，在构筑物基础混凝土表层形成一个坚固、致密、耐候的封闭式保护结构，长效性遏制缺陷、病害的发展和混凝土的老化、开裂及构筑物的钢筋锈蚀等问题。

图5 腻子外墙漆表面防护病害情况

图6 油漆涂层表面防护病害情况

从2008年开始，笔者团队依托珠江黄埔大桥项目进行了多方案的试验和连续观测。2016年，团队提出了混凝土表层结构渗透增强防护技术概念，在有关单位配合下开发了满足兼容性要求的UP（指超越常规性能）渗透增强防护技术体系材料，并在钢筋混凝土防撞护栏和悬索桥桥塔及锚碇开始试验。试验结果表明：防护层保持防水和美观效果，混凝土碳化、钢筋锈蚀得到有效遏制，表面未见开裂、脱落，表层混凝土强度得以提升。从2018年起，该技术体系在特大跨度悬索桥、斜拉桥、连续梁桥、隧道等大型混凝土构筑物上得以推广使用。此外，对于较明显的缺陷、病害和结构敏感部位，选用环氧砂胶修复和粘贴玄武岩纤维布补强，效果突出，如图7所示。

图7 珠江黄埔大桥表层结构渗透增强防护效果

该防护技术体系是指新建或在役运营的混凝土构筑物，当表层出现质量缺陷或发生碳化、老化、钢筋锈蚀等病害的情况下，使用高渗透改性环氧类材料过量浸涂，渗透进入混凝土微孔隙和表层老化与缺陷部位，反应形成稳定牢固、致密防水、表体融合的环氧混合物和网状结构固化物保护层，起到封闭混凝土结构孔隙、阻隔有害渗透、增强表层强度、保护结构钢筋等作用；对混凝土结构内损伤或表体破损、开裂、剥落，钢筋裸露锈蚀等表层严重病害部位，在渗透施工后，采用改性环氧树脂砂胶和低柔高韧性玄武岩纤维组合材料进行强度补强，达到修复病害和恢复或部分恢复结构力学性能的目的。最后，兼顾美观性、耐久性、功能性等要求，选用环氧类材料兼容配套的环境耐候型表面防护漆，对增强保护层进行防污染、防辐射、防老化保护施工，如图8所示。

注：1. 氟碳面漆保护层；

2. 环氧树脂网状结构保护涂层；

3. 环氧砂胶填缝+玄武岩纤维布补强；

4. 致密环氧树脂聚合物保护层

图8 混凝土表层结构渗透增强防护示意图

渗透固结保护层与基础混凝土具有优秀的兼容性。高渗透环氧固结剂渗透进入混凝土层，反应后与原碳化老化混凝土形成致密的环氧混凝土保护层，而表面过量和孔隙中的渗透剂固结形成稳定的环氧网状体封闭微孔隙、微裂纹，有效地阻断了外界有害环境的侵害，遏制了混凝土老化、开裂和钢筋锈蚀等现象。致密结构增强了混凝土表层的密实度和抗压强度，一般保护层嵌入基础混凝土深度＞5mm, 抗渗力≥0.5Mpa，抗压强度提升C30＞20%，拉拔破坏界面均出现在基础混凝土，网状体稳定、柔韧，拉伸率≥30%。

混凝土构筑物的耐久性是全社会必须高度关注的问题，因混凝土产品使用寿命达不到设计年限，每年造成千亿计的损失，并带来资源的浪费、环境的污染等一系列问题。现阶段实际工程项目中普遍使用的混凝土表面防护材料兼容性低、使用寿命短，防护层早期病害多、老化速度快，既无法对混凝土形成有效保护，又容易对自然环境产生污染。

解决混凝土耐久使用问题既要责任主体做到履职尽责、强化运行条件管控和保障，更要从混凝土病理特征出发，采取科学有效的防护措施，创造满足构筑物耐久运行的环境，控制缺陷和病害的发生和发展。混凝土表层结构渗透增强防护技术，从结构设计到体系材料选择，与基础混凝土及有害环境耐老化性能均具有很好兼容性，防护结构嵌入基础混凝土共同形成致密的环氧混凝土复合结构保护层，有效遏制微裂纹、缺陷、病害的发展，长效解决混凝土构筑物老化、开裂、钢筋锈蚀等问题。