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隧道修复与补强技术之探讨

日期:2015-12-25 13:47:54 来源:转载 浏览数:
 
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    前言
    台湾渐趋高龄化社会,社会小区整体不复以往充满活力。公共工程暨交通运输、民生系统业已不复以往需求,公共工程整体预算势必相对减少。然而,为保护现存社会资产,维持既有基础设施的使用状况和长期的服务水平与安全性,延长既有基础设施的服务年限,减少重新建造对环境造成的不必要冲击,并达成节能和节省自然与社会资源的效果,才符合永续发展的观念。
    由于基础建设逐年累积,必须维护管理的公共构造物逐年增加,因此政府投入维护的费用逐年提高,一旦多数公共构造物步入中老年期,维护费用必将急剧攀升。只有技术上正确、经济上可行的解决方案,才能使人满意。为此,选择正确的维修补强工法,必须充分掌握整体结构物发生问题的现象与原因,并考虑环境、结构与施工作业等条件,检查实施的规模与范围、施工性、经济性与工期等,才能选择出最佳技术与方法,赋予公共构造物生命周期的真正价值。
    1· 衬砌劣化原因
    凭心而论,一般钢筋混凝土构造物在适当的施工下,钢筋包覆于混凝土结构中,拥有相当程度的保护层,并在混凝土的碱环境保护下惰性化,而免受锈蚀。然而,台湾受海洋性气候影响,钢筋混凝土构造物长期暴露于易侵蚀的环境中。随着时间的发展,空气中的水分子、氯化物以及废气产生的化学腐蚀物质,悄然无息地侵入混凝土结构体内;当钢筋表层的混凝土碱度降低,或是有水分和氧气存在,或是有氯离子存在的情况下,钢筋表面的钝态保护膜很容易被破坏,促使钢筋发生氧化反应而产生锈蚀。这种不可逆的氧化反应,除非进一步制约或制止,否则势必持续发生。伴随钢筋氧化反应的物理现象是体积膨胀,在钢筋混凝土结构内部的膨胀会导致混凝土开裂。此时,更加速了各种腐蚀性物质侵入,以及各种样态化学反应和混凝土劣化的速率。另一个主要影响因素是混凝土中性化(Carbonation)。混凝土中的氢氧化钙Ca(OH)2(可溶性,pH值12.5~13.5)与空气中的二氧化碳产生反应,形成弱碱性的碳酸钙CaCO3(不可溶,pH值<9)。此种因CO2的相互作用,而使得混凝土pH值由强碱性转变为弱碱性过程,即所谓的混凝土中性化(Carbonation of Concrete),其反应式如下:
    Ca(OH)2+CO2 → CaCO3 + H2O
    此时,混凝土结构物内部的钢筋惰性化碱环境遭到弱化,钢筋锈蚀使保护层也受到直接影响。
    此外,地下水含有的腐蚀性介质如硫酸盐等,会逐步侵蚀混凝土。这些主要而直接的影响因素导致钢筋混凝土结构物损坏,严重缩短其使用年限。
    1.1 隧道衬砌受损因素及异状
    我们尝试着区分不同类型的隧道衬砌受损因素,略叙述如下:外力作用,如撞击、磨损、过负载、地震等;混凝土受化学作用,包括碱骨料反应、化学腐蚀、微生物等;物理作用,包括热效应、冰冻、风化、冲刷等;钢筋锈蚀,如氯离子或中性化引发、电流腐蚀、化学腐蚀等。伴随上述因素,相对于隧道混凝土衬砌所呈现的异状分别有:衬砌开裂、衬砌剥离、衬砌剥落、散状剥落、钢筋外露、裂缝渗漏水、仰拱隆起、衬砌入侵、背后空洞、错动、衬砌开裂掉落、衬砌鼓起、施工缝分离等。此处使用“异状”分类,隐含初步直接判断、实际损害原因须进一步解决之意。
    1.2 隧道衬砌修复和补强的价值、意义与目的
    多数情况下,面对钢筋混凝土结构物修复和补强,都没有明确的目的与价值意义,以至于对各种裂缝和损坏情形修复和补强的意义都充满了目的取向不同的谬误,甚至误以为修补了裂缝,就可以延长结构物的使用年限。这的确忽视了钢筋混凝土结构物整体材料结构行为。“延长现有建筑物之服务年限”,通常是一般预期的目的。然而,定义钢筋混凝土结构物的生命周期,又常令人却步,因为难以回答究竟延长了多久服务年限。退而求其次,“改善与修复结构抗腐蚀能力”,这在某种意义上只是推迟了损坏和恢复其原有功能的作用。另外,为“改良功能所进行的修复与补强”工程常伴随不同等级的改良,通常降低服务功能的修复和补强工程争议不大。提升服务功能的修复和补强工程,例如人行隧道改良为公路隧道,“加强现有结构强度及韧性补强”通常无法避免。针对钢筋混凝土结构物修复和补强的价值、意义和目的,制定实际工程目标,就变得很有意义。我们面临的选择:1)不作任何处理;2)降低结构物的载重等级;3)避免或降低将来的伤害;4)改善、修补、补强部分或全部的结构;5)拆除或重建。
    2 ·物理性修补
    2.1 混凝土表面气孔修补
    造成混凝土表面气孔(或蜂窝、麻面)的原因有很多,如众所周知的与混凝土配比不当、混凝土浇置技术不良、混凝土浇置捣实振动不良等情况发生有关连。表面气孔通常在结构新建的初期即可目视发现,多数情况与混凝土结构有关,此处仅泛指初步目视,并未影响结构的表面气孔。气孔意味着有质量缺陷,须实时修补,否则容易导致钢筋混凝土结构提早出现问题。
    修补材料选择:1)接着层:水、水泥、砂及防水黏着添加剂;2)修饰层:一般高效能修饰砂浆。
    施工依序是:混凝土表面打磨→清洁→混凝土表面湿润→接着层涂布(将水、水泥、砂及防水黏着添加剂混合搅拌)→湿对湿结合→由于气孔厚度较薄,一般再补上一层表面修饰性砂浆,即已足够。修饰性砂浆之目的,在于维持混凝土表面颜色一致。
    主要注意事项:1)与混凝土接着强度须大于1.5N/mm2;2)接着层必须选择混合能增进防水功能的添加剂。
    2.2 混凝土表面厚层修补
    混凝土表面厚层修补相对于混凝土表面气孔修补,修补材料主要差异在于是否会有垂流现象。而对于钢筋混凝土构造物而言,主要差异在于钢筋是否外露(不包括裂缝与渗水)。一般混凝土垂直面厚层修补,涂布接着层必须具有防水功能,宜含有钢筋腐蚀抑制剂成分;修补层部分在适当调整水灰比的情形下,多数认可约2cm~5cm厚度,足以抵抗垂流。材料选择:1)接着层:水、水泥、砂及防水黏着添加剂;最好掺有钢筋腐蚀抑制剂成分;2)厚层水泥砂浆:预拌式水泥系(含硅灰成分及无收缩功能)、环氧树脂(无溶剂成分)+石英砂=环氧树脂修补砂浆;3)修饰层:一般高效能修饰砂浆。
    施工依序是:混凝土表面打磨→清洁→表面湿润→接着层涂布→湿对湿结合→涂抹厚层修补砂浆→修饰性砂浆。
    主要注意事项:1)接着层是否具备防水、抑制钢筋腐蚀能力及接着强度;2)表面处理情形;3)钢筋是否外露;4)施工程序;5)修补材抗压强度;6)垂流性;7)材料兼容性;8)须在意每种材料的水灰比不同。
    2.3 混凝土组模灌浆修补
    大面积以及相对较深厚的混凝土结构物出现异状,一般人工修饰涂抹并不足以完备所有细节。此时,重组外模并进行较细腻的灌注操作是必需的。材料选择:1)接着层和厚层水泥砂浆同前述;2)二次渗透灌注层:超微细水泥、低黏滞性环氧树脂;3)修饰层:一般高效能修饰砂浆。
    施工依序:混凝土表面打除→表面清理→预湿→涂布接着层/防侵蚀→设置外模→无收缩水泥灌注→外模震动→通风孔覆盖→二次渗透性低压灌注→外模移除。
    注意事项:1)通风排气孔的设置须特别在意;2)二次渗透性灌浆须采低压灌注;3)材料强度及兼容性。
    综上所述,我们已提及环氧树脂、聚酯树脂、水泥砂浆粉体、水泥等各类型修补材料。混凝土结构物修复材料的一般性质汇总见表1。
 
    2.4 裂缝修补
    裂缝一般均伴随有钢筋生锈、白化等现象;若为结构裂缝,则还会受应力集中之影响。通常剪力裂缝 > 0.2mm,挠曲裂缝 > 0.3mm均视为结构裂缝,且不论宽度大小,均对混凝土结构物耐久性产生影响。材料选择和前述混凝土表面气孔修补、厚层修补相同,修补的程度视裂缝深度决定。施工依序较前不同的是:先在裂缝两侧切割一道V型槽沟→清洁→混凝土表面湿润→接着层涂布→湿对湿结合→涂抹修补砂浆→表层修饰。
    2.5 裂缝注射修补
    讨论混凝土结构物裂缝的修复和补强,令人津津乐道、印象深刻的,当属那一整排神神密密、晦涩不明的注射筒。一般做法:先用环氧树脂封胶进行表面封层→每隔15cm~30cm设置灌注底座→使用低黏滞度、无溶剂、高强度的环氧树脂进行灌注。注射时机、有无渗水问题、施工程序、封层及注射用材料是重点注意的事项。压力过高会有打开裂缝、增添裂缝之疑虑;压力过低亦有灌注材料不及于裂缝尾端之现象。
    2.6 裂缝止水修补
    混凝土结构物表面若存在润湿可见水滴的情形,皆无法和现今化学裂缝灌注材料有效接合。水分子存在其接口处,常造成裂缝修补的失败。有效的做法是将渗水的主要源头先行制约或改变其流动方向。此现象常见于隧道和地下结构物,地面上混凝土结构物除管线破裂外,一般不会伴随渗水现象。隧道和地下结构物裂缝的产生,绝大多数伴随渗水现象,而且源源不绝。若未先行制约或改变水流方向,此处裂缝修复不易令人满意。多数情况是注射遇水膨胀型化学药剂,在混凝土结构物外侧形成一层固体泡沫状的化学物质,封阻并改变地下水流动的方向,使混凝土结构物表面呈现干燥情况,以利修补。
    上述裂缝注射修补和裂缝止水修补,在隧道和地下结构物中通常伴随而行。我们面临的事实是,并不知道灌注进入地下土体的实际情形。一般而言,这些化学灌注材料、注射距离、接着强度、耐久性、混合稳定性、膨胀性、灌注压力、工作时间、硬化速率、硬化后体积变化率、环境影响/毒性、耐火性等,在实验室条件下和生产程序中可以受到严谨、主动的控制;然而,实际遇到的裂隙宽度、环境、温度变化等,都足以使这些化学灌注材料难以发挥正常功用。一般的工程师不知其不可为而为之;聪明的工程师,面对这些不确定性问题,能理性逻辑分析,并妥当运用这些化学灌注材料特性,使用阶段式程序收敛风险,实现其工作目的和效果,尽量恢复钢筋混凝土构造物原有功能,或抑制钢筋混凝土构造物继续恶化的期程。
    2.7 裂缝导水修补
    隧道和地下结构物中,裂缝和渗水通常伴随而生;此处所述并不为恢复钢筋混凝土构造物原有功能,或抑制钢筋混凝土构造物继续恶化,而是直接改变混凝土构造物的服务等级。裂缝和渗水状况依旧继续存在,使用一些简易材料,例如不锈钢材或橡胶,将渗水导流至边沟,只要这些渗水不影响使用即可。
    3· 防腐蚀保护
    防腐蚀保护的课题,在一些非常专业的场合常被提及,然而普及的防腐蚀保护,却并未被广泛使用。一些传统的方式,如包覆与隔离以及提供额外之喷凝土(喷射混凝土)保护层,都具有完美地改善结构外观,可提供额外的隔离且具有长期保护效果的优点。这些传统工法的缺点在于,可能隐藏了潜在的损伤,对将来的侵蚀影响并无帮助,使损伤发展至难以修复的地步。另外,阴极防蚀法暨碱性还原法,亦有维护系统需要长期花费、永久性维护须搭配完整的修补计划,许多结构物类型并不适用等待解决事项。此处尝试以非传统的方式、高分子材料以及阶段性步骤,逐步接近钢筋混凝土修复与补强的目标。
    在兴建阶段的防腐蚀保护措施之一,为增加混凝土的致密性,有助于阻隔空气中的水分子以及腐蚀物质入侵混凝土结构体内。添加硅灰以及降低水灰比是有效的。此时,混凝土内添加抑制钢筋腐蚀添加剂,对钢筋会有更进一层的保护作用,即预期增加保护钢筋混凝土构造物原有功能的期程。
    经常开展的修复阶段防腐蚀保护,或许为了使混凝土构造物达到服务年限,亦或为了延长使用年限。渗透式钢筋腐蚀抑制剂如今被广泛使用,并被证明能简易、快速地达到预期功效。直接将渗透式钢筋腐蚀抑制剂,涂布于钢筋混凝土结造物的表面,渗入混凝土5cm~8cm,并在钢筋表面形成电子保护膜,减缓钢筋生锈速度或延迟钢筋开始生锈时间。经过国际认证试验室认证,10年后仍存在于钢筋表面。而针对混凝土部分的保护,可使用混凝土表面保护涂料涂装。一般分为砂浆涂料和化学涂料,化学涂料以较佳的特性和具备裂缝桥接功能(密封裂缝),普遍能有效延长使用年限。材料使用需注意是否具有裂缝桥接功能、黏结强度、水气扩散抵抗能力、二氧化碳扩散抵抗能力、紫外线抵抗能力等,即需要能够有效抑制钢筋混凝土构造物继续恶化的进程。
    4· 结构补强
    前面我们讨论了恢复钢筋混凝土构造物原有功能、抑制钢筋混凝土构造物继续恶化的进程,以及预期增加保护钢筋混凝土构造物原有功能的期程。本章节讨论的是,额外增加钢筋混凝土构造物功能亦或改变其功能的期程。正如“9·21”地震过后,地震分区及震度分别有不同程度的调整。此时一些钢筋混凝土构造物必须根据不同震度的提升,额外增加其承载功能,即:提高梁、楼板的弯矩强度;提高柱的侧向围束力;提高剪力强度;提高劲度、塑性。碳纤维网结构补强系统,被简单运用于一般结构物受损、变形量过大、提高抗震能力、钢筋不足、钢筋锈蚀等方面,以加强梁、楼板和柱的抗弯、抗剪强度或劲度等。超微细水泥,也被大量运用于加强地下结构物支撑或承载,以及抵抗土壤液化问题。这些额外增加或改变其功能的补强作用,一般未被赋予耐久性和使用年限的要求;然而,严格地说,设计基本功能已经改变,生命周期基本架构业已调整,负责任的工程师应当为其补强的措施,给予生命周期的意义。
    结论
    (1)不管是恢复钢筋混凝土构造物原有功能、抑制钢筋混凝土构造物继续恶化的进程,还是预期增加保护钢筋混凝土构造物原有功能的期程,我们使用了大量的不确定性形容词,使钢筋混凝土构造物的修复和补强,无法明确界定和量化其功效及价值。修复和补强的意义含糊、目的不清,甚至误以为修补裂缝,就可以延长结构物的使用年限。显然,这忽视了钢筋混凝土结构物的整体材料结构行为。定义生命周期是当务之急,只有明确定义了生命周期,才能彰显钢筋混凝土结构物修复和补强的意义。
    (2)兴建之后、验收之前的钢筋混凝土结构物的修复和补强,必须受到重视。主要意义在于,确保并完备钢筋混凝土构造物原有功能。修复和补强前、中、后的载重方式,以及未来修复和补强工作的可能性,也同样重要。
    (3)工程师需理性逻辑分析,充分掌握材料特性,选择运用适宜的修补材料和方式。面对地下结构高度的不确定性,合理判断,使用阶段式程序降低风险。以简单方法解决问题,往往事倍功半。

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