凉水塔病害分析及维修方案

一、简介
风化类型
发生在凉水塔上的风化类型有：钢筋锈蚀、冻融循环破坏和开裂。以下将逐一对这些破坏类型进行讨论。
1、由于碳化反应导致的钢筋锈蚀
由于碳化反应引起的钢筋锈蚀主要发生在墙体外侧。引起碳化反应的原因是空气中的二氧化碳和酸雨与混凝土中的碱性材料发生化学反应，使混凝土的PH 值降低。一旦碳化深度到达钢筋位置，发生碳化反应的混凝土的PH 值降低到9-8.5 时，混凝土对钢筋的保护作用就会降低甚至消失，钢筋就会开始锈蚀。钢筋锈蚀后体积增大，对周围的混凝土产生张应力，最终使混凝土开裂和破碎。凉水塔内表面由于水的浸泡作用使混凝土也会有一定程度的碳化反应，因为混凝土的质量差异，碳化深度一般为3-5cm。(内部的碳化深度将决定结构的使用年限。) 图5 显示了相对潮湿环境、混凝土质量、氯化物含量等因素下的锈蚀概率。如果不使用氯化物添加剂，凉水塔通常不会受到氯化物侵蚀。在这个实例中，不用考虑氯化物的影响。图6，7 显示了与图2，3，4 相同的凉水塔的内部，没有发生由于钢筋锈蚀而使混凝土破碎的现象。
2、冻融循环破坏
凉水塔的集水池受冻融破坏非常严重。一些冻融破坏也可以发生在凉水塔内表面的底部和顶部。一些时间较长的凉水塔结构在顶部出现很多孔洞，这种破坏是由于这些混凝土的密实度不好造成的。混凝土结构在相对潮湿、混凝土质量、氯化物含量等因素下的锈蚀概率
3、开裂
在凉水塔中也可以发现由于干缩引起的开裂现象，但一般开裂的宽度较小。在凉水塔结构外表面由于锈蚀引起的开裂通常在混凝土破碎以前。
     凉水塔是典型的双曲面薄壁钢筋混凝土结构，在火电厂中对水进行冷却处理。和其他混凝土结构一样，凉水塔遭受风化并且需要维修。凉水塔可以分为三个独立部分：内表面、外表面、集水池。在这个方案中我们只对内、外表面进行处理。首先我们检查风化类型。
二、我公司所用的增强剂改性优止水的维修方案
在分析了水在凉水塔混凝土壁上的流动规律的以后，慎实公司向业主提供了一个性能高、造价低、耐久性好的维修方案。
1、 凉水塔内表面采用水泥基渗透结晶高效防水剂：
水泥基渗透结晶高效防水剂是一种高性能水泥基防水材料，与混凝土基层的兼容性非常好，硬化后抗压强度和粘结强度很高。水泥基渗透结晶高效防水剂具有极好的防水效果，同时还可以很好的阻止水蒸气扩散。
注：水蒸气扩散检测
ASTM F 1869-地板下结构混凝土潮气扩散速度的检测方法
水泥基渗透结晶高效防水剂已经在混凝土板上作为水蒸气阻滞材料应用，可以防止由于潮气扩散导致不可呼吸的地面涂装材料（如环氧地坪等）的剥离。使用的检测方法是ASTM F 1869，该方法已经在北美应用了三十多年了。这种方法检测水汽通过率的单位是lbs/100 m2 /24 小时。引起地板涂装层剥离的值是8 lbs/100 m2 /24 小时。1mm 厚的优止水防水层可以把扩散速度降低为5 lbs/100m2 /24 小时，通过很多项目的检测说明水泥基渗透结晶高效防水剂是一种优良的水蒸气阻滞剂。ASTM E-96 材料水蒸气扩散速度的标准检测方法，这种检测方法通常被称为干、湿杯法。
应用ASTM E-96 检测方法，湿杯方法，1mm 厚的有水泥基渗透结晶高效防水剂的涂层的水汽通过率是2-3perm。与干法检测相比较，湿法检测环境更加接近凉水塔的工作环境。因为使用了低渗透性的聚合物改性材料和独特的微硅粉成分，使得优止水具有很低的水蒸气通过率。水蒸气通过率小于1 时（在计算机仿真中）就成为了水蒸气屏障。水泥基渗透结晶高效防水剂是非常好的水蒸气阻滞剂，其性能也得到了ASTM E-96
检测方法的认证。
2、内部碳化反应防护
现在已经确定：凉水塔内壁由于水的浸泡作用，混凝土碳化反应不严重。水泥基渗透结晶高效防水剂能够很好的保护混凝土防止碳化反应。在分析类似材料数据的基础上，我们估计扩散阻力系数μ = 2.5 x 10-8cm2 sec-1 。数值决定于材料特性和涂层厚度。我们能够计算无量纲扩散阻力系数μ。
μ = DA (CO2)/DM (CO2) (1)
μ= DA/DM (1)
DA ：CO2 在空气中的扩散系数；DM ：CO2 在被检测材料中的扩散系数。
μ可以用于确定和被检测材料厚度相当的空气层厚度R，计算公式：
R = μ * S (2)
S：被检测材料的厚度，单位：米。
根据多特蒙德大学Klopfer教授的理论，当材料的R值大于50m时，其抑制碳化作用能力才能满
足要求。扩散系数μ也可以用来计算相应的混凝土厚度Sc ,计算公式如下：
Sc = μ L * S/ μ C (3)
μ L ：材料的扩散系数；
μ C ：常规混凝土的阻力系数；
S：涂装保护材料的厚度。
计算实例：
空气： DA = 0.149 cm2 sec-1
水泥基渗透结晶高效防水剂： DM = 1.8 x 10-6 cm2 sec-1
μCW =0.149/1.8x 10-6 = 8.3 x 104
相当的空气层厚度R
R = μ *S
当水泥基渗透结晶高效防水剂涂层厚度为1mm 时：R = 8.3 x 104 x 1 x10-3 = 83 m
所以水泥基渗透结晶高效防水剂是一种有效的防止碳化反应的屏障（R>50m）
相当的混凝土厚度Sc （阻止CO2 侵蚀）
μCW = 8.3 x 104
μ concrete = 400
SCW = 0.001 m
所以相当的混凝土厚度为 Sc = 8.3 x 104
x 1 x10-3 /400 = 0.2 m
3、防水性能
抗渗性能：
水泥基渗透结晶高效防水剂背水面的防水性能已经被证实了。在图11 中显示了迎水面和背水面防水的差异。
在混凝土试块迎水面应用防水材料时，涂层厚度约为2mm。水泥基渗透结晶高效防水剂涂层应在潮湿环境中养护28天。由于密封作用可以形成背水面压力。由于空气压力作用，可以看到水渗透。检测方法和联邦规范TT-P-1411A 一致。
在检测条件下，水泥基渗透结晶高效防水剂不失效。在水头压力为112ft 作用下、张应力为325kpa 时混凝土试块张拉破坏。水泥基渗透结晶高效防水剂可以大幅度提高材料的抗渗能力。
4、粘结能力
通过标准的拔拉实验检测水泥基渗透结晶高效防水剂在清洁坚固混凝土界面上的粘结强度超过3Mpa。
水泥基渗透结晶高效防水剂和环氧材料的对比 ：
a. 环氧材料在施工中和施工后的一段时间内对基层潮气非常敏感。高压水枪是一种便于操作、快速高效、成本低廉的混凝土界面清理工具。但高压水枪将导致水渗入混凝土内部，很难干燥。
大多数环氧材料施工时都要求基面必须干燥。由于混凝土的多孔性，水可以从一个地方转移到另一个地方，很难实现完全干燥。凝结的水遍及混凝土结构，形成的水珠导致混凝土含水率很高。混凝土结构的表面可能是干燥的，但是混凝土内部有很多的潮气，从而影响环氧类、聚氨酯类等材料与混凝土面的粘结。根据我们推测，环氧类材料失败的很大比例是由于混凝土中的潮气。
水泥基渗透结晶高效防水剂是水泥基材料，可以在饱和的混凝土面上施工，并且完全不受混凝土中潮湿气体的影响。
b. 由于环氧类材料和混凝土的物理性质完全不同，在混凝土和环氧面层之间会形成很高的毛细水压。该压力属背水面压力，可以导致环氧面层和混凝土面剥离。环氧面层是没有内部孔洞的水蒸气屏障。优止水是水泥基的防水屏障，和混凝土的物理性质相似，不会出现由于毛细水压作用而形成剥离现象。
综上所述，水泥基渗透结晶高效防水剂是一种能够进行迎水面和背水面施工的高性能材料，在潮湿环境中能够和混凝土基面很好粘结。
c. 环氧材料对基面清理要求很高，表面要非常光滑。表面准备非常关键，所有基面必须打磨光滑。表面过分粗糙将引起开裂,从而形成渗漏，甚至形成环氧材料和混凝土结构剥离。而对水泥基渗透结晶高效防水剂来讲，在施工以前，用掺入少量砂的高压水冲洗（大约 20Mpa）或者更高压力（超过35Mpa）没有掺砂的高压水冲洗表面就足够了。
d. 环氧类材料的热膨胀系数与混凝土差别较大，而凉水塔是一个薄壳结构，受阳光照射，其表面受热程度不均匀，因此外形是随时变化的，很容易造成环氧类材料的脱落。
水泥基渗透结晶高效防水剂是水泥基材料，其热膨胀系数与混凝土基本一致，因此不会出现由于温度不均匀而导致的脱落。
e. 钢筋表面同样需要适当的处理，在工厂条件下很难对钢筋进行没有针孔的表面处理。在现场条件下，环氧材料要求的没有针孔的条件很难达到。而水泥基渗透结晶高效防水剂对针孔效应不敏感。
e. 环氧材料是一种双组分系统，混合时对质量配比和搅拌质量要求很高，任何微小的误差就会对其质量和物理性能产生很大的影响。
虽然水泥基渗透结晶高效防水剂是水泥基的双组分材料，但与环氧材料相比，拌和要求不是很严格。
g. 环氧材料是非常粘稠的液体，很难施工。
水泥基渗透结晶高效防水剂调和好后是奶油状的灰浆，非常便于涂刷、抹、喷涂。
h. 环氧材料的两种组分混合后，很难对搅拌和施工工具进行清理。
用水可以很容易的对搅拌和施工水泥基渗透结晶高效防水剂的工具进行冲洗。
i. 环氧树脂是有毒的！第二种组分医疗胺或聚酰胺是毒性非常强的化学药品，在环氧材料施工时，必须随时佩带保护呼吸系统的面具。
水泥基渗透结晶高效防水剂是无毒无味的环保材料。
j. 环氧材料造价高。
和环氧材料相比，优止水造价低。
5. 外部保护材料——强力
通过上文可以发现，凉水塔的外壁防碳化保护比内壁重要。凉水塔外壁保护材料必须有很好的防水功能、耐久性、防止混凝土碳化性能和呼吸性。材料的呼吸性可以使混凝土内部的水分易于蒸发。由于这个原因，慎实公司从20 年前在混凝土表面使用强力（不透明的水基材料，亚克力/硅树脂）。这种保护剂主要应用在暴露在严重的冻融循环、冬季撒化冰盐、强紫外线照射等环境的混凝土结构上。这种材料的耐久性在混凝土保护工程中的长期应用已经得到了证明。
6. 混凝土结构的维修
混凝土结构的维修需要以下几种材料：
6.01. 含有纤维、阻锈剂的聚合物水泥基材料，如上面提到的水泥基渗透结晶高效防水剂；
6.02. UP2000 用于手工修补尺寸大于12mm 的破损区域；
6.03. 聚合物纤维增强的喷射混凝土修补体积比较大的破损区域。
6.04. 用纤维增强的注浆材料修补混凝土内部开裂。
柔性材料修补混凝土结构外部开裂，应用增强纤维网可以适应裂缝有较大位移，可以应用柔性密封材料处理裂缝。
7. 总结
7.01. 凉水塔结构会随时间的流失逐渐退化。主要有两个因素：混凝土碳化和冻融循环。
7.02. 凉水塔内壁通常用有机类材料进行保护，如：环氧树脂等。这些材料在很多工程中失败了。
失败的原因有很多，但在我们看来是由于这种材料和混凝土的特性不兼容，尤其是持续的潮湿环境和一些操作原因。