CN101736911A - 混凝土外保护或修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及“混凝土的外保护或修复方法”，属于混凝土建筑技术领域。混凝土的外保护或修复方法，是在混凝土的表面或破损处喷涂含改性硫磺的砂浆。该改性硫磺砂浆在混凝土建筑及结构表面形成的保护层具有良好的耐磨性、耐油性和防水性，且成本低廉、使用寿命长。保护层的密度大可以有效抵御外界环境对混凝土表面的侵蚀，对于混凝土结构抵抗外力破坏有着重要意义。

Description

混凝土外保护或修复方法
技术领域
本发明属于混凝土建筑技术领域，特别是一种保护混凝土外保护或修复方法。
背景技术
我国自建国以来，铁路、公路、水利、桥梁建筑等各个系统都建造了大量的混凝土结构建筑。几十年后的今天，结构损害情况大量存在，虽没有确切的统计，但是损失程度是相当大的。常见的情况是混凝土结构建筑投入使用十几年后，就会出现大量破损和裂缝，从而导致钢筋锈蚀等病害，需要修补、加固、甚至改建、重建。目前，世界发达国家对各类钢筋混凝土结构建筑都规定有设计使用年限。英国BS5400规定为130年，美国AASHTO规定为80年以上。很多国家对70％以上的混凝土结构建筑物做了外保护。我国对此还未做明确规定。但从近几年开始，对一些重点工程已注意投资对混凝土进行外保护。混凝土是一种非匀质多孔性材料，决定其耐久性的内在因素主要是混凝土的化学性质及其微观的结构缺陷。一般来讲，硅酸盐具有一定的化学惰性。混凝土缺陷主要表现在其内部的孔隙和微细裂缝，这种孔隙(孔径大于25mm)又互相连通。自然空间环境中存在的二氧化碳、水分、氯离子等就可以通过上述孔隙和裂缝进入混凝土结构内部，造成一系列侵蚀，给裸露的混凝土造成病害，出现混凝土碳化反应、结构钢筋锈蚀、碱骨料反应、冻融破坏、腐蚀性化学物质侵蚀。如不及时针对混凝土病害进行科学有效的维修保护，运营中的建筑物轻则会出现外表层支离破碎、钢筋生锈，影响建筑物美观，重则会出现结构强度下降，严重影响人民生活及工业生产安全。
防治混凝土病害的有效措施，除发展高密实性水泥外，还必须对其外表面进行成膜保护，如同对木制家具、金属制品外表面进行漆膜保护一样。据加拿大慎实工业有限公司埃文博士介绍，在混凝土外表面进行涂膜保护后，其使用寿命是裸露水泥面的一倍。对原混凝土建筑做维修保护后，使用寿命可延长20～30年。现有的混凝土成膜保护剂主要为有机硅系列，如清水混凝土保护剂，美国的永凝液DPS(Deep Penetration Sealer深渗透结晶型防水材料)，是将上述产品喷涂在混凝土的表面，它的防水机理是与混凝土中的游离碱产生化学反应，生成稳定的枝蔓状晶体胶质，能有效地堵塞混凝土内部微细裂缝和毛细空隙，使混凝土结构具有防水功能和较好的密实度及抗压强度。但这种保护剂的耐侵蚀性差、成本高，只能对雨水起到防护作用，不能在酸雨中或海洋里起到作用，而且对于阳光充足紫外线较强的地方，有机硅膜很容易老化，该涂层也不能够对埋于地下的混凝土结构给予有效的保护。
当由于养护不当或外力的作用使裸露在自然界的混凝土结构发生掉块，裂缝等机械性损伤时，这种有机硅膜与旧混凝土之间的粘结性能差，不能有效的修复破损的混凝土。现阶段对混凝土的修复还是用原配比的混凝土，但是混凝土在刚施工完后，没有任何强度，且需要经过28天的养护才能达到最高强度，这对于处于工作状态的混凝土来说简直没法完成修复目的。
发明内容
本发明的目的是提供一种混凝土结构的外保护方法，可以防止各种化学介质及微生物、自然条件侵蚀混凝土管道，且能对破损的混凝土进行有效的修复。
混凝土的外保护或修复方法，其特征在于：在混凝土的表面或破损处喷涂含改性硫磺的砂浆，所述改性硫磺由下列所述方法制得：A、将硫磺加热熔解后与改性剂混合，并持续加热至120～200℃；生成改性硫磺，所述改性剂的重量为硫磺重量的2％-40％，所述改性剂为下列物质中一种或几种：苯乙烯，邻、间或对位甲基苯乙烯，2，3-二氢化茚，双环戊二烯或二戊烯。
所述硫磺指的是天然硫磺，石油精制或天然气脱硫的硫磺。
优选改性剂的重量为硫的重量的5％～10％，改性温度为160～180℃。
所述含改性硫磺砂浆由改性硫磺、无机固体粉粒、有机纤维或矿物纤维、树脂或无机粘合剂构成，其重量比为：1∶0-0.6∶0-0.4∶0-0.5。
优选：改性硫磺、无机固体粉粒、有机纤维或矿物纤维的重量比为：1∶0.1-0.5∶0.01-0.05∶0.05-0.3。
所述无机固体粉为粉煤灰或钢渣或石英砂或建筑垃圾粉碎渣，无机固体粉粒的细度为30目-300目。
所述有机纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维或芳纶纤维；所述矿物纤维为岩棉，所述有机纤维或矿物纤维的长度为0.5mm-10mm。
所述树脂为环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂或丙烯酸酯。
所述保护或修复方法，还包括在喷涂含改性硫磺的砂浆前，先喷涂树脂层，所述树脂层的材料为环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂或丙烯酸酯。
所述保护或修复方法还包括在树脂层缠上增强网格布。
本发明的改性硫磺是将硫磺加热熔化后在改性剂的作用下形成网状结构的硫自聚物，改性硫磺熔化后喷涂在混凝土的表面，形成一层保护层，该保护层稳定性好，粘结力高，是一层坚实厚壳，外界的水分进入不到混凝土结构中去，同时可以抵御外界风沙的风蚀摩擦，且耐水、酸、盐，可以在环境比较恶劣的地区如盐碱地、盐湖区、酸性土壤或经常下酸雨地区或海中等地的建筑物进行外保护。保护膜的厚度可以混凝土的使用环境来决定，一般为1-5mm。
为增强保护层对外界的侵蚀，提高强度，可以在改性硫磺中加入无机固体粉粒，如粉煤、钢渣、石英砂或建筑垃圾，一是可以废物利用，同时这些固体粉粒的成分跟混凝土的成分相似，可以增强保护层的强度，同时可用于修复混凝土的掉块掉皮、裂缝及隧道防渗，通过调整保护材中的材料比例，可以使保护膜的线膨胀系数(18.7×10-6)和混凝土的线膨胀系数相同(14×10-6)。
为增加混凝土与保护层的粘结性能，可以在改性硫磺砂浆内加入树脂，或是喷涂保护层之前喷涂一层树脂层，使树脂与改性硫磺的网状结构之间形成物理分子交联，从而增加粘度与强度。
为增加混凝土结构表面掉皮修复合的强度、韧性、耐冲击与拉伸的机械性，从而尽量避免出现裂纹崩缺等机械损伤，可以在上述的改性硫磺砂浆内再添加纤维，或是在混凝土表面缠上增强网格布后喷涂改性硫磺砂浆，此时的改性硫磺砂浆可加可不加纤维。
混凝土的修复方法与外保护方法相同，只是将改性硫磺砂浆喷涂在破损处，或挤入裂缝中，其新旧混凝土之间的粘结强度非常高，特别是掺入了无机固体粉粒的修复，与破损处的接合非常好，粘结度高，可以承受压载。实验证明，本发明修复后的混凝土在2小时后的抗折强度达到7-9MPa，抗压强度40MPa，与原混凝土基本融为一体。本发明的修复方法是采用热融的改性硫磺砂浆，等喷涂完成后冷至室温马上就可以达到最高强度，不需要养护，施工方便，修复快。
本发明方法在混凝土建筑及结构表面形成的保护层具有良好的耐磨性、耐油性和防水性，且成本低廉、使用寿命长。保护层的密度大可以有效抵御外界环境对混凝土表面的侵蚀，对于混凝土结构抵抗外力破坏有着重要意义。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明
实施例1
A、将天然晶体硫磺S8与改性剂反应，改性成为带网状结构的高分子硫磺
具体方法为在将硫磺加热到120℃-150℃熔化后与改性剂混合，并持续加热生成改性硫磺。改性后硫磺稳定性强，粘结力高，结成了一层坚实厚壳，可以抵御外界风沙的风蚀摩擦，耐冻、耐水、保温性高。
改性剂可以是芳香族碳氢化合物，例如苯乙烯，甲基苯乙烯等，也可以是二烯(属)碳氢化合物类或烯烃类碳氢化合物，例如：2，3-二氢化茚，二聚环戊二烯，二戊烯，改性剂可以是上述化合物中的一种或两种以上的结合。改性剂的重量为硫的重量的2％。
B、将步骤A得到的改性硫磺熔化后喷涂到事先经过除净的混凝土结构表面形成保护层。保护层的厚度为1毫米。
实施例2
A、与实施例1中步骤A不同之处在于硫磺采用石油精制或天然气脱硫的硫磺，改性剂的重量为硫的重量的40％，改性过程需要将天然硫磺加热到150℃后与改性剂混合并持续加热得到改性硫磺。然后向得到的改性硫磺中混入无机固体粉粒，无机固体粉粒优选粉煤灰也可以选用钢渣或石英砂或建筑垃圾等，主要目的在于增加改性硫磺的强度。无机固体粉粒的重量为硫的聚合物重量的5％，无机固体粉粒的细度为50目。
B、将步骤A得到的熔化的改性硫磺与无机固体粉粒的混合物喷涂到预埋混凝土管道的表面，保护混凝土管道及结构不受各种化学介质或微生物的侵蚀。防护层的厚度为3毫米。
实施例3
A、与实施例2的步骤A不同之处在于改性剂的重量为硫的重量的3％，硫磺加热熔化温度为200℃；无机固体粉粒的重量为改性硫磺重量的50％，无机固体粉粒的细度为300目。
B、在混凝土结构表面涂覆一层树脂类粘合剂，树脂类粘合剂可以是环氧树脂粘合剂、聚氨酯树脂粘合剂、不饱和聚酯粘合剂、酚醛树脂胶粘剂、丙烯酸酯胶粘剂或无机胶粘剂等。在树脂类粘合剂形成的层还没有固化之前，将步骤A得到的熔化后的改性硫磺与无机固体粉粒的混合物喷涂到树脂类粘合剂上，形成物理上的分子胶联，从而相互增加黏度与强度，形成保护层。保护层的厚度为3毫米，
实施例4
A、与实施例2的步骤A不同之处在于改性剂的重量为硫的重量的30％；无机固体粉粒的重量为改性硫磺重量的10％，无机固体粉粒的细度为80目。
B、将实施例3所述的树脂类粘合剂与步骤A得到的改性硫磺混合后再与无机固体粉粒混合，树脂类粘合剂的重量为改性硫磺重量的3％，混合后的混合物喷涂到已经经过清洁处理的混凝土表面形成防渗层。防渗层的厚度为5毫米。
实施例5
A、与实施例2的步骤A不同之处在于改性剂的重量为硫的重量的40％；无机固体粉粒的重量为改性硫磺重量的30％，无机固体粉粒的细度为200目。
B、将实施例3所述的树脂类粘合剂与步骤A得到的改性硫磺与无机固体粉粒混合，树脂类粘合剂的重量为改性硫磺重量的50％，混合后压入或灌入混凝土结构的裂缝处或断裂处进行新旧粘结，新旧粘结之间的粘结强度在5Pa以上。
实施例6
A、与实施例2的步骤A不同之处在于改性剂的重量为硫的重量的10％；无机固体粉粒的重量为改硫磺重量的20％，无机固体粉粒的细度为100目。
B、将实施例3所述的树脂类粘合剂与步骤A得到的改性硫磺与无机固体粉粒混合，树脂类粘合剂的重量为改性硫磺重量的5％，混合后的液态下，挤压或灌入混凝土建筑及结构的裂缝之中，进行修复。新旧混凝土之间的粘结强度达到3Pa以上。
实施例7
本实施例与实施例6不同之处在于步骤B中树脂类粘合剂的重量为改性硫磺重量的30％。
实施例8
A、与实施例2的步骤A不同之处在于改性剂的重量为硫磺的6％，无机固体粉粒重量为改性硫磺重量的25％，无机粉粒的细度为150目。
B、为了增加混凝土结构表面掉皮修复后的强度、韧性、耐冲击与拉伸的机械性，从而尽量避免出现裂纹崩缺等机械损伤。在步骤A得到的改性硫磺与无机固体粉粒混合物中掺入短纤维，纤维的长度可以在0.5mm到1cm之间，纤维的重量占改性硫磺重量的0.5％-40％，纤维可以选用以下材料的一种或若干种的组合：聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、芳纶纤维、矿物纤维。矿物纤维优选岩棉，优选纤维的长度为1mm、10mm。
将实施例3所述的树脂类粘合剂喷涂在事先除净的旧混凝土建筑及结构的掉皮表面，在树脂类粘合剂形成的层还没有固化之前，将步骤B得到的熔化的改性硫磺与无机固体粉粒和纤维混合物喷涂到树脂类粘合剂上进行修复。
实施例9
与实施例8不同之处在于：在步骤B中无须加入纤维，而是在树脂类粘合剂形成的层还没有固化之前缠上增强网格布，将步骤A得到的熔化改性硫磺与无机固体粉粒混合物喷增强网格布上，形成保护层。增强网格布一般是玻璃纤维制成的，也叫玻璃纤维网格布，在本实施例中采用玻璃纤维网格布替代实施例8中加入的纤维，起到的作用同样是为了增加保护层的韧性和耐冲击、拉伸的机械性，从而尽量避免出现裂纹崩缺等机械损伤。
实验例：
1、毒性实验
为了降低成本，本发明尽可能使用产业废弃固体物作为无机固体粉粒的添加料，增加保护层的强度和耐久性，但行业不同产业废弃物中的物质也不相同。
在国家环境分析测试中心进行了毒性的测试，将电池中的碳黑粉约20％掺入到加有无机固体粉粒的保护层原料中，做成10×10×5cm的试块，再将该试块粉碎后放入纯水中浸泡10天之后测试水中的物质，无毒性物质溶出。证明改性硫磺密度大足以使有毒物质难于析出，保证了建筑施工的环保性能。
2、耐酸、耐盐实验
根据国家建材行业标准JC/T984-2005，做10×10×10cm的试块7块，1块是纯混凝土的，用于放置在空气中做空白对照，6块为保护层材料做成的试块，其中3块在pH1的盐酸里浸泡90天后做抗压强度试验，另3块在3％的NaCl溶液中浸泡90天后做抗压强度试验，说明其耐酸耐盐效果好。还有两块为修复混凝土的试块，修复好后做抗压强度实验，说明本发明的改性硫磺砂浆与混凝土的结合非常好。
  试块(10cm×10cm×10cm)  试验条件   抗压强度(MPa/mm2)  2小时后的抗折强度(MPa/mm2)
  试件1(改性硫磺)  pH1盐酸   20  1.5
  试件2(改性硫磺60％+建筑垃圾30％+环氧树脂5％+矿纤维5％)  pH1盐酸   50  7.3
  试件3(改性硫磺65％+钢渣35％)  pH1盐酸   78  9.3
  试件4(用试块3配方修复掉角的旧混凝土试块)   28  3.6
  试件5(改性硫磺80％+煤灰20％)  3％NaCl溶液   45  6.2
  试件6(改性硫磺70％+石英砂20％+矿纤维10％)  3％NaCl溶液   48  5.7
  试件7(改性硫磺70％+石英砂20％+矿纤维10％)  3％NaCl溶液
  试块(10cm×10cm×10cm)  试验条件   抗压强度(MPa/mm2)  2小时后的抗折强度(MPa/mm2)
 试件8(在混凝土试块的裂缝中灌入改性硫磺80％+20％石英砂混合料修复混凝土试块)   32   4.3
 试件9纯混凝土试块)   空白(28天养护)   28   3.9
3、抗渗试验
依据国家建材行业标准JC/T984-2005对本发明方法中的保护层做了抗渗试验，按实施例1、2、4的保护层材质在混凝土上喷涂6.3cm，6.4cm，6.5cm厚成型后进行了测试，抗渗压力达到2.5MPa，本发明中的保护层无渗水现象，证明本发明方法中的保护层有着良好的抗渗效果，说明无论在地下或地上都可以耐腐蚀性液体侵蚀。
4、收缩率试验
依据国家建材行业标准JC/T984-2005对本发明方法中的保护层做了收缩率试验，收缩率均低于为0.05％。证明本发明方法中的保护层可以附着在混凝土，低收缩率不造成保护层的龟裂，胀开。
5、老化试验
依据国家建材行业标准JC/T894-2001对本发明方法中的保护层做了老化试验，10×10×40cm的试块，在45度的紫外线250小时照射后测试其抗压强度，对比为纯混凝土试块和北京某公司生产的混凝土保护剂。
  试件   45度紫外线照射250/h
  试件1(混凝土+改性硫磺保护层1mm)   外表无变化
  试件2(混凝土+(改性硫磺80％+钢渣20％)保护层2mm)   外表无变化
  试件3(混凝土+(改性硫磺70％+石英砂20％+矿纤维10％)1mm)   外表无变化
  试件4(混凝土+(环氧树脂层1mm+改性硫磺60％+建筑垃圾30％++矿纤维5％)2mm)   外表无变化
  试件5(混凝土+混凝土保护剂涂层1mm)   变色
  试件   45度紫外线照射250/h
  试件6(混凝土+混凝土保护剂涂层2mm)   变色
  试件7(纯混凝土)   变色
照射后的混凝土保护剂层已经变色，而本发明中的保护层还保持完好如新，从上面的实验记录也可以看出混凝土保护剂涂层的老化与纯混凝土的类似，表明混凝土保护剂涂层不能抗紫外线照射，而本发明的保护层能抵抗紫外线的照射。
6、抗冻融快速循环试验
依据GBJ82-85国家标准对本发明方法中的保护层进行抗冻融快速循环试验，试块10×10×10cm，其质量损失0％，相对弹性模量为85.2％。(保护层配方：(改性硫磺70％+石英砂20％+矿纤维10％))
在-20℃-20℃下，每4小时一次的抗冻融试验均达到700次以上，大大超过国家对普通混凝土的长期性和耐久性的质量标准。

Claims (10)

1.混凝土的外保护或修复方法，其特征在于：在混凝土的表面或破损处喷涂含改性硫磺的砂浆，所述改性硫磺由下列所述方法制得：A、将硫磺加热熔解后与改性剂混合，并持续加热至120～200℃；生成改性硫磺，所述改性剂的重量为硫磺重量的2％-40％，所述改性剂为下列物质中一种或几种；苯乙烯，邻、间或对位甲基苯乙烯，2，3-二氢化茚，双环戊二烯或二戊烯。
2.根据权利要求1所述的方法，所述硫磺指的是天然硫磺，石油精制或天然气脱硫的硫磺。
3.根据权利要求1所述的方法，所述改性剂的重量为硫磺的重量的5％～10％，改性温度为160～180℃。
4.根据权利要求1所述的方法，所述含改性硫磺砂浆由改性硫磺、无机固体粉粒、有机纤维或矿物纤维、树脂或无机粘合剂构成，其重量比为：1∶0-0.6∶0-0.4∶0-0.5。
5.根据权利要求1所述的方法，所述改性硫磺、无机固体粉粒、有机纤维或矿物纤维、树脂或无机粘合剂的重量比为：1∶0.1-0.5∶0.01-0.05∶0.05-0.3。
6.根据权利要求4或5所述的方法，所述无机固体粉为粉煤灰或钢渣或石英砂或建筑垃圾粉碎渣，无机固体粉粒的细度为30目-300目。
7.根据权利要求4或5所述的方法，所述有机纤维为聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维或芳纶纤维；所述矿物纤维为岩棉，所述有机纤维或矿物纤维的长度为0.5mm-10mm。
8.根据权利要求4或5所述的方法，所述树脂为环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂或丙烯酸酯。
9.根据权利要求1-5任一所述的方法，还包括在喷涂含改性硫磺的砂浆前，先喷涂树脂层，所述树脂层的材料为环氧树脂、聚氨酯树脂、酚醛树脂或丙烯酸酯。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括在树脂层缠上增强网格布。
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