保护钢筋 - Wacker Chemie AG


保护钢筋

融雪盐、雨水、空气中的湿气和二氧化碳都能对钢筋混凝土结构造成严重的损害。因此,在桥梁、高速公路或公路隧道等基础设施工程中,工程师尤为依赖含硅烷的憎水性浸渍剂,日本最大的建筑公司——鹿岛建设株式会社(Kajima)也不例外。

博格豪森应用技术实验室中,技术人员正在用刷子将硅烷膏体涂覆于混凝土立方块表面,以进行测试。

终年积雪的富士山是日本中部最为宏伟的地标景观。从这座神圣之山的顶端可瞭望到一望无际的茶园和稻田,直至太平洋海岸,东名高速公路蜿蜒于其中,犹如一条灰色的长龙。未来几年,日本将建成一条与东名高速公路平行的高速公路,以缓解这条连接东京和名古屋的交通要道的运输压力。而高速公路运营商日本高速道路株式会社(NEXCO)追求的,则是“百年公路”的目标,希望通过现代科技和创新防护措施,使这条交通要道造福子孙后代。日本是一个地震多发国家,很注重建筑结构的安全性和耐久性。因此,这个耗资数十亿美元的建筑工程除了必须进行复杂的隧道施工和桥梁建设,还需要采用创新型混凝土技术,以保障未来的需要。

盐和水对建筑的损害

鹿岛建设株式会社(Kajima)总经理Noboru Sakata博士介绍说,“混凝土是一种用途极为广泛的建筑材料,但是,它有两大天敌:氯化物和二氧化碳。”而东名高速公路必须承受住双重考验,即,海盐,以及由融雪水和喷水混合而成的融雪盐的侵蚀。含盐分的海洋空气常年从太平洋吹向内陆,这些海洋盐分经由空气湿气和雨水,也能够渗透到多孔的混凝土内部。一旦盐分进入混凝土结构,氯化物便会通过毛细吸水作用侵入材料内部,当氯化钠最终到达水泥中的钢筋时,再去修补通常已为时过晚。这时,钢材已开始生锈,由于铁锈的体积要大于原来金属,钢筋开始膨胀,最终致使混凝土碎裂。

冬天,混合着融雪盐的水大量地从道路流向桥梁和桥墩,侵入混凝土内部,开始时只是几毫米,可下一场雨来的时候,新的潮气便会将盐分推向混凝土结构深处。瓦克博格豪森生产基地的建筑化学品应用实验室负责人DominikAuer博士解释说,“这时,水分子会‘驮着’那些沉淀起来的氯化物深入混凝土内部。”这是一个缓慢渐进的过程,数年后方会显露,但那时就已经太晚了。此外,还有冻融循环带来的损害,冻成冰的水在混凝土毛细管内膨胀,致使混凝土表面碎裂。

“保护混凝土最有效的方式,是大幅度降低混凝土的吸水性。”

Hiroshi Kanzawa (日本瓦克旭化成有机硅有限公司)
全长3468公里的日本东名高速公路(右图)是泛亚公路1号线的一部分。泛亚公路1号线全长20557公里,连接东京、韩国、朝鲜、中国、东南亚、印度、伊朗和土耳其,横跨博斯普鲁斯式海峡。

酸性物质同样也会损害钢筋混凝土

混凝土的另一危险来自空气,即,所谓的碳化。这时,空气中的水分和雨水会将空气里的二氧化碳打入混凝土孔中,因而形成碳酸,然后进一步形成碳酸钙,原本具有纯碱性的混凝土自外到里慢慢变成酸性。如果碳化过程延及钢材,钢材就会在湿气和氧气的共同作用下,失去防腐性,开始生锈。

瓦克旭化成有机硅有限公司(AWS)的Hiroshi Kanzawa先生介绍说,“尽管水在配制混凝土的过程中极为重要,但它一旦成为载体介质,便极具破坏性”,任何应用实例都能表明,建筑材料通常是因为与水接触而吸收有害物质的。Kanzawa先生强调,“保护混凝土最有效的方式,是大幅度降低混凝土的吸水性”,因为没有了水分,钢材即使在碳化了的混凝土中也不会腐蚀。

硅烷的作用已久经考验

日本最大的建筑公司──鹿岛建设株式会社也参加了这项新高速公路工程。”鹿岛技术研究院研究工程师Daisuke Hayashi博士说,“我们在这个项目中非常看重憎水性浸渍处理。”利用这一工艺获得的憎水防护区域能够大大降低建材对有害物质的吸收程度。实践证明,具有较长烷基链的硅烷(如,异辛基硅烷)是理想的产品类,在抵抗紫外线辐射、热应力、侵蚀性物质和微生物影响方面,硅烷比他类物质更具优势。硅烷能够很好地渗透入混凝土,却不会将混凝土完全封闭,而是能够保护其不受来自外部的侵蚀,同时,建筑材料能够继续将水蒸气从内部释放出去,保持自身干燥。

为发挥硅烷的优势,该工艺充分利用了混凝土的材质特性。瓦克的建筑保护专家Dominik Auer博士知道,“硅烷能够与气孔和毛细管壁的硅酸盐基体形成极为稳定的共价键”,这是因为能够起保护作品的分子与常用的石英的分子非常相似,并且还含有有机侧基,因此具备极为长久的保护作用,憎水效果亦可持续数十年之久。

然而,为了获得最佳保护效果,应用者还必须注意一些重要前提。Auer博士强调,“我们建议您在进行修复工作之前,先邀请有关方面的专业人士(如,土木工程顾问)对建筑物的状况进行精确分析”,用磁场、超声波和雷达对工程结构进行细致检测,以确定混凝土与周围空气中的温度和水分含量,以及碳化程度、耐压强度和钢筋的所在深度。对于年代较久的混凝土结构,还必须测出材料深处氯化物的含量。Auer博士表示,“在特殊情况下,也可将提取的混凝土芯样带回实验室进行细致分析。”在详细统计有关建筑物状况的数据后,土木工程顾问便可拟定相应修复措施,通常也会以公开招标的形式将其公布于众。

喷涂还是水淹?

混凝土憎水浸渍处理可采用液体产品或膏体产品。膏体产品可用无气喷枪进行喷涂。无气喷枪有一个吸管,可直接浸入产品容器中,因此能够精确地对有效成分的含量进行计量,而喷涂膏体产品的最大优势,在于可一步到位,完成喷涂。

连接东京和名古屋的新东名高速公路上的丰田箭桥(Toyota Arrows Bridge),由鹿岛建设株式会社承建,于2004年利用硅烷完成憎水浸渍处理。

压力和剂量至关重要

液态产品则需要通过“水淹”来进行涂覆,这也意味着在极低的压力下将产品喷涂于墙体表面,液体顺墙而下,同时慢慢渗入墙体。液态产品经常需要两道或三道工序方可充分喷涂于材料表面。

瓦克建筑保护专家Dominik Auer建议在用无气工艺进行喷涂前,先进行喷涂测试,以确定能够适用于相关产品、环境和基材条件的喷涂压力,以避免压力过大致使产品雾化,造成浪费,或压力过小而在材料表面结块。

除憎水剂所含材料剂量和活性成分浓度外,其他因素,如天气条件、待处理混凝土的孔隙率和水分含量等,也会影响硅烷的渗透深度。例如,根据德国技术合同条款,以及有关土木工程结构的规定,当水分含量超过4%时,由于硅烷无法充分渗透,憎水浸渍处理便不得进行;如果建筑构件温度太低(低于5°C),也可能产生不少问题:在这样的低温下,建筑部件表面可能集聚冷凝水,使憎水剂无法有效渗透。

德国为实行质量控制,规定在正式喷涂前必须准备参照表面,以测试待处理混凝土表面的憎水性浸渍处理的效果,同时,该测试区域还可用来测定憎水剂所需剂量。通常,施工方会准备2到3个不同剂量的测试表面,以便不多不少28天后,技术服务工程师能够确定憎水处理的质量,之后再确定混凝土建筑物具体需要多大的喷涂剂量。

在恶劣气候条件下亦能起到最佳保护作用

尽管利用硅烷进行憎水浸渍处理因地点和气候不同,对喷涂条件的要求会有很大的区别,但这种技术仍风靡全球。瓦克旭化成经理Kanzawa先生介绍说,“这种技术自面市以来,仅在日本就已有1.25亿平方米的混凝土表面得到了憎水浸渍处理。”尤其在为造价昂贵的基础设施项目进行招标时,政府机构越来越频繁地要求其经久耐用,修复周期太短即意味着竞标方可能会落榜。而这也是为什么东名高速公路旁新干道的运营商会以“百年公路”来要求自己的工程。

无论是日本的公路、高速公路桥梁,还是迪拜的港口码头,抑或欧洲的隧道和中国的水坝,瓦克的硅烷工艺甚至能够为受到极度损伤的建筑物提供保护,不管它身处世界何地!