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業(yè)務(wù)范圍
從混凝土技術(shù)發(fā)展看水泥基滲透結(jié)晶型防水材料
發(fā)布時間：2014-07-15
摘要：從混凝土技術(shù)角度認識水泥基滲透結(jié)晶型防水材料是看清其本質(zhì)、確定其發(fā)展方向的基礎(chǔ)。在我國混凝土技術(shù)發(fā)展與變化的基礎(chǔ)上，探討了水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的作用效果的變化以及其未來可能的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：水泥基滲透結(jié)晶型防水材料；高性能混凝土
水泥基滲透結(jié)晶型防水材料（CCCW）是以硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥、石英砂等為基材，摻入活性化學物質(zhì)組成的一種典型的剛性防水材料。自上世紀 90年代初在國內(nèi)開始應(yīng)用，尤其是《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》（GB l8445—2001）國家標準 2002年開始實施以后，CCCW已經(jīng)廣泛應(yīng)用在水工、隧道、地下、民用建筑等防水工程中，人們對其已不再陌生。然而，無論設(shè)計、建設(shè)、施工單位和質(zhì)量監(jiān)督單位，包括科研單位的人員對 CCCW的了解仍不系統(tǒng)、全面，對這類防水材料的特性、作用機理、作用效果、應(yīng)用條件、應(yīng)用領(lǐng)域等的理解還存在偏差。
CCCW與混凝土具有密切的關(guān)系，CCCW需通過混凝土來體現(xiàn)其防水功效，混凝土依靠 CCCW來提高其防水性能。脫離了混凝土特性與技術(shù)來討論 CCCW是不全面的，也是不正確的。CCCW從上世紀中葉被發(fā)明，至今已有 60多年的發(fā)展歷程，而期間混凝土技術(shù)也經(jīng)歷了快速發(fā)展，如何從混凝土技術(shù)發(fā)展的角度來正確認識 CCCW的特性與發(fā)展是非常必要的。本文從國內(nèi)外尤其我國的混凝土技術(shù)的發(fā)展角度來分析水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的作用效果的變化趨勢以及其未來可能的發(fā)展方向。
1 水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的作用機理
根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，一般認為，CCCW中含有的活性化學物質(zhì)通過載體向混凝土內(nèi)部滲透，在混凝土中與水泥水化產(chǎn)物等發(fā)生反應(yīng)形成不溶于水的結(jié)晶體，堵塞毛細孔道，從而使混凝土致密、水。水泥基滲透結(jié)晶型防水材料靠滲透結(jié)晶、填塞、微細化毛細孔而達到提高混凝土的抗?jié)B性、防水性，這點是可肯定的。袁大偉曾提出了催化活化滲透機理[1]，也有人提出絡(luò)化滲透機理。實際上，CCCW的滲透機理是活性化學物質(zhì)，尤其在涂刷早期主要是依靠濃度滲透壓進行滲透的，也就是說
CCCW中活性化學物質(zhì)在早期漿體中形成高濃度的溶液，利用濃度滲透壓力差，活性的離子通過水為載體在毛細孔中逐漸向混凝土內(nèi)部滲透。CCCW不是僅僅依靠本身生成的結(jié)晶體來密實混凝土的，重要的是與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成不溶的晶體，同時會促進混凝土中水泥水化，生成水化硅酸鈣 CSH凝膠晶體。
分析 CCCW的滲透結(jié)晶機理，我們可以歸納得出 CCCW在混凝土結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生良好的防水效果必須具備的幾個條件是：
1）混凝土中有足夠的連通毛細孔或裂縫。沒有毛細孔的存在，談不上滲透，更談不上結(jié)晶作用了；
2）混凝土中存在濕氣或水。水是活性離子或活性物質(zhì)的載體，沒有水，活性物質(zhì)是很難滲透到混凝土內(nèi)部的；
3）混凝土中游離氫氧化鈣的量。其直接決定了生成的晶體量的多少。
2 現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展歷程與趨勢
混凝土是一種不均質(zhì)的多孔復(fù)合材料。孔是混凝土微結(jié)構(gòu)中重要的組成之一。混凝土中的孔由兩類組成：凝膠孔和毛細孔。凝膠孔與 CSH的結(jié)構(gòu)有關(guān)，其尺寸在幾個納米之間。而存在于不同水化產(chǎn)物之間的毛細孔尺寸在幾百個納米至幾個毫米之間。美國學者 Mehta認為只有其中大于 100 nm的毛細孔才影響混凝土強度和滲透性。我國吳中偉院士根據(jù)孔對混凝土性能的影響大小把混凝土內(nèi)孔分為：2.5～20 nm，無害孔級；20～50 nm，少害孔級； 50～200 nm，有害孔級；200 nm～11μm，多害孔級。
混凝土自從 1643年硅酸鹽水泥問世以來，不斷發(fā)展進步，尤其是最近幾十年內(nèi)，更是突飛猛進。歸納起來，近幾十年來，混凝土在原材料、配合比設(shè)計等方面上的主要技術(shù)進步與發(fā)展趨勢如下。
2.1 水泥更細、高 C3S含量、早期強度高
目前，水泥的細度越來越小，尤其在我國新水泥國家標準實施以后，水泥生產(chǎn)商將水泥產(chǎn)品中的硅酸三鈣（C3S）含量不斷提高、粉磨細度不斷加大。Mehta曾說，1930年代以前，美國普通硅酸鹽水泥的 C3S在 30％以下，美國 ASTM標準允許 22％的顆粒大于 75 μm；自 20世紀 50年代開始，C3S含量超過了 50％，而且基本上沒有大于 75 μm的顆粒。這使得現(xiàn)代混凝土具有比過去澆注的混凝土結(jié)構(gòu)更易開裂的趨勢。
3.2 高性能、高減水率外加劑的應(yīng)用
高效減水劑在 1960年代被開發(fā)出來，是混凝土技術(shù)發(fā)展史上一個重要的里程碑。應(yīng)用高效減水劑可以配制出流動性滿足施工需要且水灰比低，因此強度很高的高強混凝土、可以自行流動成型密實的自密實混凝土，以及充分滿足不同工程特定性能需要和勻質(zhì)性良好的高性能混凝土。此項技術(shù)我國雖比開發(fā)最早的日本和德國要晚，但比起包括美國在內(nèi)的大多數(shù)國家并不算慢，現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。
2.3 混凝土強度等級逐漸提高
減水劑的使用，使得混凝土中水灰比可以降到很低，混凝土從干硬性向塑性、流態(tài)化轉(zhuǎn)變。早期在各個國家的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計強度均不高，大約相當于現(xiàn)在混凝土強度等級的 C15～C30，而現(xiàn)在，尤其在減水劑大量使用后，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計強度已經(jīng)明顯提高了不少，一般混凝土基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計強度在 C25～C30，而重要結(jié)構(gòu)、尤其大型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計強度基本上在 C30～C50以上。這樣的混凝土變化趨勢給混凝土性能帶來那些變化呢？簡單地說，在 20世紀 60年代早期，配制 C30混凝土時，用水泥 350 kg/m3、水灰比 0.50可以達到；而現(xiàn)在混凝土強度等級在 C50時，只需要450 kg/m3水泥、0.35左右水灰比就可以制備。這樣的變化使得今天的混凝土與以前的混凝土完全不一樣。從微結(jié)構(gòu)的角度看來，兩種混凝土的孔隙率和滲透性就大不相同了。水灰比為 0.5的混凝土孔隙率高、毛細孔多，滲透性高；而水灰比 0.35的混凝土則孔隙率下降很多、毛細孔變少，滲透性大大降低。尤其在中國，與北美等國家不同，混凝土普遍不習慣使用引氣劑來提高混凝土的抗凍性，這一點尤為明顯。
3.4 礦物摻合料的大量使用
礦物摻合料一般指粉煤灰、礦渣粉、硅灰等一定細度的具有潛在火山灰活性的工業(yè)副產(chǎn)品材料。過去，混凝土基本上是由純水泥制備而成，即使摻加礦物摻合料也僅是占很小的比例。現(xiàn)在的混凝土中，因礦物摻合料對混凝土性能的改善具有顯著的益處，已成為混凝土的一個必不可少的組分之一。尤其商品混凝土中普遍使用粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料，比例一般在 10％～30％左右，有的甚至達到 60％以上。
礦物摻合料的大量使用，給混凝土性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來那些變化呢？我們知道，粉煤灰、礦渣粉等礦物摻合料是通過與混凝土中水泥水化產(chǎn)物 Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)來改善混凝土耐久性等性能的，其結(jié)果是今天的混凝土中水化產(chǎn)物氫氧化鈣的相對量比過去的混凝土有一定程度的降低。
4 混凝土技術(shù)發(fā)展對 CCCW防水效果的混凝土技術(shù)的發(fā)展與變遷對 CCCW的防水效果會帶來那些影響與變化呢？這正是我們應(yīng)重點關(guān)注與了解的。
前面分析了CCCW應(yīng)用在混凝土結(jié)構(gòu)上要具有良好的防水效果，混凝土必須具備的三個條件：混凝土中足夠的連通毛細孔或裂縫、濕氣或水、游離氫氧化鈣的量。混凝土技術(shù)的發(fā)展對這三個條件產(chǎn)生那些影響呢？是有益的還是不利的呢？
混凝土技術(shù)的發(fā)展之一是混凝土強度等級的提高、水灰比的下降使得今天的混凝土比以前的混凝土更密實，混凝土中孔隙率尤其是提供水滲透通道的大毛細孔的數(shù)量下降，抗?jié)B性大大提高。這使得
CCCW產(chǎn)生良好防水效果條件之一混凝土中足夠的連通毛細孔大大削弱，而條件之二混凝土中濕氣或水也因混凝土的抗?jié)B性提高而降低了其大量存在的可能性。
混凝土技術(shù)發(fā)展之二大量礦物摻合料的使用，這使得今天的混凝土內(nèi)部富余的游離氫氧化鈣產(chǎn)物比過去的混凝土更少，這使得 CCCW產(chǎn)生良好防水效果的第三個條件混凝土中游離氫氧化鈣的量下降，從而使得其防水效果降低的可能性增大。
因此，總體來說，混凝土技術(shù)的發(fā)展使得 CCCW在今天的高性能混凝土上應(yīng)用時其防水效果變得不甚明顯。這也可以作為 CCCW在許多大型的混凝土工程中應(yīng)用時效果不佳的一種解釋吧。比如，我國目前的地鐵管片的設(shè)計強度是 C50，實際強度更高，達到 C60以上。試想在這么高的混凝土強度、光滑密實的表面上涂刷一層 CCCW是一種什么情形呢？
不僅兩者的強度不匹配，而且收縮等性能也不協(xié)調(diào)，恰如一個人穿了一件不合體的雨衣，雨衣本身很容易弄破的。
當然，我們這樣的分析，并不是否定 CCCW的防水效果，而只是說現(xiàn)有的高性能混凝土技術(shù)使得 CCCW的防水效果不明顯，尤其與其他類型的防水材料相比。事實上，CCCW在今天許多領(lǐng)域的應(yīng)用已證明是很成功的，許多工程也需要 CCCW這類材料。這主要得益于三個方面，一是我國低強度的混凝土仍占一定的比例，尤其在需要進行防水設(shè)計的基礎(chǔ)工程中；二是過去大量建設(shè)的混凝土工程強度不高，今天正需要進行修補、防水等處理；三是現(xiàn)代混凝土施工過程中也經(jīng)常會產(chǎn)生質(zhì)量缺陷，如混凝土出現(xiàn)蜂窩、麻面、開裂等。任何高強度的混凝土結(jié)構(gòu)一旦產(chǎn)生裂縫，CCCW產(chǎn)生良好防水效果的條件便隨之滿足。
因此，正如筆者以前提出的[2]，CCCW的防水效果不僅取決于材料本身性能，還取決于應(yīng)用的混凝土基層特性以及使用的環(huán)境條件；結(jié)晶滲透深度是相對的，而不是絕對的，其防水效果也不是一成不變的，而是隨混凝土結(jié)構(gòu)的類型與各方面的條件變化而變化的。
4 水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的發(fā)展方向
混凝土技術(shù)的發(fā)展使得 CCCW的防水優(yōu)勢變得不甚明顯，那么CCCW應(yīng)如何進行技術(shù)改進使得適應(yīng)現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展呢？這是個仁者見仁，智者見智的問題，筆者從長期科學研究的角度，就CCCW的技術(shù)革新與發(fā)展方向提出自己的看法。
4.1開發(fā)和應(yīng)用新施工工藝
在現(xiàn)代高強混凝土結(jié)構(gòu)上涂刷 CCCW，其防水的性能優(yōu)勢體現(xiàn)得不明顯，并不是說 CCCW本身的性能變差，而是在高強混凝土結(jié)構(gòu)上采用涂刷工藝應(yīng)用 CCCW，并不合理，這樣存在正如前面所說的一系列問題。但是，如果條件許可，應(yīng)用干撒工藝，包括澆注混凝土前干撒工藝或混凝土澆注后立即干撒工藝，應(yīng)用 CCCW還是可以起到比涂刷工藝更好的防水效果。在混凝土技術(shù)發(fā)展到今天的情況下，開發(fā)和應(yīng)用新的施工工藝是 CCCW技術(shù)發(fā)展與革新的基本思路之一。
4.2提高 CCCW涂層本身的綜合性能
提高 CCCW本身的綜合性能，包括涂層本身的抗?jié)B性、涂層的抗壓強度、涂層的粘結(jié)強度與變形能力。目前，CCCW應(yīng)用時水料比一般是 0.25～0.35左右，不同廠家的產(chǎn)品因配方不同可能略有差異，換算成水灰比相當于 0.46～0.6左右。其抗壓強度在 25～45 MPa左右。因此，從強度等級上來看，與混凝土結(jié)構(gòu)的本身強度很難匹配，造成應(yīng)用中常產(chǎn)生分層、脫皮等現(xiàn)象。以前廠家總是強調(diào)一旦活性物質(zhì)滲透進去，即使涂層破壞也無所謂，這是CCCW產(chǎn)品的一個重要的特性。筆者認為，沒有必要過分強調(diào)這種特性，因為，在現(xiàn)代混凝土中應(yīng)用 CCCW主要是防止混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫時滲漏，而一旦涂層破壞，談何產(chǎn)生裂縫時的愈合？
提高粘結(jié)強度與變形能力也是 CCCW應(yīng)考慮的技術(shù)改進的方向之一。提高其本身變形能力，可大大提高與混凝土結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)性與兼容性，這樣使得 CCCW涂層與混凝土結(jié)構(gòu)可以真正成為一個整體，從而實現(xiàn)永久防水。
未來的 CCCW涂層不僅應(yīng)具有防水性能，還應(yīng)具有對混凝土結(jié)構(gòu)很好的防護性能。
許多性能之間是相互制約與相互影響的，有些甚至是矛盾的。要想完全實現(xiàn) CCCW的這些性能改進，需要進行大量的系統(tǒng)試驗研究與工程應(yīng)用驗證，才能取得理想的結(jié)果。
4.3技術(shù)創(chuàng)新
CCCW材料本身還有一定的先天性不完善的地方，尤其在堿含量等性能指標上，已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展所帶來的技術(shù)規(guī)范的要求了。在對混凝土耐久性日趨重視的今天，用控制堿含量來預(yù)防混凝土堿集料反應(yīng)破壞是重要的措施之一。很多混凝土耐久性標準、規(guī)范中都對此做了明確的規(guī)定。盡管實際上 CCCW的堿含量對混凝土的耐久性影響可能很小，但作為 CCCW生產(chǎn)商仍必須重視這一點。解決這個問題，需要全面的技術(shù)創(chuàng)新和大膽嘗試，甚至可能要對長期以來固定不變的核心配方進行調(diào)整。
4.4液劑化
盡管液體滲透結(jié)晶型防水材料的應(yīng)用還存在很多局限性，但在強度高的混凝土上應(yīng)用，無疑液體滲透結(jié)晶型防水材料的防水效果要比粉狀的 CCCW好。在這里提出這一點，并不是否定粉狀的
CCCW，而是作為廠商應(yīng)充分考慮到自身產(chǎn)品固有的不足地方。這個思路也僅供有興趣的人士去進一步探究。
5 結(jié)語
水泥基滲透結(jié)晶型防水材料是一種典型的剛性防水材料，幾十年來，盡管不同廠商對其技術(shù)進行過不同程度的改進，但其核心技術(shù)是一直沒有變化的。在混凝土技術(shù)不斷進步與發(fā)展的今天CCCW的防水效果是不斷被削弱的。如何對這類產(chǎn)品進行技術(shù)改進、創(chuàng)新，確定未來的發(fā)展方向是 CCCW廠商必須要考慮的問題。
國家標準的制定不僅僅是規(guī)定一類產(chǎn)品的技術(shù)指標，供檢測、監(jiān)督這類產(chǎn)品的應(yīng)用性能，更重要的是規(guī)范這類材料的市場健康發(fā)展，反映其技術(shù)發(fā)展方向，為其可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)導(dǎo)向。實施多年、反映較多的《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》（GB 18445—2001）國家標準有望進行修訂，希望這些技術(shù)探討，不僅對國家標準的修訂起一定參考作用，更重要的是促進水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的健康、可持續(xù)發(fā)展與技術(shù)創(chuàng)新。
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