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從混凝土技術發展看水泥基滲透結晶型防水材

發布時間：2014-08-09

摘要：從混凝土技術角度認識水泥基滲透結晶型防水材料是看清其本質、確定其發展方向的基礎。在我國混凝土技術發展與變化的基礎上，探討了水泥基滲透結晶型防水材料的作用效果的變化以及其未來可能的發展方向。

關鍵詞：水泥基滲透結晶型防水材料；高性能混凝土
    水泥基滲透結晶型防水材料（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年代初在國內開始應用，尤其是《水泥基滲透結晶型防水材料》（GB l8445—2001）國家標準 2002年開始實施以后，CCCW已經廣泛應用在水工、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，無論設計、建設、施工單位和質量監督單位，包括科研單位的人員對 CCCW的了解仍不系統、全面，對這類防水材料的特性、作用機理、作用效果、應用條件、應用領域等的理解還存在偏差。
    CCCW與混凝土具有密切的關系，CCCW需通過混凝土來體現其防水功效，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來討論 CCCW是不全面的，也是不正確的。CCCW從上世紀中葉被發明，至今已有 60多年的發展歷程，而期間混凝土技術也經歷了快速發展，如何從混凝土技術發展的角度來正確認識 CCCW的特性與發展是非常必要的。本文從國內外尤其我國的混凝土技術的發展角度來分析水泥基滲透結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展方向。
1 水泥基滲透結晶型防水材料的作用機理
    根據現有的研究結果，一般認為，CCCW中含有的活性化學物質通過載體向混凝土內部滲透，在混凝土中與水泥水化產物等發生反應形成不溶于水的結晶體，堵塞毛細孔道，從而使混凝土致密、水。水泥基滲透結晶型防水材料靠滲透結晶、填塞、微細化毛細孔而達到提高混凝土的抗滲性、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]，也有人提出絡化滲透機理。實際上，CCCW的滲透機理是活性化學物質，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部滲透。 CCCW不是僅僅依靠本身生成的結晶體來密實混凝土的，重要的是與水泥水化產物氫氧化鈣發生反應，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的滲透結晶機理，我們可以歸納得出 CCCW在混凝土結構上產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的載體，沒有水，活性物質是很難滲透到混凝土內部的；
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 現代混凝土技術的發展歷程與趨勢
    混凝土是一種不均質的多孔復合材料�？资腔炷廖⒔Y構中重要的組成之一。混凝土中的孔由兩類組成：凝膠孔和毛細孔。凝膠孔與 CSH的結構有關，其尺寸在幾個納米之間。而存在于不同水化產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孔對混凝土性能的影響大小把混凝土內孔分為：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，不斷發展進步，尤其是最近幾十年內，更是突飛猛進。歸納起來，近幾十年來，混凝土在原材料、配合比設計等方面上的主要技術進步與發展趨勢如下。
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，水泥生產商將水泥產品中的硅酸三鈣（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。這使得現代混凝土具有比過去澆注的混凝土結構更易開裂的趨勢。
3.2 高性能、高減水率外加劑的應用
    高效減水劑在 1960年代被開發出來，是混凝土技術發展史上一個重要的里程碑。應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性良好的高性能混凝土。此項技術我國雖比開發最早的日本和德國要晚，但比起包括美國在內的大多數國家并不算慢，現在已經得到廣泛的應用。
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、流態化轉變。早期在各個國家的混凝土結構設計強度均不高，大約相當于現在混凝土強度等級的 C15～C30，而現在，尤其在減水劑大量使用后，混凝土結構設計強度已經明顯提高了不少，一般混凝土基礎的結構設計強度在 C25～C30，而重要結構、尤其大型建筑結構設計強度基本上在 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。從微結構的角度看來，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副產品材料。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，給混凝土性能與內部結構帶來那些變化呢？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物 Ca（OH）2發生反應來改善混凝土耐久性等性能的，其結果是今天的混凝土中水化產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 混凝土技術發展對 CCCW防水效果的影響
    混凝土技術的發展與變遷對 CCCW的防水效果會帶來那些影響與變化呢？這正是我們應重點關注與了解的。
    前面分析了CCCW應用在混凝土結構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�；炷良夹g的發展對這三個條件產生那些影響呢？是有益的還是不利的呢？
    混凝土技術的發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量下降，抗滲性大大提高。這使得
CCCW產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滲性提高而降低了其大量存在的可能性。
    混凝土技術發展之二大量礦物摻合料的使用，這使得今天的混凝土內部富余的游離氫氧化鈣產物比過去的混凝土更少，這使得 CCCW產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，混凝土技術的發展使得 CCCW在今天的高性能混凝土上應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調，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，而只是說現有的高性能混凝土技術使得 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在今天許多領域的應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計的基礎工程中；二是過去大量建設的混凝土工程強度不高，今天正需要進行修補、防水等處理；三是現代混凝土施工過程中也經常會產生質量缺陷，如混凝土出現蜂窩、麻面、開裂等。任何高強度的混凝土結構一旦產生裂縫，CCCW產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，還取決于應用的混凝土基層特性以及使用的環境條件；結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，而是隨混凝土結構的類型與各方面的條件變化而變化的。
4 水泥基滲透結晶型防水材料的發展方向
    混凝土技術的發展使得 CCCW的防水優勢變得不甚明顯，那么CCCW應如何進行技術改進使得適應現代混凝土技術的發展呢？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的技術革新與發展方向提出自己的看法。
4.1開發和應用新施工工藝
    在現代高強混凝土結構上涂刷 CCCW，其防水的性能優勢體現得不明顯，并不是說 CCCW本身的性能變差，而是在高強混凝土結構上采用涂刷工藝應用 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。在混凝土技術發展到今天的情況下，開發和應用新的施工工藝是 CCCW技術發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，包括涂層本身的抗滲性、涂層的抗壓強度、涂層的粘結強度與變形能力。目前，CCCW應用時水料比一般是 0.25～0.35左右，不同廠家的產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，與混凝土結構的本身強度很難匹配，造成應用中常產生分層、脫皮等現象。以前廠家總是強調一旦活性物質滲透進去，即使涂層破壞也無所謂，這是CCCW產品的一個重要的特性。筆者認為，沒有必要過分強調這種特性，因為，在現代混凝土中應用 CCCW主要是防止混凝土結構產生裂縫時滲漏，而一旦涂層破壞，談何產生裂縫時的愈合？
    提高粘結強度與變形能力也是 CCCW應考慮的技術改進的方向之一。提高其本身變形能力，可大大提高與混凝土結構的變形協調性與兼容性，這樣使得 CCCW涂層與混凝土結構可以真正成為一個整體，從而實現永久防水。
    未來的 CCCW涂層不僅應具有防水性能，還應具有對混凝土結構很好的防護性能。
    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 CCCW的這些性能改進，需要進行大量的系統試驗研究與工程應用驗證，才能取得理想的結果。
4.3技術創新
    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，已經無法適應現代混凝土技術發展所帶來的技術規范的要求了。在對混凝土耐久性日趨重視的今天，用控制堿含量來預防混凝土堿集料反應破壞是重要的措施之一。很多混凝土耐久性標準、規范中都對此做了明確的規定。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生產商仍必須重視這一點。解決這個問題，需要全面的技術創新和大膽嘗試，甚至可能要對長期以來固定不變的核心配方進行調整。

4.4液劑化
    盡管液體滲透結晶型防水材料的應用還存在很多局限性，但在強度高的混凝土上應用，無疑液體滲透結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，而是作為廠商應充分考慮到自身產品固有的不足地方。這個思路也僅供有興趣的人士去進一步探究。
5 結語
    水泥基滲透結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進行過不同程度的改進，但其核心技術是一直沒有變化的。在混凝土技術不斷進步與發展的今天CCCW的防水效果是不斷被削弱的。如何對這類產品進行技術改進、創新，確定未來的發展方向是 CCCW廠商必須要考慮的問題。
    國家標準的制定不僅僅是規定一類產品的技術指標，供檢測、監督這類產品的應用性能，更重要的是規范這類材料的市場健康發展，反映其技術發展方向，為其可持續發展提供技術導向。實施多年、反映較多的《水泥基滲透結晶型防水材料》（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晶型防水材料的健康、可持續發展與技術創新。

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