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1、期刊文献均是精品，欢迎下载学习！从混凝土技术发展看水泥基渗透结晶型防水材料蒋正武（同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海 200092）摘要：从混凝土技术角度认识水泥基渗透结晶型防水材料是看清其本质、确定其发展方向的基础。在我国混凝土技术发展与变化的基础上，探讨了水泥基渗透结晶型防水材料的作用效果的变化以及其未来可能的发展方向。关键词：水泥基渗透结晶型防水材料；高性能混凝土 水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）是以硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、石英砂等为基材，掺入活性化学物质组成的一种典型的刚性防水材料。自上世纪 90年代初在国内开始应用，尤其是水泥基渗透结晶型防水材料（GB l8445
2、2001）国家标准 2002年开始实施以后，CCCW已经广泛应用在水工、隧道、地下、民用建筑等防水工程中，人们对其已不再陌生。然而，无论设计、建设、施工单位和质量监督单位，包括科研单位的人员对 CCCW的了解仍不系统、全面，对这类防水材料的特性、作用机理、作用效果、应用条件、应用领域等的理解还存在偏差。 CCCW与混凝土具有密切的关系，CCCW需通过混凝土来体现其防水功效，混凝土依靠 CCCW来提高其防水性能。脱离了混凝土特性与技术来讨论 CCCW是不全面的，也是不正确的。CCCW从上世纪中叶被发明，至今已有 60多年的发展历程，而期间混凝土技术也经历了快速发展，如何从混凝土技术发展的角度来正
3、确认识 CCCW的特性与发展是非常必要的。本文从国内外尤其我国的混凝土技术的发展角度来分析水泥基渗透结晶型防水材料的作用效果的变化趋势以及其未来可能的发展方向。 1 水泥基渗透结晶型防水材料的作用机理 根据现有的研究结果，一般认为，CCCW中含有的活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透，在混凝土中与水泥水化产物等发生反应形成不溶于水的结晶体，堵塞毛细孔道，从而使混凝土致密、水。水泥基渗透结晶型防水材料靠渗透结晶、填塞、微细化毛细孔而达到提高混凝土的抗渗性、防水性，这点是可肯定的。袁大伟曾提出了催化活化渗透机理1，也有人提出络化渗透机理。实际上，CCCW的渗透机理是活性化学物质，尤其在涂刷早期主要
4、是依靠浓度渗透压进行渗透的，也就是说 CCCW中活性化学物质在早期浆体中形成高浓度的溶液，利用浓度渗透压力差，活性的离子通过水为载体在毛细孔中逐渐向混凝土内部渗透。CCCW不是仅仅依靠本身生成的结晶体来密实混凝土的，重要的是与水泥水化产物氢氧化钙发生反应，生成不溶的晶体，同时会促进混凝土中水泥水化，生成水化硅酸钙 CSH凝胶晶体。 分析 CCCW的渗透结晶机理，我们可以归纳得出 CCCW在混凝土结构上产生良好的防水效果必须具备的几个条件是： 1）混凝土中有足够的连通毛细孔或裂缝。没有毛细孔的存在，谈不上渗透，更谈不上结晶作用了；2）混凝土中存在湿气或水。水是活性离子或活性物质的载体，没有水，活
5、性物质是很难渗透到混凝土内部的； 3）混凝土中游离氢氧化钙的量。其直接决定了生成的晶体量的多少。 2 现代混凝土技术的发展历程与趋势 混凝土是一种不均质的多孔复合材料。孔是混凝土微结构中重要的组成之一。混凝土中的孔由两类组成：凝胶孔和毛细孔。凝胶孔与 CSH的结构有关，其尺寸在几个纳米之间。而存在于不同水化产物之间的毛细孔尺寸在几百个纳米至几个毫米之间。美国学者 Mehta认为只有其中大于 100 nm的毛细孔才影响混凝土强度和渗透性。我国吴中伟院士根据孔对混凝土性能的影响大小把混凝土内孔分为：2.520 nm，无害孔级；2050 nm，少害孔级； 50200 nm，有害孔级；200 nm11
6、m，多害孔级。 混凝土自从 1643年硅酸盐水泥问世以来，不断发展进步，尤其是最近几十年内，更是突飞猛进。归纳起来，近几十年来，混凝土在原材料、配合比设计等方面上的主要技术进步与发展趋势如下。 2.1 水泥更细、高 C3S含量、早期强度高 目前，水泥的细度越来越小，尤其在我国新水泥国家标准实施以后，水泥生产商将水泥产品中的硅酸三钙（C3S）含量不断提高、粉磨细度不断加大。Mehta曾说，1930年代以前，美国普通硅酸盐水泥的 C3S在 30%以下，美国 ASTM标准允许 22%的颗粒大于 75 m；自 20世纪 50年代开始，C3S含量超过了 50%，而且基本上没有大于 75 m的颗粒。这使得
7、现代混凝土具有比过去浇注的混凝土结构更易开裂的趋势。 3.2 高性能、高减水率外加剂的应用 高效减水剂在 1960年代被开发出来，是混凝土技术发展史上一个重要的里程碑。应用高效减水剂可以配制出流动性满足施工需要且水灰比低，因此强度很高的高强混凝土、可以自行流动成型密实的自密实混凝土，以及充分满足不同工程特定性能需要和匀质性良好的高性能混凝土。此项技术我国虽比开发最早的日本和德国要晚，但比起包括美国在内的大多数国家并不算慢，现在已经得到广泛的应用。 2.3 混凝土强度等级逐渐提高 减水剂的使用，使得混凝土中水灰比可以降到很低，混凝土从干硬性向塑性、流态化转变。早期在各个国家的混凝土结构设计强度均
8、不高，大约相当于现在混凝土强度等级的 C15C30，而现在，尤其在减水剂大量使用后，混凝土结构设计强度已经明显提高了不少，一般混凝土基础的结构设计强度在 C25C30，而重要结构、尤其大型建筑结构设计强度基本上在 C30C50以上。这样的混凝土变化趋势给混凝土性能带来那些变化呢？简单地说，在 20世纪 60年代早期，配制 C30混凝土时，用水泥 350 kg/m3、水灰比 0.50可以达到；而现在混凝土强度等级在 C50时，只需要450 kg/m3水泥、0.35左右水灰比就可以制备。这样的变化使得今天的混凝土与以前的混凝土完全不一样。从微结构的角度看来，两种混凝土的孔隙率和渗透性就大不相同了。
9、水灰比为 0.5的混凝土孔隙率高、毛细孔多，渗透性高；而水灰比 0.35的混凝土则孔隙率下降很多、毛细孔变少，渗透性大大降低。尤其在中国，与北美等国家不同，混凝土普遍不习惯使用引气剂来提高混凝土的抗冻性，这一点尤为明显。 3.4 矿物掺合料的大量使用 矿物掺合料一般指粉煤灰、矿渣粉、硅灰等一定细度的具有潜在火山灰活性的工业副产品材料。过去，混凝土基本上是由纯水泥制备而成，即使掺加矿物掺合料也仅是占很小的比例。现在的混凝土中，因矿物掺合料对混凝土性能的改善具有显著的益处，已成为混凝土的一个必不可少的组分之一。尤其商品混凝土中普遍使用粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料，比例一般在 10%30左右，有的甚至
10、达到 60以上。 矿物掺合料的大量使用，给混凝土性能与内部结构带来那些变化呢？我们知道，粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料是通过与混凝土中水泥水化产物 Ca（OH）2发生反应来改善混凝土耐久性等性能的，其结果是今天的混凝土中水化产物氢氧化钙的相对量比过去的混凝土有一定程度的降低。 4 混凝土技术发展对 CCCW防水效果的影响 混凝土技术的发展与变迁对 CCCW的防水效果会带来那些影响与变化呢？这正是我们应重点关注与了解的。 前面分析了CCCW应用在混凝土结构上要具有良好的防水效果，混凝土必须具备的三个条件：混凝土中足够的连通毛细孔或裂缝、湿气或水、游离氢氧化钙的量。混凝土技术的发展对这三个条件产生那些
11、影响呢？是有益的还是不利的呢？ 混凝土技术的发展之一是混凝土强度等级的提高、水灰比的下降使得今天的混凝土比以前的混凝土更密实，混凝土中孔隙率尤其是提供水渗透通道的大毛细孔的数量下降，抗渗性大大提高。这使得CCCW产生良好防水效果条件之一混凝土中足够的连通毛细孔大大削弱，而条件之二混凝土中湿气或水也因混凝土的抗渗性提高而降低了其大量存在的可能性。 混凝土技术发展之二大量矿物掺合料的使用，这使得今天的混凝土内部富余的游离氢氧化钙产物比过去的混凝土更少，这使得 CCCW产生良好防水效果的第三个条件混凝土中游离氢氧化钙的量下降，从而使得其防水效果降低的可能性增大。 因此，总体来说，混凝土技术的发展使得
12、 CCCW在今天的高性能混凝土上应用时其防水效果变得不甚明显。这也可以作为 CCCW在许多大型的混凝土工程中应用时效果不佳的一种解释吧。比如，我国目前的地铁管片的设计强度是 C50，实际强度更高，达到 C60以上。试想在这么高的混凝土强度、光滑密实的表面上涂刷一层 CCCW是一种什么情形呢？ 不仅两者的强度不匹配，而且收缩等性能也不协调，恰如一个人穿了一件不合体的雨衣，雨衣本身很容易弄破的。 当然，我们这样的分析，并不是否定 CCCW的防水效果，而只是说现有的高性能混凝土技术使得 CCCW的防水效果不明显，尤其与其他类型的防水材料相比。事实上，CCCW在今天许多领域的应用已证明是很成功的，许多
13、工程也需要 CCCW这类材料。这主要得益于三个方面，一是我国低强度的混凝土仍占一定的比例，尤其在需要进行防水设计的基础工程中；二是过去大量建设的混凝土工程强度不高，今天正需要进行修补、防水等处理；三是现代混凝土施工过程中也经常会产生质量缺陷，如混凝土出现蜂窝、麻面、开裂等。任何高强度的混凝土结构一旦产生裂缝，CCCW产生良好防水效果的条件便随之满足。 因此，正如笔者以前提出的2，CCCW的防水效果不仅取决于材料本身性能，还取决于应用的混凝土基层特性以及使用的环境条件；结晶渗透深度是相对的，而不是绝对的，其防水效果也不是一成不变的，而是随混凝土结构的类型与各方面的条件变化而变化的。 4 水泥基渗
14、透结晶型防水材料的发展方向 混凝土技术的发展使得 CCCW的防水优势变得不甚明显，那么CCCW应如何进行技术改进使得适应现代混凝土技术的发展呢？这是个仁者见仁，智者见智的问题，笔者从长期科学研究的角度，就CCCW的技术革新与发展方向提出自己的看法。 4.1开发和应用新施工工艺 在现代高强混凝土结构上涂刷 CCCW，其防水的性能优势体现得不明显，并不是说 CCCW本身的性能变差，而是在高强混凝土结构上采用涂刷工艺应用 CCCW，并不合理，这样存在正如前面所说的一系列问题。但是，如果条件许可，应用干撒工艺，包括浇注混凝土前干撒工艺或混凝土浇注后立即干撒工艺，应用 CCCW还是可以起到比涂刷工艺更好
15、的防水效果。在混凝土技术发展到今天的情况下，开发和应用新的施工工艺是 CCCW技术发展与革新的基本思路之一。 4.2提高 CCCW涂层本身的综合性能 提高 CCCW本身的综合性能，包括涂层本身的抗渗性、涂层的抗压强度、涂层的粘结强度与变形能力。目前，CCCW应用时水料比一般是 0.250.35左右，不同厂家的产品因配方不同可能略有差异，换算成水灰比相当于 0.460.6左右。其抗压强度在 2545 MPa左右。因此，从强度等级上来看，与混凝土结构的本身强度很难匹配，造成应用中常产生分层、脱皮等现象。以前厂家总是强调一旦活性物质渗透进去，即使涂层破坏也无所谓，这是CCCW产品的一个重要的特性。笔
16、者认为，没有必要过分强调这种特性，因为，在现代混凝土中应用 CCCW主要是防止混凝土结构产生裂缝时渗漏，而一旦涂层破坏，谈何产生裂缝时的愈合？ 提高粘结强度与变形能力也是 CCCW应考虑的技术改进的方向之一。提高其本身变形能力，可大大提高与混凝土结构的变形协调性与兼容性，这样使得 CCCW涂层与混凝土结构可以真正成为一个整体，从而实现永久防水。 未来的 CCCW涂层不仅应具有防水性能，还应具有对混凝土结构很好的防护性能。 许多性能之间是相互制约与相互影响的，有些甚至是矛盾的。要想完全实现 CCCW的这些性能改进，需要进行大量的系统试验研究与工程应用验证，才能取得理想的结果。 4.3技术创新 C
17、CCW材料本身还有一定的先天性不完善的地方，尤其在碱含量等性能指标上，已经无法适应现代混凝土技术发展所带来的技术规范的要求了。在对混凝土耐久性日趋重视的今天，用控制碱含量来预防混凝土碱集料反应破坏是重要的措施之一。很多混凝土耐久性标准、规范中都对此做了明确的规定。尽管实际上 CCCW的碱含量对混凝土的耐久性影响可能很小，但作为 CCCW生产商仍必须重视这一点。解决这个问题，需要全面的技术创新和大胆尝试，甚至可能要对长期以来固定不变的核心配方进行调整。 4.4液剂化 尽管液体渗透结晶型防水材料的应用还存在很多局限性，但在强度高的混凝土上应用，无疑液体渗透结晶型防水材料的防水效果要比粉状的 CCC
18、W好。在这里提出这一点，并不是否定粉状的 CCCW，而是作为厂商应充分考虑到自身产品固有的不足地方。这个思路也仅供有兴趣的人士去进一步探究。 5 结语 水泥基渗透结晶型防水材料是一种典型的刚性防水材料，几十年来，尽管不同厂商对其技术进行过不同程度的改进，但其核心技术是一直没有变化的。在混凝土技术不断进步与发展的今天CCCW的防水效果是不断被削弱的。如何对这类产品进行技术改进、创新，确定未来的发展方向是 CCCW厂商必须要考虑的问题。 国家标准的制定不仅仅是规定一类产品的技术指标，供检测、监督这类产品的应用性能，更重要的是规范这类材料的市场健康发展，反映其技术发展方向，为其可持续发展提供技术导向。实施多年、反映较多的水泥基渗透结晶型防水材料（GB 184452001）国家标准有望进行修订，希望这些技术探讨，不仅对国家标准的修订起一定参考作用，更重要的是促进水泥基渗透结晶型防水材料的健康、可持续发展与技术创新。参考文献 1袁大伟.再谈渗透结晶型防水剂.中国建筑防水，2003（5）： 1-3 2蒋正武.正确认识水泥基渗透结晶型防水材料.中国建筑防水，2005（10）：10-12期刊文献