從混凝土技術(shù)發(fā)展看水泥基滲透結(jié)晶型防水材料

　　摘要：從混凝土技術(shù)角度認(rèn)識(shí)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(guó)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(lái)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(xué)物質(zhì)組成的一種典型的剛性防水材料。自上世紀(jì) 90年代初在國(guó)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 2002年開始實(shí)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(duì)其已不再陌生。然而，無(wú)論設(shè)計(jì)、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(duì) CCCW的了解仍不系統(tǒng)、全面，對(duì)這類防水材料的特性、作用機(jī)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(lái)體現(xiàn)其防水功效，混凝土依靠 CCCW來(lái)提高其防水性能。脫離了混凝土特性與技術(shù)來(lái)討論 CCCW是不全面的，也是不正確的。CCCW從上世紀(jì)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(lái)正確認(rèn)識(shí) CCCW的特性與發(fā)展是非常必要的。本文從國(guó)內(nèi)外尤其我國(guó)的混凝土技術(shù)的發(fā)展角度來(lái)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(shì)以及其未來(lái)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(jī)理

　　根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，一般認(rèn)為，CCCW中含有的活性化學(xué)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(xì)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(xì)化毛細(xì)孔而達(dá)到提高混凝土的抗?jié)B性、防水性，這點(diǎn)是可肯定的。袁大偉曾提出了催化活化滲透機(jī)理[1]，也有人提出絡(luò)化滲透機(jī)理。實(shí)際上，CCCW的滲透機(jī)理是活性化學(xué)物質(zhì)，尤其在涂刷早期主要是依靠濃度滲透壓進(jìn)行滲透的，也就是說(shuō)CCCW中活性化學(xué)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(xì)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(lái)密實(shí)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(shí)會(huì)促進(jìn)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(jī)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(gè)條件是：

　　1）混凝土中有足夠的連通毛細(xì)孔或裂縫。沒有毛細(xì)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。[Page]

　　2 現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展歷程與趨勢(shì)

　　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?；炷林械目子蓛深惤M成：凝膠孔和毛細(xì)孔。凝膠孔與 CSH的結(jié)構(gòu)有關(guān)，其尺寸在幾個(gè)納米之間。而存在于不同水化產(chǎn)物之間的毛細(xì)孔尺寸在幾百個(gè)納米至幾個(gè)毫米之間。美國(guó)學(xué)者 Mehta認(rèn)為只有其中大于 100 nm的毛細(xì)孔才影響混凝土強(qiáng)度和滲透性。我國(guó)吳中偉院士根據(jù)孔對(duì)混凝土性能的影響大小把混凝土內(nèi)孔分為：2.5～20 nm，無(wú)害孔級(jí)；20～50 nm，少害孔級(jí)； 50～200 nm，有害孔級(jí)；200 nm～11μm，多害孔級(jí)。

　　混凝土自從 1643年硅酸鹽水泥問世以來(lái)，不斷發(fā)展進(jìn)步，尤其是最近幾十年內(nèi)，更是突飛猛進(jìn)。歸納起來(lái)，近幾十年來(lái)，混凝土在原材料、配合比設(shè)計(jì)等方面上的主要技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展趨勢(shì)如下。

　　2.1 水泥更細(xì)、高 C3S含量、早期強(qiáng)度高

　　目前，水泥的細(xì)度越來(lái)越小，尤其在我國(guó)新水泥國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(xì)度不斷加大。Mehta曾說(shuō)，1930年代以前，美國(guó)普通硅酸鹽水泥的 C3S在 30%以下，美國(guó) ASTM標(biāo)準(zhǔn)允許 22%的顆粒大于 75 μm；自 20世紀(jì) 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(shì)。

　　2.2 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(lái)，是混凝土技術(shù)發(fā)展史上一個(gè)重要的里程碑。應(yīng)用高效減水劑可以配制出流動(dòng)性滿足施工需要且水灰比低，因此強(qiáng)度很高的高強(qiáng)混凝土、可以自行流動(dòng)成型密實(shí)的自密實(shí)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(xiàng)技術(shù)我國(guó)雖比開發(fā)最早的日本和德國(guó)要晚，但比起包括美國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)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(qiáng)度等級(jí)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(gè)國(guó)家的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度均不高，大約相當(dāng)于現(xiàn)在混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(jì)強(qiáng)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(jì)強(qiáng)度在 C25～C30，而重要結(jié)構(gòu)、尤其大型建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度基本上在 C30～C50以上。這樣的混凝土變化趨勢(shì)給混凝土性能帶來(lái)那些變化呢？簡(jiǎn)單地說(shuō)，在 20世紀(jì) 60年代早期，配制 C30混凝土?xí)r，用水泥 350 kg/m3、水灰比 0.50可以達(dá)到；而現(xiàn)在混凝土強(qiáng)度等級(jí)在 C50時(shí)，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(lái)，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(xì)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(xì)孔變少，滲透性大大降低。尤其在中國(guó)，與北美等國(guó)家不同，混凝土普遍不習(xí)慣使用引氣劑來(lái)提高混凝土的抗凍性，這一點(diǎn)尤為明顯。

　　2.4 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(xì)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?，F(xiàn)在的混凝土中，因礦物摻合料對(duì)混凝土性能的改善具有顯著的益處，已成為混凝土的一個(gè)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(dá)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(lái)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(lái)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(duì)量比過去的混凝土有一定程度的降低。[Page]

　　3 混凝土技術(shù)發(fā)展對(duì) CCCW防水效果的影響

　　混凝土技術(shù)的發(fā)展與變遷對(duì) CCCW的防水效果會(huì)帶來(lái)那些影響與變化呢？這正是我們應(yīng)重點(diǎn)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(gè)條件：混凝土中足夠的連通毛細(xì)孔或裂縫、濕氣或水、游離氫氧化鈣的量?；炷良夹g(shù)的發(fā)展對(duì)這三個(gè)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(qiáng)度等級(jí)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(shí)，混凝土中孔隙率尤其是提供水滲透通道的大毛細(xì)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(xì)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(gè)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(lái)說(shuō)，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(shí)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(shí)效果不佳的一種解釋吧。比如，我國(guó)目前的地鐵管片的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是 C50，實(shí)際強(qiáng)度更高，達(dá)到 C60以上。試想在這么高的混凝土強(qiáng)度、光滑密實(shí)的表面上涂刷一層 CCCW是一種什么情形呢？

　　不僅兩者的強(qiáng)度不匹配，而且收縮等性能也不協(xié)調(diào)，恰如一個(gè)人穿了一件不合體的雨衣，雨衣本身很容易弄破的。

　　當(dāng)然，我們這樣的分析，并不是否定 CCCW的防水效果，而只是說(shuō)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(shí)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(gè)方面，一是我國(guó)低強(qiáng)度的混凝土仍占一定的比例，尤其在需要進(jìn)行防水設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)工程中；二是過去大量建設(shè)的混凝土工程強(qiáng)度不高，今天正需要進(jìn)行修補(bǔ)、防水等處理；三是現(xiàn)代混凝土施工過程中也經(jīng)常會(huì)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(qiáng)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(duì)的，而不是絕對(duì)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。[Page]

　　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(shì)變得不甚明顯，那么CCCW應(yīng)如何進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)使得適應(yīng)現(xiàn)代混凝土技術(shù)的發(fā)展呢？這是個(gè)仁者見仁，智者見智的問題，筆者從長(zhǎng)期科學(xué)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(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)上涂刷 CCCW，其防水的性能優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)得不明顯，并不是說(shuō) CCCW本身的性能變差，而是在高強(qiáng)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(shuō)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(qiáng)度、涂層的粘結(jié)強(qiáng)度與變形能力。目前，CCCW應(yīng)用時(shí)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(dāng)于 0.46～0.6左右。其抗壓強(qiáng)度在 25～45 MPa左右。因此，從強(qiáng)度等級(jí)上來(lái)看，與混凝土結(jié)構(gòu)的本身強(qiáng)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(qiáng)調(diào)一旦活性物質(zhì)滲透進(jìn)去，即使涂層破壞也無(wú)所謂，這是CCCW產(chǎn)品的一個(gè)重要的特性。筆者認(rèn)為，沒有必要過分強(qiáng)調(diào)這種特性，因?yàn)?，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(shí)滲漏，而一旦涂層破壞，談何產(chǎn)生裂縫時(shí)的愈合？

　　提高粘結(jié)強(qiáng)度與變形能力也是 CCCW應(yīng)考慮的技術(shù)改進(jìn)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(gè)整體，從而實(shí)現(xiàn)永久防水。

　　未來(lái)的 CCCW涂層不僅應(yīng)具有防水性能，還應(yīng)具有對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)很好的防護(hù)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(shí)現(xiàn) CCCW的這些性能改進(jìn)，需要進(jìn)行大量的系統(tǒng)試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用驗(yàn)證，才能取得理想的結(jié)果。[Page]

　　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(biāo)上，已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展所帶來(lái)的技術(shù)規(guī)范的要求了。在對(duì)混凝土耐久性日趨重視的今天，用控制堿含量來(lái)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(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中都對(duì)此做了明確的規(guī)定。盡管實(shí)際上 CCCW的堿含量對(duì)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(diǎn)。解決這個(gè)問題，需要全面的技術(shù)創(chuàng)新和大膽嘗試，甚至可能要對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)固定不變的核心配方進(jìn)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(qiáng)度高的混凝土上應(yīng)用，無(wú)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(diǎn)，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(gè)思路也僅供有興趣的人士去進(jìn)一步探究。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　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(lái)，盡管不同廠商對(duì)其技術(shù)進(jìn)行過不同程度的改進(jìn)，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(jìn)步與發(fā)展的今天CCCW的防水效果是不斷被削弱的。如何對(duì)這類產(chǎn)品進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)、創(chuàng)新，確定未來(lái)的發(fā)展方向是 CCCW廠商必須要考慮的問題。

　　國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定不僅僅是規(guī)定一類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，供檢測(cè)、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(chǎng)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(shí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有望進(jìn)行修訂，希望這些技術(shù)探討，不僅對(duì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的修訂起一定參考作用，更重要的是促進(jìn)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。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]袁大偉.再談滲透結(jié)晶型防水劑.中國(guó)建筑防水，2003（5）： 1-3

　　[2]蔣正武.正確認(rèn)識(shí)水泥基滲透結(jié)晶型防水材料.中國(guó)建筑防水，2005（10）：10-12

　　作者簡(jiǎn)介：蔣正武，男，博士，副教授，中國(guó)建筑學(xué)會(huì)防水技術(shù)專業(yè)委員會(huì)副主任。聯(lián)系地

　　址：200092上海市四平路 1239號(hào)，聯(lián)系電話：021-65980527。

　　作者：蔣正武（同濟(jì)大學(xué)先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）