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我国刚性防水技术的发展

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    刚性防水技术是指以水泥、砂、石为原材料,掺入少量外加剂或高分子聚合物材料,通过调整配合比来降低孔隙率、改善孔结构,或通过补偿收缩提高混凝土的抗裂防渗能力等方法,使混凝土构筑物起到防水作用的技术。应用刚性防水技术时,可根据不同的工程构造,采取秃同的做法,施工简单、造价较低、易于维修、防水效果好,因此在土木建筑中刚性防水技术占了较高的比例。但由于普通水泥易收缩开裂的缺陷,常常要求设计周密、施工严格,方可奏效。
    1 刚性防水材料的发展
    l)膨胀水泥的研究
    刚性防水的主要基材是普通水泥,从抗渗性能看,硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥比矿渣水泥与火山灰水泥好。然而,普通水泥的抗拉强度低、变形小、易于收缩开裂,往往破坏混凝土结构的整体防水。在上世纪30年代,法同研制成功膨胀水泥,其目的是解决水泥收缩问题。但其实际应用是在上世纪50年代后,原苏联、美国、日本和中国先后采用膨胀水泥作为刚性防水的基材,较好地解决了混凝土的收缩开裂问题。从水泥品种选择来看,膨胀水泥比普通水泥具有一定的优越性。
    2)混凝土防水剂
    众所周知,水泥拌水后,其硬化后的绝对体积都要减少,外观体积收缩不多,主要在混凝土内部形成许许多多毛细孔缝成为渗水的渠道。为了填充、堵塞混凝土中这些毛细孔缝,提高混凝土的抗渗性,国内外科技人员研究出许多无机的或有机的防水剂,如三氯化铁、铝粉、氯化铝、三乙醇胺、有机硅等,其目的是通过加入这些防水剂,形成某种胶体或络合物,堵塞毛细孔缝,达到提高混凝土抗渗能力的目的。另一种方法是掺人引气剂,形成不连通的微小气泡,割断毛细孔缝的通道。第三种方法是加人减水剂,降低水灰比,减少孔隙率。
    目前我国建筑市场上有几十种牌号的防水剂,其防水效果大同小异,评价不一。可以说大多数的防水剂能提高混凝土的抗渗能力,但工程应用效果并不理想,渗漏现象时有发生。究其原因,除了施工不当外,主要是忽视了一般防水剂虽可提高抗渗性,但它们不能解决防水混凝土的收缩开裂问题。有的防水剂,如三氯化铁,掺入混凝土中后,收缩比普通混凝土更大。因此,作为防水构筑物或防水抹面层,抗渗的前提应是抗裂,不裂才会不渗。
    3)混凝土膨胀剂

    上世纪70年代末,我国出现了把抗裂防渗结合起来的新型防水外加剂——混凝土膨胀剂。1974年,中国建材院率先研制成功类似日本CSA的硫铝酸钙膨胀剂,上世纪80年代中研制成功了U型膨胀剂(UEA)、复合膨胀剂和铝酸钙膨胀剂;安徽省建科院研制成功了明矾石膨胀剂。目前,我国的膨胀剂有10多个品种,部分已商品化的膨胀剂见表1。复合膨胀剂和脂膜石灰膨胀剂主要通过CaO水化形成Ca(OH)2产生膨胀,镁质膨胀剂是通过MgO水化形成Mg(OH)2产生膨胀,U型膨胀剂、明矾石膨胀剂是形成钙矾石(CA·3CaS04·32H20)产生膨胀。从化学稳定性和防水效果来看,钙矾石系膨胀剂比石灰系、氧化镁膨胀剂更好。
     
     
     
     
     
     
     
     2004年后,中国建筑材料科学研究总院研制成功了低碱高效的ZYHSCA膨胀剂,其碱含量≤0.5%,掺量从l0%~12%降低到8%,具有良好的抗裂防渗功能。有些厂商把膨胀剂与减水剂复合成抗裂防水剂。
     4)其他刚性防水材料
     近年莱,我国引进了两种刚性防水剂。一种是美国“确保时”(Cpovox),中国建材院对它进行剖析之后研制出具有“确保时”的性能、又以国产原料为基础的新产品,并命名为“防水宝”。这种“防水宝”是由母料与细砂、水泥混合均匀而得的刚性材料,涂抹在基层上35 mm厚,即起到不渗水的效果。另一种是水泥基渗透结晶型防水材料,系引进加拿大技术生产的,其最大特点是可以渗透到水泥内部,与碱性物质起化学反应,并在混凝土表层生成不溶于水的结晶体,堵塞、填充毛细孔而起防水作用。国家标准《水泥基渗透结晶型防水材料》(GB 184452001)已制定并实施。
    经过多年的研究,《聚合物水泥防水砂浆》(JC/T 9842005)建材行业标准已制定。聚合物水泥防水砂浆是以水泥、细骨料为主要原材料,以聚合物和添加剂等为改性材料,并以适当配比混合而成的防水材料。用于防水抹面时,养护7 d的抗渗压力≥1.0 MPa
    1994年,我国研制成功了聚合物水泥防水涂料。并制定了建材行业标准(JCT 8942001)。聚合物水泥防水涂料是以水溶性丙烯酸乳液、水泥、石英砂和多种助剂制备而成,拌合成防水涂料后,水泥吸收乳液中的水分,形成水泥凝胶体;而乳胶因脱水干燥形成弹性的聚合物柔韧网络,形成具有结构密闭的弹性复合体。因此,该材料既具有水泥类无机材料的强度高、耐久性好的优点,又有橡胶类材料良好的弹性和防水性能,涂覆后可形成坚韧的防水涂膜。但一般聚合物水泥防水涂料的耐水性较差,李应权1等人对丙烯酸聚合物进行了改性,并与低碱特种水泥复合成功研制了PMC防水涂料,具有吸水率大幅度降低、高耐水、泡水不肿胀、浸水后拉伸强度保持率高等特点,该材料已在我国应用较广。
    由于材料的缺陷或设计与施工方面的因素,防水结构难免会出现渗漏,为此国内已研制生产各种防水堵漏材料。现已制定建材行业标准《无机防水堵漏材料》(JC 9002002)。我院研制成功的氟铝酸钙水泥速凝剂,其初凝<5 min1 h抗压强度>l0 MPa,在国内应用范围较广。
     l0年来,在防水混凝土或砂浆中掺入聚丙烯纤维,以提高薄壁结构的抗拉强度和抗裂性,在我国已得到成功应用。
    纵观国内外刚性防水材料的发展过程,尽管膨胀水泥比普通水泥具有更优越的抗裂隧性能。但是,以普通水泥为基料的混凝土结构仍占主要地位。为提高普通水泥的抗渗性,我国研制了各种无机的和有机防水剂,在防水工程中起到良好作用,但它们只能起到提高抗渗作用,不能解决水泥混凝土收缩开裂的致命弱点。虽然聚合物防水材料具有较好的变形能力,但其价格高,不能大量使用。上世纪70年代后,在膨胀水泥基础上研制成功的各种膨胀剂,这种膨胀剂适量掺人到水泥中,可拌制成补偿收缩混凝土(砂浆),具有抗裂、防渗功能。膨胀剂是我国刚性防水材料的重要产品,为我国建筑防水的设计和施工带来了技术进步。
    2 结构自防水技术的发展
     结构自防水技术就是把承重结构(或围护结构)和防水构造合为一体的技术。在土木建筑工程中,这种刚性防水技术仍占主要地位,其发展过程见表2
     
     
     
     
     
     
     
    混凝土是一种多孔材料,如何提高其抗渗性是结构自防水的关键。德国最先提出集料连续级配防水混凝土技术,即通过不同级配的石子获得最小孔隙率以得到致密混凝土。解放初,这种防水混凝土技术在我国也进行了推广,但是它对石子的级配十分严格,要破碎、筛洗成不同颗粒的石子,按筛分曲线级配。这不但增加成本,浪费部分石子,且施工麻烦,因此这种防水混凝土在我国推广较难。
    上世纪60年代,冶金建筑科学研究总院等提出了富砂浆防水混凝土技术,认为水泥砂浆的质量是决定混凝土防水能力的关键,因为混凝土中砂浆除了要求填充石子孔隙并包裹外,还必须具有一定厚度,才能提高混凝土防水能力。该技术理论提出混凝土中灰砂比为   1212.5,砂率为35%~40%,石子粒径不大于40 mm,水灰比不宜超过0.6。这种防水技术突破了集料连续级配的苛求,在冶金建筑等大型防水工程应用效果良好。
    上世纪70年代后,我国研制应用了外加剂防水混凝土,例如三氯化铁防水混凝土、三乙醇胺防水混凝土、有机硅防水混凝土和减水剂防水混凝土等。其原理是在混凝土中添加这些外加剂后,形成不溶性胶体化合物或络合物,用来堵塞、填充毛细孔缝,增加混凝土的密实度,以提高它的抗渗性。这些外加剂防水混凝土在一定条件下的应用效果还是不错的。
    然而,一些工程实践表明,上述结构自防水技术并未取得令人满意的效果。究其原因,主要是忽视了水泥收缩的致命弱点,尽管混凝土很致密,但干缩和冷缩(温差收缩)会使混凝土结构开裂,从而破坏结构的整体防水功能。
    专家们很早以前就注意到水泥的收缩问题,研制出添加膨胀水泥或膨胀剂的补偿收缩混凝土。补偿收缩混凝土在养护期间产生体积膨胀,在钢筋或邻约束下,可在混凝土中建立0.20.7 MPa预压应力,这种限制膨胀可补偿混凝土的限制收缩,抵消混凝土结构在收缩过程中产生的大部分拉应力,从而使结构不裂或把裂缝控制在无害裂缝范围内。经过60多年的研究,膨胀剂的膨胀速率、膨胀量的控制以及生产工艺等已得到基本解决,这类材料先后在俄、日、美投人应用,我国在上世纪80年代也开始进人应用阶段。
    由于普通混凝土和外加剂防水混凝土不具有膨胀性能,它们没有抗裂的功能,即使它们的抗渗性很高,混凝土收缩开裂就会失去整体防水功能,所以说,具有抗裂防渗功能的补偿收缩混凝土是结构自防水的重要技术,是上世纪80年代后刚性防水技术的新发展。
    3 补偿收缩混凝土应用技术发展
    1992年建设部颁布了《UEA补偿收缩混凝土防水工法》(YJGF 2292),补偿收缩混凝土开始普及推广。例如,北京亚运会奥林匹克体育中心田径场看台和高架平台,面积约3万多m2,采用了UEA防水混凝土,使混凝土结构具有了补偿收缩、抗裂防渗的功能,经20年考验使用效果良好。回家体育场、国家游泳中心、北京奥林匹克公园国家会议中、中心区地下交通联系通道和中国科学技术新馆等奥运工程,以及国内很多高层建筑地下室、火车站/地铁的站前地下商场、自来水厂和污水处理池等,也都使用了补偿收缩混凝土作结构自防水,取得了较好的应用效果。
    经过20年的△程实践,2009年,住房和城乡建设部颁布了《补偿收缩混凝土应用技术规程》(JGJT1782009),以指导补偿收缩混凝土的工程应用,减少混凝土收缩裂缝,提高混凝土结构抗裂防渗的耐久性,保证工程质量。该规程主要适用于结构自防水、超长结构的无缝施工和大体积混凝土裂缝渗漏控制。一些地下和水工工程实践证明,按本规程做法,当混凝土结构膨胀剂掺量达到设计要求的混凝土限制膨胀率,抗渗等级符合要求,以膨胀加强带代替后浇带的无缝施工,混凝土做到振捣密实和重视养护等,可以达到结构自防水的目的。
    由于某些地下、水工工程的特殊性,混凝土设计使用寿命在70100年,可见结构自防水是治本,抗裂比防渗更重要,为此工程界提出了许多应加加强结构本体自防水的建议。《地下工程防水技术规范》(GB 501082008)总则中指出:“地下工程的防水.应己采用经过试验、检测和鉴定并经实践检验质量可靠的新材料、新技术、新工艺”。而膨胀剂及补偿收缩混凝土己有20多年的发展历史,在应用中不乏成功的工程案例,因此,地下防水工程在遵循相关规范的基础上,设计和采用补偿收缩混凝土,对提高地下防水程质量、促进我国刚性防水技术的发展,将起到积极的作用。
    参考文献:
    1]李应权,徐永模,韩立林. 聚合物水泥类防水材料性能改进的研究J. 中国建筑防水,20023):1922
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