从混凝土技术发展看水泥基渗透结晶型防水材料

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
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 产生良好防水效果的条件之一“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 影响呢？ 是有益的还是不利的呢？
混凝土技术发展之二是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， 这样就使 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 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
综述与论坛
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： 从混凝土技术发展的角度来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 Ｕｎｄｅｒ ｓｔａｎｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃａｐｉｌｌａｒ ｙ ｃｒ ｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｗａｔｅｒ ｐｒ ｏｏｆ ｍａｔｅｒ ｉａｌ ｆｒ ｏｍ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃｏｎｃｒ ｅｔｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ／／ Ｊｉａｎｇ Ｚｈｅｎｇｗｕ Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｐｅｒ ｔｏ ｆｕｌｌｙ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｆｒｏｍ ｖｉｅｗｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｅｆ－ ｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆ ｍａｔｅｒｉ－ ａｌ； ｈｉｇｈ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｏｎｃｒｅｔｅ
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不高， 大约相当于现在 混凝土强度等级的 Ｃ１５～Ｃ３０； 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 Ｃ２５～Ｃ３０， 而 重要结构、尤其是大型建筑结构设计强度基本上在 Ｃ３０～Ｃ５０ 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大不 一样。从微结构的角度来看， 两种混凝土的孔隙率和 渗透性就大不相同了。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。 ２．４ 矿物掺合料的大量使用
１０ ＣＢＷ ２００７．１１
综述与论坛
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， 活性物质是很难渗透到混凝土 内部的。
２００７．１１ 中国建筑防水 １１
综述与论坛
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， 因此今天的混 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。 ３ 混凝土技术发展对 ＣＣＣＷ 防水效果的影响
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—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、施工和质量监督单位还是科研单 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。
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、防水。水泥 基 渗 透 结 晶 型 防 水 材 料 是 靠 渗 透 结 晶 、填 塞 、微 细 化 毛细孔而实现提高混凝土的抗渗性、防水性的功效 的， 这点是可以肯定的。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 混凝土中的水泥水化， 生成水化硅酸钙 ＣＳＨ 凝胶晶 体。
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其适 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
一个人穿了一件不合体的雨衣， பைடு நூலகம்衣本身是很容易弄 破的。
当然， 这样分析， 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。
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。尤其是商品混 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， 有的甚至达到 ６０％以上。
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。这种关系恰如鱼与水的关系。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确认识 ＣＣＣＷ 的特性与发展是非常必要的。本文力求从国内外尤其 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