水泥基渗透结晶型防水材料的组成与作用

发表时间:2020-04-08 00:00

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1.多孔性的混凝土结构

  混凝土是由灰砂石组成的非匀质结构体,在浇筑混凝土时,水灰比控制在0.23~0.25就可满足水泥水化反应的需要,但如此小的水灰比使混凝土的流动性极差,浇筑十分困难甚***不可能完成,为满足施工要求,人们常把水灰比控制在0.4~0.8。混凝土凝固过程中,多余的水分蒸发掉,在混凝土中形成无数毛细管通道和细微的裂纹,凝固前后混凝土体积相差约8%。此外,在使用过程中,混凝土也会产生新的裂纹。所以,混凝土是一种多孔性的结构。

  多孔性给混凝土带来的危害很多,主要危害有:(1)导致钢筋混凝土结构渗漏水;(2)导致钢筋混凝土遭受冻害1;(3)水载有害物质Cl-、SO42-等对混凝土产生化学***;(4)空气中的CO2对混凝土产生碳化作用。

  上述危害严重影响了混凝土的使用功能和使用寿命,所以人们总是希望混凝土是高度密实的天衣无缝结构体,但事与愿违,我国***混凝土裂缝控制专家王铁梦经过几十年的研究,得出结论:“天衣无缝只不过是人们的理想和遥不可及的追求,现实世界是天衣有缝的。我们永远不可能战胜裂缝,不可能消灭裂缝,不可能杜绝裂缝,只能控制裂缝,允许无害裂缝存在,要求不出现和少出现有害裂缝。从另外一个视角,裂缝不仅是缺陷,它还是混凝土的物理力学性质。”2

  多大的裂纹是有害裂纹呢?蒋正武博士介绍了国内外学者的研究结果3:美国学者 Mehta认为影响混凝土强度和渗透性的孔隙大小为不小于100nm;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:2.5~20 nm,无害孔级;20~50 nm,少害孔级;50~200nm,有害孔级;200 nm~11μm,多害孔级。需要指出的是,我国《地下防水工程技术规范》GB50108-2001第4.1.6条规定,防水混凝土“裂缝宽度不得大于0.2mm,并不得贯穿”,该条并不意味着大于0.2mm的裂纹才渗水,而是大于0.2mm的裂纹会严重影响结构强度,该条在规定允许***裂纹宽度的同时,强调了裂纹不得贯穿,不贯穿的裂纹当然不会渗漏。

  综上所述,混凝土是一种非匀质结构,产生裂纹、孔隙是混凝土的性质,我们不可能消除裂纹、孔隙,只能把裂纹、孔隙的大小控制在无害级别,无害级别的孔隙大小为小于20nm。

  控制混凝土孔隙、裂纹大小的办法很多,采用水泥基渗透结晶型防水材料是行之有效的方法之一。多年来,由于水泥基渗透结晶型防水材料供应商对该材料的组成和作用机理描述得不够清晰,使我们不能从理论上指导该材料的应用,因此,有必要探讨该材料的组成和各组分的作用。

  2组成与作用

  2.1材料组成

  水泥基渗透结晶型防水材料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。

  水泥和石英砂是我们比较熟悉的物质,活性化学物质是水泥基渗透结晶型防水材料的神秘面纱,国内学者4通过对水泥基渗透结晶型防水材料的性能分析认为,活性化学物质由多种成分构成。在多种成分中,可分为两大类:(1)复合型混凝土外加剂;(2)活性阴离子催化剂。其中复合型混凝土外加剂包含防水剂、引气剂、早强剂、减水剂、膨胀剂、火山灰、表面活性剂等外加剂。

  由上述组分可以看出,水泥基渗透结晶型防水材料与我们常用的混凝土外加剂相比,其主要区别在于:(1)前者组成复杂,复合型外加剂由多种外加剂组成,综合了多种外加剂的性能,对混凝土发挥了综合的改良效果,而我们常用的混凝土外加剂组成单一,对混凝土性能的改善不及前者。(2)前者中含有活性阴离子催化剂,后者中不含活性阴离子催化剂。在上述两个区别点中,以水泥基渗透结晶型防水材料含有催化剂为主要区别点,如果没有催化剂,该材料也就变成了复合型混凝土外加剂,与普通混凝土外加剂的区别不大。

  2.2各组分的作用

  各组分所起的作用,众多文献描述不一。比如有说水泥是载体,有说水是载体,有些文献干脆不说什么是载体;结晶体产生的过程中,发生了什么样的化学反应?很多产品说明的描述含糊不清,致使人们不能正确理解各组分的作用,因此,有必要说明各组分所起的作用。在了解各组分的作用之前,我们应该首先明白,水泥基渗透结晶型防水材料中的各组分与未水化水泥的反应,是在水溶液中进行的,即各组分首先溶解在水中,然后发生化学反应。

  2.2.1复合型混凝土外加剂的作用

  复合型混凝土外加剂在水泥基渗透结晶型防水材料水化初期,就参与化学反应,生成致密的水泥基渗透结晶型防水材料涂层(外涂型和干撒型),或提高混凝土本身的致密性(内掺型),其作用机理随复合型外加剂的组成不同而异,并在水泥水化初期,被大量消耗掉。

  2.2.2 活性阴离子催化剂的作用5

  水泥水化产生Ca(OH)2,在水中电离产生Ca2+;水泥中未水化的水泥颗粒及水泥基渗透结晶型防水材料中含有活性SiO32-;活性阴离子是一种正催化剂,它发挥如下作用:(1)加速Ca2+和SiO32-反应生成CaSiO3.nH2O的反应速度。(2)它能使水泥中的Ca2+和SiO32-在极低的浓度下(质量分数1×10-8)发生化学反应,生成水合硅酸钙Ca SiO3.nH2O的反应更加彻底、更加完善,生成的晶体也更多,使防水涂层或防水混凝土更加致密。(3)它在水中具有较高的溶解度和渗透性,能渗透到混凝土的细微孔隙中,从而在混凝土深层产生结晶体。

  随着水合硅酸钙的不断生成,结晶体逐步长大,从而堵塞混凝土中的毛细孔和微细裂纹,反应前后,活性阴离子作为催化剂,质量不发生变化,始终存在于混凝土中。

  活性阴离子的这种特性,赋予混凝土具有二次自我修复能力,也就是具有二次渗透能力。水泥基渗透结晶型防水材料凝固后,随着拌合水的减少,活性阴离子催化剂、Ca2+和SiO32-从溶液中析出形成固体,Ca2+和SiO32-的反应停止。当混凝土开裂,水分再次渗入混凝土时,活性阴离子、Ca2+和SiO32-再次溶解到水中,形成水溶液,开始新一轮的反应,再次生成结晶,堵塞混凝土裂纹。由于活性阴离子始终存在于混凝土中,且混凝土中Ca2+和SiO32-含量丰富,因此,从理论上讲,二次自愈合能力具有***性。

  2.2.3水的作用

  在水泥基渗透结晶型防水材料的应用过程中,水发挥了3种作用:(1)水是溶剂,所有的反应都是在水溶液中进行的,它是反应的介质;(2)水是固化剂,它不仅是水泥的固化剂,也是Ca2+和SiO32-反应生成CaSiO3.nH2O结晶体固化剂,在结晶体中,含有n个水分子;(3)水是活性化学物质渗透的载体,活性化学物质溶解在水中,扩散到水能到达的区域。

  2.2.4水泥的作用

  在水泥基渗透结晶型防水材料中,水泥也发挥了3种作用:(1)水泥是反应物,它为结晶体CaSiO3.nH2O的生成***了Ca2+和SiO32-;(2)水泥是成膜物质,它是水泥基渗透结晶型防水涂膜的主要成膜物质之一,在涂膜中发挥粘结和防水作用;(3)它是载体,在制造水泥基渗透结晶型防水材料时,活性化学物质均匀分散在水泥中,使活性化学物质能被均匀的涂刷(或干撒)在混凝土表面或被均匀地拌合在混凝土中。

  3.2.5石英砂的作用

  在水泥基渗透结晶型防水材料中,石英砂发挥了2种作用:(1)它是成膜物质,是水泥基渗透结晶型防水涂膜的主要成膜物质之一,在涂膜中发挥骨料作用;(2)它是载体,发挥和水泥一样的载体作用。

  3渗透

  水泥基渗透结晶型防水材料通过活性化学物质在混凝土孔隙中的渗透而产生结晶体,因此有必要研究渗透有关的因素。

  3.1渗透的动力

  渗透是水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质在混凝土孔隙中扩散的过程,既然有扩散,必然有动力,渗透的动力有如下4种:(1)机械力:在内掺型产品(水泥基渗透结晶型防水剂)中,通过机械搅拌,使活性化学物质均匀地分散在混凝土中;在干撒型产品中,通过抹压使活性化学物质均匀地分散在混凝土表层;(2)水载流动:活性化学物质的水溶液在较大的裂纹中,向混凝土内部流动,从而把活性化学物质带入到混凝土内部;(3)扩散理论:活性化学物质在水溶液中,自动从高浓度区向低浓度区扩散;(4)毛细管作用:活性化学物质的水溶液,通过毛细管作用,在混凝土微细孔中扩散。

  3.2渗透的条件

  渗透必须具备如下条件:(1)渗透主要发生在混凝土的毛细孔和微细裂纹中,因此,毛细管道必须敞口。为此,必须清除混凝土表面的有机薄膜成分,如脱模剂、油漆、涂料等,方便含有活性化学物质的水溶液对混凝土润湿及毛细管现象的产生;(2)活性化学物质以水为载体渗透,因此,水是渗透产生的必要条件,在水泥基渗透结晶型防水材料的养护过程中,必须始终保持湿润状态。

  3.3渗透的深度

  渗透的深度并不代表产品的性能,这是因为:(1)渗透与混凝土表面毛细孔、微细裂纹的分布、形状有关,渗入深度与混凝土表面的孔隙率成正比,孔隙率越高,渗入深度越深;(2)渗入深度与活性化学物质的粘度成反比,粘度越低,渗入深度越深;(3)渗入深度与活性化学物质的活性成反比。这是因为,在渗透过程中,即伴随有结晶体的产生,堵塞毛细管,阻止渗透。活性越高、产生结晶的速度越快、对毛细孔的堵塞也越快,渗透越浅。那些片面吹嘘渗入深度的报道,恰恰反映了该产品化学反应活性低、生成结晶体的速度慢、生成的结晶体少,产品质量差。

  3.4渗透的方向

  在使用水泥基渗透结晶型防水材料时,我们必须控制渗透的方向,使活性化学物质向混凝土内部渗透,在混凝土深层产生结晶,堵塞混凝土中的毛细孔。为此,我们必须做到:(1)使混凝土表面满足3.2所述的渗透条件;(2)水泥基渗透结晶型防水涂料成膜后,禁止覆盖塑料薄膜养护,因为覆盖塑料薄膜后,毛细孔孔口被封闭,活性化学物质的水溶液在毛细孔中上升时,在毛细孔中形成负压,不利于活性化学物质的水溶液在毛细管现象作用下向混凝土深层渗透,应覆盖草洒水养护,使毛细孔具有透气性。

  我们所有的操作,应防止活性化学物质从混凝土中析出,预防发生反向渗透,为此我们应该做到:(1)养护水泥基渗透结晶型防水涂膜和含有水泥基渗透结晶型防水剂的混凝土期间,表面应无明水,明水来自养护水和雨水,如果有明水存在,在混凝土表面形成活性化学物质的低浓度区(浓度为0),混凝土中的活性化学物质会向低浓度区渗透,从混凝土中析出;对于使用水泥基渗透结晶型防水材料的蓄水池,应充分养护后,使混凝土表面形成一道致密的防水层后才能注水使用,这时,水不能浸入混凝土内部,活性化学物质也就不能从混凝土中向水中扩散;(2)在地下工程中使用水泥基渗透结晶型防水材料时,应充分养护后才能回填,回填土应保持湿润。如果回填土干燥,活性化学物质在毛细管现象的作用下,易向回填土中渗透;如果回填土过分湿润,如地下建筑物浸泡在水中,在建筑物周围形成活性化学物质的低浓度区(浓度为0),活性化学物质易从混凝土中(高浓度区)向低浓度区渗透,造成活性化学物质的损失。所以,水泥基渗透结晶型防水涂膜或含有水泥基渗透结晶型防水剂的混凝土必须充分养护,在混凝土表面形成致密的防水层,堵塞造成渗透的毛细孔,使反向渗透终止。

  4.结束语

  目前,国内市场上的材料供应商对活性化学物质的组成仍然保密,希望材料供应商公布活性化学物质的组成,以便于我们从更加详细地了解水泥基渗透结晶型防水材料的组成、各组分的作用、产生渗透与结晶的机理,从理论上指导水泥基渗透结晶型防水材料的应用。


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