（道路与铁道工程专业论文）水性渗透型无机防水剂对混凝土耐久性的影响.pdf

摘要 当前，水泥混凝土的耐久性问题日渐突出。因耐久性不足造成的结构破坏非 常严重，同时也给社会带来了巨大的经济损失，给人民的生产和生活带来了极大 的不便。水性渗透型无机防水剂作为一种能够有效提高混凝土结构耐久性的材料， 逐渐受到大家的重视。但是当前有关混凝土耐久性的试验和评价方法还很不成熟， 严重制约了水性渗透型无机防水剂的健康发展和工程应用。本文通过相关耐久性 试验，研究了水性渗透型无机防水剂对混凝土耐久性的影响，为进一步推广水性 渗透型无机防水剂在工程中的应用提供有力的依据。 通过混凝土渗透性试验，包括渗水深度试验、吸水率试验、氯离子扩散系数 测定( r c m 法) 试验，表明水性渗透型无机防水剂能够降低混凝土的渗透性，提 高混凝土的抗渗能力，以及提高混凝土抗氯离子渗透的能力。 通过混凝土试件的抗盐冻剥蚀试验，表明混凝土试件表面通过涂刷水性渗透 型无机防水剂后抵抗盐冻剥蚀破坏的能力有着一定的提高。 通过耐磨性试验，表明混凝土在涂刷水性渗透型无机防水剂后混凝土的耐磨 性能上升。 通过抗裂性试验表明混凝土在涂刷水性渗透型无机防水剂后能够有效地降低 混凝土的早期收缩开裂。 通过对混凝土碳化的研究表明混凝土在涂刷水性渗透型无机防水剂后抵抗碳 化的能力增强，同时也可以有效地改善已碳化的混凝土的性能。 。在工程实践运用中，以广东省清涟高速公路部分新老混凝土面层作为研究对 象，通过取芯，采用电镜扫描，能谱分析等手段检测s e a l 1 0 0 ，s e a l 。1 0 0 r b 在 工程实践运用中的效果。 总之，水性渗透型无机防水剂有着广阔的前景，随着混凝土耐久性和水性渗 透型无机防水剂研究的深入，我们必将逐渐掌握其本质，在今后的工程实践中将 进一步发挥其作用，为建造耐久的混凝土做出重要的贡献。 关键词：水性渗透型无机防水剂；混凝土；耐久性；渗透性；盐冻剥蚀；耐磨性； 抗裂性；碳化 a b s t r a e t a tp r e s e n t ，t h e d u r a b i l i t yo fc o n c r e t eh a sb e c o m ea ni n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t p r o b l e m l a c ko fd u r a b i l i t yo ft h ec o n c r e t es t r u c t u r e sc a u s e d v e r ys e r i o u sd a m a g e ，b u t a l s ob r i n g st ot h es o c i e t yh u g ee c o n o m i cl o s s e s ，a n db r i n g st ot h e p e o p l e sp r o d u c t i o n a n dl i f eal o to fi n c o n v e n i e n c e a sam a t e r i a l t h a tc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h e d u r a b i l i t yo fc o n c r e t es t r u c t u r e s ，w a t e rb a s e dc a p i l l a r yi n o r g a n i cw a t e r p r o o f e rh a s a t t r a c t e ds om u c ha t t e n t i o ng r a d u a l l y h o w e v e r ，t h ed u r a b i l i t yo f t h ec u r r e n tc o n c r e t e t e s t i n ga n de v a l u a t i o nm e t h o d sa r es t i l li m m a t u r e ，w h i c h s e v e r e l yr e s t r i c t e dw a t e r b a s e d c a p i l l a r yi n o r g a n i cw a t e r p r o o f e r s h e a l t h yd e v e l o p m e n ta n d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s b a s e do n r ，e l a t e dd u r a b i l i t yt e s t ，w es t u d yw a t e rb a s e dc a p i l l a r y 1 n o r g a m cw a t e r p r o o f e r 。si m p a c to nc o n c r e t ed u r a b i l i t ya n dp r o v i d eas t r o n gb a s i st o f u r t h e rp r o m o t ei t sa p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n g t h o u g ht h ec o n c r e t ep e r m e a b i l i t yt e s t ，i n c l u d i n gt h ep e r m e a t i o nd e p t ht e s tu n d e r h y d r a u l i cp r e s s u r e ，t h er a t eo fw a t e ra b s o r p t i o nt e s t ，c h l o r i d ed i f f u s i o nc o e f h c i e n t ( r c mm e t h o d ) t e s t i n g ，i n d i c a t i n gt h a tw a t e rb a s e dc a p i l l a r yi n o r g a n i cw a t e r p r o o f e r c a nr e d u c et h ep e r m e a b i l i t yo f c o n c r e t et oe n h a n c et h ei m p e r m e a b i l i t yo fc o n c r e t e a s w e l la si m p r o v et h ea b i l i t yo fa n t i c h l o r i d ei o np e n e t r a t i o n t h r o u g ht h ed e i c e r f r o s ts c a l i n g t e s t ，i n c i c a t i n gt h a tw a t e rb a s e dc a p i l l a r y m o r g a m cw a t e r p r o o f e ri m p r o v et h es a l tf r o s tr e s i s t a n c eo fc o n c r e t es u r f a c e t h r o u g ht h ew e a r t e s t ，i n d i c a t i n gt h a tw a t e rb a s e d c a p i l l a r vi n o r g a n i c w a t e r p r o o f e ri n c r e a s e dt h ew e a rr e s i s t a n c eo fc o n c r e t e t h r o u g ht h ec r a c k i n g t e s t ，i n d i c a t i n g t h a tw a t e rb a s e dc a p i l l a r y i n o r g a n i c w a t e r p r o o f e re f f e c t i v e l yr e d u c e se a r l ys h r i n k a g ec r a c k i n go fc o n c r e t e t h r o u g ht h ec a r b o n i z a t i o nt e s t ，i n d i c a t i n gt h a tw a t e rb a s e dc a p i l l a r yi n o r g a n i c w a t e r p r o o f e re n h a n c et h ec a p a c i t yo fc a r b o n a t i o nr e s i s t a n c e ，a tt h es a m et i m ei t c a n e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec a r b o n a t e dc o n c r e t e i ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，w i t hp a r to ft h eo lda n dn e w c o n e r e t ep a v e m e n to fq i n g l i a ne x p r e s s w a yi ng u a n g d o n gp r o v i n c i a lf o rt h es t u d y ，t h r o u g ht h ec o r e ，t h eu s e o f s c a n n m ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i sa n do t h e rm e a n sd e t e c t s e a l 10 0a n ds e a l 一1 0 0 r b p r a c t i c er e s u l t si nu s eo fe n g i n e e r i n g i ns h o r t ，w a t e rb a s e dc a p i l l a r yi n o r g a n i cw a t e r p r o o f e rh a sb r o a d p r o s p e c t s w i t h i l t h ed u r a b i l i t yo fc o n c r e t ea n dw a t e rb a s e dc a p i l l a r yi n o r g a n i cw a t e r p r o o f e ri n - d e p t h r e s e a r c h ，w ew i l lg r a d u a l l yg r a s pi t se s s e n c e ，t h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ei nt h ef u t u r e w i l lf u r t h e rp l a yi t sr o l e ，f o rt h ec o n s t r u c t i o no fd u r a b l ec o n c r e t em a k ea ni m p o r t a n t c o n t r i b u t i o n k e yw o r d s ：w a t e rb a s e dc a p i l l a r yi n o r g a n i cw a t e r p r o o f e r ；c o n c r e t e ；d u r a b i l i t y ； p e r m e a b i l i t y ；d e i c e r - f r o s ts c a l i n g ；w e a rr e s i s t a n c e ；c r a c kr e s i s t a n c e ； c a r b o n i z a t i o n i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 储签名：钟彩甲 日期：秒年，月疗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：肼呀日期：沙产厂月牙日 新虢锄烁日期秒年多月彦日 1 1 论文背景与研究意义 第一章绪论 混凝土材料由于诸多的优越性已被广泛用于土木工程之中。但是随着使用时 间的增长，使用地域的不同以及环境的变化，混凝土及混凝土结构的腐蚀和破坏 也给世界各国带来了巨大的损失，给人民的生活带来了诸多不利的影响。 近期美国腐蚀工程师学会( n a c e ) 发布的数据表明，美国每年的总腐蚀已 达3 0 0 0 亿美元，占国民生产总值( g d p ) 的4 2 。单就桥梁而言，美国6 0 万座 桥梁中，己有4 0 承载力不足，年修复费用达2 0 0 0 亿美元。美国评估技术委员 会确认，为维修一座桥，4 0 年内总的修复费用已经相当于四座桥的初建费用。 另外1 9 8 9 年英国国家公路局( h i g ha g e n c y ) 估计，仅在英格兰和威尔士， 因撤除冰盐诱发的钢筋腐蚀对公路桥梁造成的损害，经济损失高达6 1 6 5 亿英镑。 而这些被统计的桥梁仅占全英国桥梁总数的1 0 t 2 。 从以上列举的实例和数字中可以看到，混凝土腐蚀造成的巨大经济损失已成 为英、美等发达国家基础设施建设和维护中面临的最大问题之一。 另一方面，在许多发展中国家，由于大量的混凝土和钢筋混凝土结构的基础 设施建设主要是在2 0 世纪7 0 年代以后，钢筋锈蚀、中性化所带来的严重后果尚 没有充分地暴露出来，其对经济建设的不利影响尚不十分突出，所以这一问题尚 未引起这些国家有关部门和建筑行业的重视。在我国，以基础设施为主的混凝土 和钢筋混凝土腐蚀破坏，已经造成了巨大的危害，而未来潜在的威胁更是不可低 估。由于混凝土和钢筋混凝土引起的混凝土结构破坏是一潜伏期长的隐患性危害， 加上建筑施工单位的短期经济行为，致使这一问题的严重性一直未能得到足够的 重视，至今有关政府主管部门尚未组织过全国性的系统调查和研究。但从一些典 型工程实例中，可以看到我国目前面临的严重情况： 1 1 9 8 8 年，许冠绍等对4 0 座用于淡水的钢筋混凝土水闸进行的调研中钢筋 锈蚀导致上部混凝土结构破坏的占6 2 ，其中破坏严重的占2 2 d j 。 2 山东自改革开放以来高速公路建设总里程达到2 0 0 0 多公里，同时也建设 了大量的钢筋混凝土桥梁。这些公路桥大多处于沿海及盐碱地带，投入使用约1 0 年左右，就出现了严重的损伤破坏【4 j 。 3 对青藏公路现有钢筋混凝土桥梁的混凝土耐久性破坏调研表明，青藏高原 混凝土建筑物的耐久性问题不容忽视，主要破坏原因是严酷条件下频繁的冻融循 环作用促使混凝土剥落、破坏，而矿化水在严寒条件下的结晶和冰凌撞击、水流、 砂石冲刷以及风雪、冰雹冲刷加剧了混凝土结构耐久性的破坏【5 】。 从以上工程实例中可以看到混凝土和钢筋混凝土的腐蚀破坏不仅会造成巨大 的经济损失，还会危及人民生命财产安全，可以看到由于我国幅员辽阔、气候环 境各异，混凝土和钢筋混凝土结构在我国不同地区的腐蚀破坏形式各异。 结构耐久性是指结构及其部件在可能引起材料性能劣化的各种作用下能够长 期维持其应有性能的能力【6 】。因此可知，影响混凝土耐久性的因素均来自于混凝 土的自身条件及其所处的环境条件。其自身条件主要指混凝土结构是否密实，混 凝土中是否含有对腐蚀介质易感的组分等；环境条件主要是指环境的恶劣与否及 所处环境的主要侵蚀介质等。当然，施工因素也是影响混凝土耐久性的重要因素。 要提高混凝土的耐久性，就应针对这些方面来采取相应措施。 1 从自身条件考虑： ( 1 ) 合理的选择水泥品种，尽量采用低碱性水泥、早期强度较低的水泥等； ( 2 ) 选用级配合理及质量良好的砂石，减小砂石的含泥量； ( 3 ) 合理选取混凝土的配合比，严格控制水灰比，提高混凝土的密实度，使 混凝土内部的孔隙尽量为闭口孔； ( 4 ) 采用外掺材料，如矿渣、粉煤灰，以及其它火山灰质掺合料。 ( 5 ) 采用机械振捣与搅拌，加强养护，提高混凝土保护层的厚度和质量； ( 6 ) 在混凝土中加入外加剂( 如引气剂) 来减小碱一集料反应的膨胀量； 2 从外界因素来考虑： ( 1 ) 采用在混凝土表面涂层或加一层保护膜； ( 2 ) 用一些憎水材料来填充混凝土表面的孔隙； ( 3 ) 设法减轻环境因素对混凝土的破坏作用，尽量使混凝土处于干燥状态， 防止出现干湿交替作用； ( 4 ) 进行合理的结构设计，用先进的理论指导结构设计； ( 5 ) 加强施工管理，提高施工质量( 提高施工队伍素质，对施工过程进行监 督检查，加强验收制度) ； ( 6 ) 重视使用阶段的维护和管理，重视对服役混凝土的间断性检测，必要时 进行修理和加固。 混凝土的主要破坏因素，钢筋锈蚀、碳化、冻融循环、酸侵蚀、碱侵蚀、硫 酸盐侵蚀、磨蚀等，它们作用机理各不相同且十分复杂，但共同点是：都与水或 其他有害液体或气体向混凝土内部传输的难易程度有关，即与混凝土的渗透性相 关。混凝土材料的腐蚀大多是在有水及有害液体或气体侵入的条件下产生的，混 凝土的耐久性与渗透性有着密切的联系。提高混凝土耐久性的措施多种多样，但 总的说来提高混凝土耐久性措施所有手段的本质都大同小异，那就是提高混凝土 的抗渗性，阻断水等腐蚀性介质对混凝土的破坏，因此，提高新旧混凝土耐久性 2 能一类大的处理方法就是如何提高混凝土的抗渗性，如何阻断水等破坏介质进入 混凝土的内部。因此防水涂料成为目前国内外一种较为普遍，同时也是一种比较 经济的混凝土耐久性提高手段。 1 2 国内外防水涂料研究概况 1 2 1 国外防水涂料研究概况 采用防水涂料来防止建筑物的渗水和漏水是2 0 世纪5 0 年代末就已开始使用 的一种防水方法。美国、日本、苏联及西欧各国从五十年代开始研究防水涂料， 并取得较快进展。在原材料方面侧重于选用延伸性、耐久性良好的合成橡胶及合 成树脂。品种方面根据防水工程需要，发展水乳型及反应型的各种防水涂料，并 制定了质量检验标准，使防水涂料从一般辅助性的防水涂层发展为主要的防水涂 层，不仅简化了施工工艺，提高了施工效率，而且取得了良好的防水效果。 美国五十年代开始应用氯丁胶防水，到七十年代制定了检验标准。1 9 8 2 年美 国采用屋面防水的面积占新屋面的5 1 ，占翻修屋面的1 6 。苏联从六十年代开 始重视合成胶改性沥青的研究，并确认氯丁胶是沥青改性的理想改性剂。西德 1 9 7 5 1 9 7 6 年间在k o i n - - n i e h i 若干火花和幅射严重的工厂屋面使用氯丁胶乳沥 青，采用喷涂法施工，施工面积3 1 0 0 米2 ，据称涂层经受了6 7 年的日晒雨淋至 今仍完好。l 7 j 2 0 世纪6 0 年代，欧美、日等国家发展起来一种新型高分子防水涂料一聚氨 酯防水涂料。其中美国最早使用聚氨酯涂膜防水，后来又推广到加拿大、中东以 及东南亚各国。日本l9 6 4 年从美国杜邦公司引进聚氨酯防水涂料专利技术，发展 迅速，平均每年增长率为1 3 5 ，日本在1 9 6 9 年颁布了聚氨酯防水涂料的工业标 准，目前日本每年用量高达3 万吨左右哺j 。 目前，美、德、法、日等工业发达国家的防水涂料在整个建筑防水材料中都 占有相当的份额。他们在积极发展高聚物改性沥青防水涂料和合成高分子防水涂 料的同时，又开发了无机渗透结晶型的粉状防水涂料等品种，而且正向着环保型 防水涂料发展。j a s p e r s o n 等【9 】开发出了丙烯聚合物与乙烯基聚合物水乳型防水涂 料，其中该乳液至少含有4 0 的丙烯酸和乙烯基聚合物，颜料二氧化钛的体积浓 度不超过1 0 ，该防水涂料主要用于屋面和外墙的防水，涂膜具有很高的弹性， 该防水涂料是一种耐久性防水涂料，一般至少可以使用1 0 年。m e d d a u g h l l o j 等研 制出了水乳型有机硅防水涂料，其中有机硅乳液主要是由阴离子表面活性剂稳定 的羟基封端的聚二有机硅氧烷( 1 0 0 份) ，无定型二氧化硅( 1 份) ，有机锡盐等组 成，乳液的p h 值大于9 ，固含量大于3 5 。该有机硅防水涂料在涂膜干燥后， 能够提供弹性涂膜，该弹性涂膜粘附在砌筑墙的表面，能够提供很大的力以抵抗 3 来自外表面任何水的压力，防水效果良好。r o d g e r s 1 1 】等开发的聚合物水泥型防水 涂料，主要用于混凝土的防水。其中w ( 水泥) = 5 o 一1 8 o ，2 0 0 目的w ( 碳酸 钙) = 2 0 5 0 ，w ( 聚醋酸乙烯) = 0 5 6 ，5 0 目的碳酸钙与3 0 6 0 醋酸 乙烯酯乙烯共聚物乳液相混合，剩余部分为水。该防水涂料具有很好的阻燃性、 隔热性以及抗化学腐蚀性。k y m i n a s 1 2 】等制造出了坚固耐用的屋面防水涂料，主 要用于长期受风雨侵蚀屋面的防水。基料为含有石油沥青、改性沥青和泡沫塑料、 丙烯酸聚合物的水乳型分散体，颜填料为二氧化钛、碳酸钙、二氧化硅、云母、 高岭土，颜料的平均粒径小于2 0 01 tm ，颜料在分散体系中的体积浓度 2 0 。该 防水涂料的涂膜与基层的附着力强、阻燃性好、能够反射大量的太阳光和热，因此 延缓了顶板的热老化，并降低了室内温度。r o b e r t s 等【l3 j 研制的墙面防水涂料是通 ，过对含有4 6 个碳原子的脂肪族烯烃或脂肪族二烯烃进行聚合而得的烃类树脂与 弹性共聚物( 由苯乙烯、异戊二烯、丁二烯共聚) 为基料，溶剂为混合溶剂( 含 有约8 0 9 5 的脂肪烃，5 2 0 的芳香烃，其中脂肪烃中含有至少1 的正庚 烷) 。该防水涂料的配方为：苯乙烯、异戊二烯共聚橡胶2 2 份，烃类树脂2 5 份， 绿色颜料l 份，乳酸2 0 份，庚烷3 0 份，s h e l l f l e x 2 份。该防水涂料具有良好的耐 候性、耐化学腐蚀性、抗拉强度高、延伸率高等优点，主要用于地下室的防水。施 工时，主要采用高压无空气喷涂。 近年来，美国亨瑞公司在过去开发和应用乳液沥青防水涂料的基础上，又成 功开发了一种以改性的优质氧化沥青为主要原料，掺入适量的化学助剂、填充剂、 石油溶剂和乳化剂等，经过特殊的加工工艺，制成了一种高固含量( 7 3 以上) ， 能在潮湿基层或雨中进行施工，并容易涂抹的厚质防水涂料。由于这种涂料既有 疏水功能，又有一定的亲水性，即具有“两性 功能，故可在下雨时，对屋面进 行防水堵漏的施工作业，能发挥救急的作用，很受用户欢迎引。美国创高公司生 产的一种不含挥发性有机溶剂的单组分聚氨酯防水涂料一一创高6 0 ，该涂料可根 据设计要求，采用能够控制涂膜厚度的锯齿形特制刮板直接涂刷在基层表面，经 吸收空气中的水分固化形成足够厚度的涂膜防水层【l4 1 。美国亨瑞公司在过去开发 和应用乳液沥青防水涂料的基础上，又成功开发了一种以改性的优质氧化沥青为 主要原料，掺入适量的化学助剂、填充剂、石油溶剂和乳化剂等，经过特殊的加 工工艺，制成了一种高固含量( 7 3 以上) ，能在潮湿基层或雨中进行施工，并容 易涂抹的厚质防水涂料。美国创高公司生产的一种不含挥发性有机溶剂的单组分 聚氨酯防水涂料一一创高6 0 ，该涂料可根据设计要求，采用能够控制涂膜厚度的 锯齿形特制刮板直接涂刷在基层表面上，经吸收空气中的水分固化形成足够厚度 的涂膜防水层。来自美国的最新专利产品阻热防水涂料。当它在金属物体上使用 时，极具柔性和封闭性，能堵漏、隔热、防锈；用于沥青屋面作防水涂料时，可 反射9 0 的太阳能量，能够防止沥青降解，延长防水寿命；用于刚性防水屋面时， 4 能够阻止混凝土膨胀、封闭细裂纹和缝隙，防止水分渗透，有极佳的粘附性和延 伸性7 1 。 1 2 2 国内防水涂料研究概况 中国建筑防水涂料的开发与应用开始于2 0 世纪6 0 年代，当时大多是以石油 沥青、煤焦油或化工厂的下脚料( 如苯乙烯焦油等) 作为主要原材料，加工成乳 化沥青防水涂料、塑料油膏、再生胶改性沥青防水涂料和苯乙烯焦油防水涂料等， 这些涂料曾经在防水工程中得到大面积推广使用，但由于这些涂料或是质量差、 防水层使用年限短，或是对环境污染性大，对施工人员身体健康有严重影响，大 多已被列入淘汰产品，用量正越来越少。 从2 0 世纪7 0 年代末开始，随着我国科学技术的进步和化学建材工业的发展， 防水涂料也获得了迅速的发展。在7 0 年代后期研制出了聚醚型聚氨酯防水涂料。 在8 0 年代中期又成功研制了焦油聚氨酯防水涂料，并大量推广使用于防水工程； 1 9 8 9 年国家建设部对全国防水材料市场进行了全面整顿和调查，确认聚氨酯防水 涂料是可信任的防水材料；到9 0 年代后，聚氨酯防水涂料取得了迅速的发展。1 9 9 0 年建设部将聚氨酯防水涂料列为“八五”计划重点推广项目之一，制定了聚氨酯防 水涂料建材行业标准( j c t5 0 0 9 2 ) 并于1 9 9 3 年开始实施；1 9 9 8 年建设部将非 焦油型聚氨酯防水涂料列为全国住宅推荐的十三种防水材料产品之一，从而极大 地推动了聚氨酯防水涂料在全国的推广应用与健康发展。针对焦油聚氨酯污染性 大，1 9 9 8 年北京市建筑工程研究院等单位开发了一种以石油沥青为填料的聚氨酯 防水涂料，北京金之鼎化学建材公司等单位研制了单组分聚氨酯防水涂料，随后 一些单位又开发出了无溶剂喷涂聚氨酯防水涂料。同时，其它高分子防水涂料也 得到了发展，如丙烯酸酯弹性防水涂料、硅橡胶防水涂料、水性三元乙丙橡胶防 水涂料等。 从8 0 年代到9 0 年代，各种聚合物改性沥青防水涂料也得到迅速的发展，先 后开发出了溶剂型和水乳型氯丁橡胶改性沥青防水涂料，溶剂型和水乳型s b s 改 性沥青防水涂料，水乳型丁苯橡胶改性沥青防水涂料等品种。 9 0 年代初北京金汤建筑技术开发有限责任公司开始研制聚合物水泥防水涂 料，在产品开发初期，仅有北京为数不多的企业生产，年产量仅有几百吨。但随 着国家对绿色环保型建材产品的推广，目前上海、浙江、广东、福建、山东、河 北、河南、四川、湖北、北京等省市已共有百余家企业生产这种涂料，2 0 0 0 年用 量已达1 2 0 0 0 吨。 近十几年来，在我国各种无机防水涂料也得到开发与应用，引进了确保时、 m 15 0 0 等国外先进的产品，同时还相继研制出了防水宝、h m l5 0 0 、t m l5 0 0 等一 系列无机防水涂料。无机渗透结晶型防水涂料也已开始大量使用在工业与民用建 筑的地下结构、地下铁道、桥梁路面、水利工程等方面。【1 5 】 1 3 研究内容 水性渗透型无机防水剂( w a t e r b a s e dc a p i l l a r yi n o r g a n i cw a t e r p r o o f e r ) 是以碱 金属硅酸盐溶液为基料，加入催化剂、助剂，经混合反应而成，具有渗透性、可 封闭水泥砂浆与混凝土毛细孔道和裂纹功能的防水剂。水性渗透无机防水剂是一 种新型绿色防水材料，因其具有优异的特性，已在不同的建筑业领域中获得广泛 应用。主要用于街道、公路路面、桥梁、停车场层面、机场道面、水坝、人行道、 车道、地下室、隧道等，尤其是近年来，该材料在我国新建路桥工程和旧工程维 修等领域展现出越来越明显的优势。 美国格雷士公司生产的常青( l i f e t i m e c r e t e ) 牌s e a l 系列产品是一种不 透明白，非石油基，无臭，无毒，使用方便，绿色环保的中性胶质液体。s e a l 系列产品作为一种水性渗透型无机防水剂，可喷射于已凝结硬化的新、老水泥混 凝土结构表面：它能渗透至特别的深度，形成不溶的凝胶体延长混凝土使用寿命； 同时对混凝土进行整体防水、密封和保护，并隔离污染；增加表面耐磨性和耐酸 性、化学稳定性。 s e a l 系列产品具有以下特点：混凝土永久完全防水；保持内部湿度稳定性； 保护结合料与整体完整性；增加表面耐磨性；优良的涂层或表面底涂层；提高热 阻；增加强度；挥发性有机化合物或挥发性有机溶剂含量为零；防止水分迁移； 更易除冰或清洁；提高耐粉尘性；提高耐酸化学性；降低内部化学反应潜力；降 低蠕变变形潜力；降低静电释放潜力；提高抗碳化能力。 s e a l 系列产品技术参数如下： 表1 1s e a l 系列技术参数表 物态 液体 颜色 不透明白色 气味无比重 1 1 0 p h 值 1 1 5 0 5 易燃性无 毒性无涂装性优秀 清洗溶剂水环境影响无中性 r 型因子增加高达2 0 表面粘结质量优秀 氯离子屏蔽能力优秀用户状态使用方便 v o c v o s 成分无 溢漏清理用水稀释冲洗 本课题对s e a l 10 0 进行室内试验，并对s e a l 1o o 和s e a l 1o o r b 6 ( s e a l 1 0 0 中加入渗透型钢筋阻锈剂) 的工程实践应用效果进行现场检测，从 而了解水性渗透型无机防水剂对混凝土性能的影响。 本课题主要从以下几个方面着手： 1 研究混凝土试件经水性渗透型无机防水剂s e a l 1 0 0 处理后渗透性能的变 化。 ( 1 ) 研究混凝土试件经水性渗透型无机防水剂s e a l 1 0 0 处理后渗水深度的 变化主要分成以下几个方面： 1 ) 涂刷后不同环境下渗水深度的变化； 2 ) 不同的涂刷龄期对渗水深度的影响； 3 ) 不同的标准养护龄期涂刷对渗水深度的影响； 4 ) 不同的涂刷工艺( 涂刷前后处理方式) 对渗水深度的影响； 5 ) 不同强度混凝土涂刷后对渗水深度的影响。 ( 2 ) 研究混凝土试件经水性渗透型无机防水剂s e a l 1 0 0 的处理后混凝土吸 水率的变化。 ( 3 ) 研究混凝土试件经水性渗透型无机防水剂s e a l 1 0 0 处理后混凝土氯离 子扩散系数的变化。 1 ) 不同涂刷龄期对氯离子扩散系数的影响； 2 ) 干燥试件涂刷后对氯离子扩散系数的影响； 3 ) 不同强度混凝土涂刷后对氯离子扩散系数的影响。 2 研究混凝土试件经水性渗透型无机防水剂s e a l 1 0 0 处理后混凝土抗盐冻 破坏能力的变化。 3 研究混凝土试件经水性渗透型无机防水剂s e a l 1 0 0 处理后混凝土耐磨性 能的改变，主要分为以下几个方面： ( 1 ) 涂刷后不同环境下混凝土的耐磨性能的变化； ( 2 ) 不同的涂刷龄期对混凝土的耐磨性能的影响； ( 3 ) 不同强度混凝土涂刷对混凝土的耐磨性能的影响。 4 研究混凝土试件经水性渗透型无机防水剂s e a l 1 0 0 处理后混凝土抵抗早 期塑性收缩裂缝性能的变化。 5 研究混凝土试件经水性渗透型无机防水剂s e a l 1 0 0 处理后抵抗碳化的能 力的变化。 6 在工程实践运用中，以广东省清涟高速公路部分新老混凝土面层作为研究 对象，通过回弹仪检测、裂缝宽度测量、电镜观察与分析、快速渗透性测试等手 段检测s e a l 1 0 0 ，s e a l 1 0 0 r b 在工程实践运用中的效果。 7 第二章水性渗透型无机防水剂与混凝土耐久性 根据a c l 2 0 1 委员会的定义，混凝土耐久性是指对风化作用、化学腐蚀、磨 损或任何其它破坏过程的抵抗能力。工程结构在长期使用过程中，在人为或自然 环境的作用下，其内部将随着时间的变化发生材料老化与结构损伤，这种损伤积 累将导致结构承载力下降、耐久性能降低。 影响混凝土结构耐久性的因素主要分为内部因素和外部因素。由于内外因素 的作用使混凝土结构常发生冻融破坏、碱一集料反应、混凝土碳化、钢筋锈蚀、 磨蚀、化学侵蚀等。这些反应将导致抗力下降甚至结构破坏。 2 1 混凝土渗透性与混凝土耐久性 2 1 1 混凝土的渗透性 渗透性是多孔材料的基本性质之一，它反映了材料内部孔隙的大小、数量、 分布以及连通等情况。混凝土是一种多孔的、在各种尺度上多相的非均质复合材 料。概括地说，混凝土的渗透性是指气体、液体或离子受压力、化学势或电场作 用在混凝土中渗透、扩散或迁移的难易程度。它衡量的是混凝土抵抗各种介质入 侵的能力【1 6 , 1 7 】。 2 1 2 混凝土渗透性对混凝土耐久性影响 混凝土的主要破坏因素，钢筋锈蚀、碳化、冻融循环、酸侵蚀、碱侵蚀、硫 酸盐侵蚀、磨蚀等，它们作用机理各不相同且十分复杂，但共同点是：都与水或 其他有害液体或气体向混凝土内部传输的难易程度有关，即与混凝土的渗透性相 关。混凝土材料的腐蚀大多是在有水及有害液体或气体侵入的条件下产生的，混 凝土的耐久性与渗透性有着密切的联系。 1 冻融破坏与渗透性 冻融破坏是指混凝土在负温与正温交替循环作用下发生表面剥落、开裂、强 度降低、结构疏松乃至破坏的现象。这种破坏在接触水又受冻的环境下容易发生， 所以抗冻性也是混凝土耐久性的一项重要指标。 材料微观结构决定了其宏观的行为。决定渗透性的主要微观结构指标如混凝 土的密实度、孔隙构造和数量，同时也是混凝土抗冻性的重要因素。因此混凝土 的渗透性一定程度上反映了其抵抗冻融破坏的能力。已有试验表明混凝土渗透性 与抗冻性之间存在较好的相关性。 干燥的混凝土不会遭受冰冻破坏。由于混凝土含水率存在一个临界饱和度， 8 在湿环境中，水渗入混凝土内部并达到这个临界饱和度，在冻结时产生的压力大 于周围水泥浆体的抗拉强度而产生微裂缝。混凝土经充分养护后含水率可能低于 临界饱和度，但如果其渗透性较高，且暴露于潮湿环境时，可以再次达到或超过 临界饱和度。 因此，对处于冻融环境中的混凝土，其渗透性非常重要。渗透性不仅控制着 冻结时与内部水的移动有关的渗透压力，而且控制着冰冻前的临界饱和度。 2 碳化与渗透性 研究表明，混凝土碳化是影响混凝土耐久性的一个重要因素。一般情况下， 早期混凝土呈较强的碱性( 一般，p h 1 2 5 ) ，当空气、土壤、地下水等环境中的 酸性气体( 如c 0 2 、s 0 2 等) 或液体侵入混凝土中，与水泥石中的碱性物质发生 化学反应，使p h 下降，称为混凝土的中性化。其中，由空气中的c 0 2 所引起的 中性化过程称为混凝土的碳化。 混凝土的碳化是伴随着c 0 2 气体向混凝土内部扩散，溶解于混凝土孔隙内的 水，再与各水化产物发生碳化反应这样一个复杂的物理化学过程。研究表明，混 凝土的碳化速度取决于c 0 2 气体的扩散速度及c 0 2 与混凝土成分的反应性。混凝 土的渗透性在很大程度上决定着c 0 2 的扩散速度，从而影响着混凝土的抗碳化性 能。 许多研究证明混凝土的碳化与渗透指标( 吸水性、气体渗透性、氯离子扩散 性等) 具有较好的相关性。 ( 1 ) 碳化深度与吸水性关系。有调查研究表明碳化深度随吸水量的增大而呈 线性增加趋势。 ( 2 ) 碳化深度与气体渗透性关系。混凝土的碳化性能很大程度上取决于c 0 2 在混凝土中的扩散速度，因此也就必然受混凝土气体渗透性的影响。有试验结果 表明，混凝土碳化深度的平方与空气渗透系数成良好的线性关系。 ( 3 ) 碳化深度与氯离子扩散性。有试验结果表明，两者间有较好的相关性l l 引。 3 碱一集料反应与渗透性 碱一集料反应是指混凝土中的碱性物质与具有碱活性的集料间发生的化学反 应。这种反应引起明显的混凝土体积膨胀和开裂，改变混凝土的微结构，是影响 混凝土耐久性的最主要因素之一。碱一集料反应实际是混凝土中某些活性矿物集 料与混凝土中的碱性溶液之间的反应。 混凝土发生碱一集料反应的条件是集料的碱活性、水泥的含碱量或其他途径 得到碱以及潮湿的外部环境。研究1 9 , 2 0 1 表明，只有在空气相对湿度大于8 0 ，或 直接接触水的环境中，碱一集料反应膨胀破坏才会发生。否则，即使骨料具有碱 活性且混凝土中有超量的碱，碱骨料反应也很缓慢。生成的凝胶在干燥状态下不 产生体积膨胀，就不会产生破坏性膨胀开裂。所以，混凝土的渗透性对碱一集料 9 反应有很大的影响，有效隔绝水的来源是防治碱一集料破坏的一个有效措施【l 引。 4 钢筋锈蚀与渗透性 钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性损伤的一个主要原因，对结构的抗力、 可靠性、使用寿命等有很大影响。钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构和构件耐久性研究 中的重要课题，其危害之大远远超过人们的预计。 混凝土保护层渗透性决定了二氧化碳、水、氧气和氯离子等各种侵蚀介质的 渗透速度，从而也决定了钢筋开始脱钝腐蚀的时间【2 1 , 2 2 】。腐蚀开始后，离子在阴 阳两极间迁移的难易，也就是混凝土的渗透率，在很大程度上受混凝土密实度的 影响【2 3 , 2 4 】，而混凝土密实度与渗透性密切相关，因此渗透性也影响着钢筋锈蚀的 速度。 5 磨蚀与渗透性 混凝土的表面磨蚀分为三种情况：一是机械磨耗；二是冲磨；三是空蚀。 影响混凝土耐磨性的因素同样影响混凝土渗透性，因此两者间存在一定联系。 有研究表明，混凝土表面吸水性与耐磨性之间存在很好的相关性，相关系数为 o 9 5 。这是因为这两项指标都与混凝土( 特别是表层混凝土) 的性能有关，混凝 土的耐磨性决定于其强度和硬度，混凝土的表面吸水量则主要取决于表层混凝土 的水化程度和物理特性。另有试验结果表明，可见磨耗深度与渗透性之间有很好 的相关性。 6 化学侵蚀与渗透性 混凝土在侵蚀性环境中，可能遭受化学侵蚀而破坏。对混凝土有侵蚀性的介 质包括软水、酸、碱、硫酸盐等。一般说来，混凝土的化学侵蚀可分为三类2 5 , 2 6 】： 第一类是某些水化产物被水溶解、流失的溶出性侵蚀；第二类是混凝土的某些水 化产物与侵蚀性介质发生化学反应的溶解性侵蚀；第三类是混凝土某些水化产物 与侵蚀性介质反应，生成膨胀性产物的膨胀性侵蚀。 对于溶出性侵蚀和酸侵蚀，c a ( o h ) 2 或侵蚀产物随水在混凝土中渗透而不断 溶出是侵蚀不断进行的必要条件，溶出过程决定了反应的快慢。因此，混凝土渗 透性是侵蚀速度的一个主要影响因素。混凝土的密实性越好，渗透性越低则侵蚀 速度越慢。对于碱侵蚀，n a o h 或k o h 在混凝土内部的扩散以及空气中c 0 2 进 入混凝土的扩散过程同样也都受到混凝土渗透性的制约。硫酸盐侵蚀中，混凝土 渗透性决定着硫酸根的渗透速度，从而在很大程度上决定了侵蚀速度。 2 2 水性渗透型无机防水剂与混凝土耐久性 2 2 1 水性渗透型无机防水剂与混凝土渗透性 渗透性是液体、气体或离子进出混凝土的难易程度。对于普通硅酸盐水泥混 1 0 凝土，渗透性是由水泥浆的孔隙率和集料的孔隙率控制的，普通集料有着与水泥 浆类似的渗透性。水性渗透型无机防水剂以液体形式渗入，与大量存在于硅酸盐 水泥混凝土内的游离碱、碱性水化物接触，几乎在瞬间发生化学反应，由几乎无 固体液体转化成一种非常特殊的l0 0 不溶性硅酸盐凝胶。这种非常特殊的内生 凝胶填补了可进入的孔隙空间和网状通道，以及集料与钢筋周围可进入的微小孔 隙。它不溶，非膨胀( 任何时候) ，且由独特的球形粒子与自身的微观旋转型孔隙 网组成，能明显降低混凝土内液体渗透性。内生凝胶的毛孔明显小于混凝土的微 孔隙，其孔隙是如此的微小，甚至于游离的水分子也不能通过。此外，这个非常 特殊的内生凝胶有着以化学方法束缚游离水分的能力。 2 2 2 水性渗透型无机防水剂与混凝土的冻融破坏 冻融破坏在我国十分普遍，冻融破坏机理十分复杂，存在多种假设，国内外 暂无统一认识和结论。众所周知普通混凝土拌合过程中所用的水多余混凝土水化 所需要的水，混凝土硬化以后，一部分多余的水以液态的形式存在于混凝土中， 一部分水将以蒸发的形式逃逸出来。因此在混凝土内部形成了众多的孔隙和毛细 管通道，这些孔隙和通道可以分为凝胶孔，收缩孔，毛细管孔隙，毛细管通道。 凝胶孔和收缩孔的直径很少，水在其中的存在形式比较特殊，因此凝胶孔和收缩 孔中的水只有在7 8 的情况下才会冻结发生体积膨胀。在自然条件下对混凝土冻 融破坏基本没有影响。毛细管孔隙和毛细管通道的直径相当于凝胶孔和收缩孔的 1 0 0 0 倍，水在其中的存在形式同自然水没有较大的区别，水在毛细管孔隙和毛细 管通道中可以冻结以及自由渗入，迁移等。因此封闭、减小毛细管孔隙和通道是 减少混凝土发生冻融破坏的最重要的方法。 水性渗透型无机防水剂以液体形式进入，与大量存在于硅酸盐水泥混凝土内 的游离碱、碱性水化物接触，几乎在瞬间发生化学反应，由几乎无固体液体转化 成一种非常特殊的1 0 0 不溶性硅酸盐凝胶。这种非常特殊的内生凝胶可以封闭 和减小毛细管孔隙和毛细管通道，促使一部分毛细管孔隙和毛细管通道向着凝胶 孔和收缩孔转变。因而水在其中的存在状态发生变化，在自然状态下水将不会产 生冰冻和体积膨胀。同时有一部分毛细管通道减小将显著的减少水的渗入和迁移， 因此冻融破坏将失去产生的必要条件，混凝土的抗冻性能在水性渗透型无机防水 剂渗入后将有很大的提高。 2 2 3 水性渗透型无机防水剂与混凝土的碳化 混凝土碳化是一个极其复杂的多相物理化学过程。在水泥水化过程中，在混 凝土内部存在大小不一的孔隙、气泡等，大气中的二氧化碳通过这些孔隙向混凝 土内部扩散，并溶解于孔隙中的液相，在孔隙溶液中与水泥水化过程中产生的可 碳化物质发生碳化反应，生成碳酸钙。混凝土碳化的化学反应式为： c 0 2 + h 2 0 = h 2 c 0 3 h 2 c 0 3 + c a ( o h ) 2 = c a c 0 3 + 2 h 2 0 3 c a o 2 s 1 0 2 3