（材料物理与化学专业论文）水泥基材料裂缝及其处理方法对抗渗水性的影响.pdf

摘要 摘要 随着经济发展，基础设施建设不断深入，湖底江底隧道以及地下工程取得了巨大的进步。 中国隧道总里程已居世界第一。但是，渗漏问题却始终难以得到圆满的解决，几乎所有的隧 道都存在一定程度的渗漏问题。为了解决渗漏问题，需要提高水泥基复合材料结构自防水能 力，还需要对水泥基复合材料进行防水处理，水泥基材与防水材料共同起到防渗抗漏的作用。 首先，本文对水泥基复合材料的自防水性能进行了研究，对水灰比0 4 和水灰比0 5 的 砂浆试件在1 o m p a 水压力下进行抗渗试验，水流无法通过水灰比0 4 的试件，而可以通过 水灰比0 5 的试件。应用达西定律计算了其渗透系数，得到水灰比0 5 试件的渗透系数为 1 1 0 x1 0 一s i l l 2 。结果表明，水泥基复合材料具有良好的抗渗性能。但是在实际工程中，水泥 基复合材料却往往起不到与实验室中一样良好的抗渗作用，这是因为，开裂是水泥基复合材 料难以避免的，水泥基复合材料往往是在带裂缝条件下工作，裂缝对渗透性的影响非常重要。 本文对带裂缝的砂浆试件进行了抗渗试验研究。结果表明，裂缝是水流传输的主要通道， 裂缝的状态是影响渗透系数的主要因素，而试件的水灰比是次要因素。渗透系数随裂缝数量 的增加而增加，呈线性关系。渗透系数随裂缝宽度的增加而增加，呈指数关系。渗透系数随 裂缝深度的增加而增加，呈函数关系上：旦+ ! 二! 。 k k l k 2 本文还研究了防水卷材，防水涂料，水泥基渗透结晶材料对裂缝处理的防水效果。利用 自粘式防水卷材对裂缝进行迎水面和背水面的防水处理，取得了很好的处理效果，裂缝基本 被堵住，水流不能通过裂缝传输。在经过4 周的浸泡后，用自粘式防水卷材背水面处理裂 缝的试件出现防水失效。这不是卷材本身的防水失效，而是粘结层的粘结力下降造成的防水 失效。改用环氧树脂作为粘结剂粘贴，经过4 周浸泡后，依然有很好的防水效果。可见， 粘结层是防水卷材起到防水作用的重要因素；利用聚氨酯防水涂料对裂缝进行迎水面和背水 面的防水处理，经过4 周浸泡后，依然效果很好，并未出现防水失效：利用水泥基渗透结 晶对裂缝进行迎水面和背水面的防水处理，未经养护时，防水效果很差。进行一定时间的养 护后，防水能力明显提高。这是因为，水泥基渗透结晶是依靠其活性物质与水泥基材料中的 化学成分作用，产生不溶物质填补裂缝，提高密实度来达到抗渗效果。 最后，试验研究了防水卷材、防水涂料、水泥基渗透结晶对裂缝处理的防水耐久性。将 处理后的试件，进行冻融循环、干湿循环。对防水卷材来说，粘结层是防水的薄弱环节，在 冻融循环和干湿循环下，粘结层容易出现失效而造成整个防水失效。而水泥基渗透结晶表现 出永久防水的特点，并朱在冻融循环和干湿循环下出现防水失效，其渗透系数始终保持在一 个较低的水平，体现山优越的防水耐久性。聚氨酯防水涂料在冻融循环和干湿循环下体现出 缓慢失效的过程，冻融循环对其的破坏作用更加明显。 关键词：裂缝，渗透性，防水耐久性，水泥基渗透结晶，冻融循环，干湿循环 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ee c o n o m yd e v e l o p s t u n n e l sa n du n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n gg e tg r e a t d e v e l o p m e n ta l o n gw i t ht h eg r e a ta c h i e v e m e n to ft h ec a p i t a lc o n s t r u c t i o n b u ta l m o s ta l l o ft h e s et u n n e l sh a v eap r o b l e mt h a tl e a k a g ei ss e r i o u s t os o l v et h i sp r o b l e m ，w eh a v et o n o to n l yi m p r o v et h ew a t e r p r o o f i n gd u r a b i l i t yo ft h ec e m e n b b a s e d c o m p o s i t em a t e r i a l sb u t a l s ou s et h ea p p r o p r i a t ew a t e r p r o o f i n gm a t e r i a l s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so ft h ep e r m e a b i l i t ye x p e r i m e n to ft h ew c0 5a n dw c0 4 c e m e n tm o r t a r , t h ec e m e n f b a s e dc o m p o s i t em a t e r i a l sh a v ew o n d e r f u lw a t e r p r o o f i n g a b i l i t y b u t m o s tc e m e n t - b a s e d c o m p o s i t em a t e r i a l s h a v ec r a c k st h a te f f e c to n p e r m e a b i l i t yb a d l y c r a c ki st h em o s tm a j o rw a yo ft h ew a t e r p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti s i n c r e a s e d 、i i ，i t ht h ea m o u n to ft h ec r a c k si n c r e a s i n ga n dt h e ys h o wl i n e a rr e l a t i o n s h i p p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti si n c r e a s e dw i t ht h ew i d t ho f t h ec r a c k si n c r e a s i n ga n dt h e ys h o w e x p o n e n tr e l a t i o n s h i p p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n ti sa l s oi n c r e a s e dw i t ht h ed e p t ho ft h e c r a c k sa n dt h e ys h o wf u n c t i o n 上：旦+ 坐 k k ik 2 u s i n gw a t e r p r o o f i n gc o i l e dm a t e r i a l st od e a lw i t hc r a c k sm a k e sv e r yg o o dr e s u r 。 c r a c k sa r eb l o c k e du pa n dw a t e rc a nn o tp a s st h r o u g hi nt h i sw a y b u ta l t e rs o a k e di nt h e w a t e rf o r4w e e k s w a t e r p r o o f i n gc o i l e dm a t e r i a l s l o s ee f f i c a c yb e c a u s eo fb i n d i n g m a t e r i a ll o s i n ge f f i c a c y u s i n gw a t e r p r o o f i n gc o a t i n g st od e a l 、i i i t hc r a c k sm a k e sg o o dr e s u l ta n d 廿1 e ys t i l l w o r ka f t e rs o a k e di nt h ew a t e rf o r4w e e k s u s i n gc c c wt od e a lw i t hc r a c k sa l s om a k e st h eg o o dr e s u l ta f t e r1w e e km a i n t a i n e d b u tc c c ww i l ln o tw o r kw e l lw i t h o u ta p p r o p r i a t em a i n t e n a n c e f r e e z i n ga n dt h a w i n gc y c l ea n dw e t t i n ga n dd r y i n gc y c l ea r eu s e dt o t e s tt h e w a t e r p r o o f i n gd u r a b i l i t yo fw a t e r p r o o f i n gc o i l e dm a t e r i a l s ，w a t e r p r o o f i n gc o a t i n g sa n d c c c w t h eb i n d i n gm a t e r i a lo fw a t e r p r o o f i n gc o i l e dm a t e r i a l sp e r t l yl o s ee f f i c a c ya f t e r f r e e z i n ga n dt h a w i n gc y c l ea n dw e t t i n ga n dd r y i n gc y c l e t h ew a t e r p r o o f i n gc o a t i n g s l o s ee f f i c a c ys l o w l yw h e nf r e e z i n ga n dt h a w i n gc y c l ea n dw e t t i n ga n dd r y i n gc y c l e c c c w s h o wt h eb e s tw a t e r p r o o f i n gd u r a b i l i t yt h a ti td on o tl o s ee f f i c a c yt o t a l l y k e yw o r d s ：c r a c k 。p e r m e a b i l i t y , w a t e r p r o o f i n gd u r a b i l i t y , c c c w , f r e e z i n ga n dt h a w i n g c y c l e 。w e t t i n ga n dd r y i n gc y c l e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生躲燧聊躲期：趁! 红占 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 在经济、科技飞速发展的当代，工业建筑和民用建筑已遍布世界各地，大规模的土木建 设方兴未艾，新型建筑材料层出不穷，先进的建筑技术、设计不断得到应用，使得现代建筑 物不但美观、华丽，而且更加实用、耐久。然而，同任何事物一样，现代建筑也并非是完美 无缺的，如何防止建筑结构渗漏水仍是长期以来困扰着建筑施工者们的一大难题。对于一些 陈旧建筑物来说，修补、防渗漏问题就更加重要了，一旦建筑物出现渗漏问题，不仅影响到 正常使用，更加威胁建筑物的耐久性，而由建筑物耐久性受到破坏所引起的损失费用是十分 巨大的。据调查资料报道，美国每年用于维修或重建的费用预计高达3 0 0 0 亿美元【1 1 。英国 每年用于修复钢筋混凝土结构的费用达2 0 0 亿英镑( 约合2 8 0 亿美元) ，而日本目前每年用 于房屋结构的维修费用大约为4 0 0 亿日元( 约合3 3 亿美元) 闭。造成这些经济损失的主要 原因之一就是建筑物的防水材料失效、防水设施不良或遭到破坏，从而使混凝土的渗透性严 重增大，致使其结构很容易被腐蚀破坏【1 3 】。由此可知，研究先进的防水施工技术，开发新 的耐久、高效防水材料，即使是在世界上先进发达的国家里也仍旧是急需的。 我国的建筑业在建国后，特别是改革开放后得到了飞速的发展，大规模的工民建筑遍布 于城乡各地。但在我国，由于科技的落后，不仅旧的建筑物的渗漏情况严重，需要人量的维 修，就是新建的建筑物其渗漏情况、形势也是惊人和严峻的。建设部曾对1 个大、中城 市中2 0 0 2 年竣工的2 0 7 2 栋工业与民用建筑物进行调查，发现其中渗漏的达7 5 2 栋，渗漏 率为3 5 ，该渗漏率比欧、美、法、日等发达国家高出几倍，甚至几十倍【4 】。在隧道工程中 出现的渗漏的情况更加严峻，几乎是“十隧十漏”p 丌。因此，对建筑防水材料的研究和改 进刻不容缓。 建筑防水材料是建筑材料的一个重要组成部分，属于功能性材料，建筑物和构筑物之所 以要采用防水材料其主要目的是为了防潮、防渗、防漏。尤其在地下工程中，对防水的要求 就更高。我国在建筑1 ：程防水材料方面的投入每年呈递增趋势。2 0 0 6 年，在工程总造价中防 水工程造价达到1 5 以上，特别是地下室的防水造价比例已达工程总造价的2 5 - - - - 3 0 。虽然 在防水工程方面的投入很大，但防水效果并不理想，新建工程当年渗漏率都在1 0 左右，国家 每年用于防水方面的维修费将近2 0 亿元阻加1 。而造成这一局面的主要原因就是我国的建筑 防水材料和建筑防水施工技术水平还处于十分落后的状态。因此，加强研究、开发先进的建 筑防水材料、发展先进的施工技术对我国的建筑防水工程质量的提高来说是十分重要的，尤 其是新型防水材料的开发，在防水行业的进步过程中起着至关重要的作用。改革开放后，我 国的防水材料行业有了长足的发展，现在我国的建筑防水材料已具有高、中、低档品种，形 成了功能比较齐全的防水材料体系【”】。但是总体上讲，仍处于不发达状态，在某些领域内 乃是空白，或和国外相比处于落后状态，这急需进一步加强研究，开发出新的、先进的防水 材料，以使我国的防水工程水平能够满足飞速发展的国民经济的需要。 1 东南大学硕士学位论文 1 2 水泥基复合材料渗漏的危害以及成因 钢筋混凝土结构是人们在1 9 世纪末发明的，由于其具有强度高、便于取材、各种形状 适应性强等诸多优点，使得一经出现就立即受到人们的青睐，已成为当今大部分建筑物主体 结构材料【1 1 l 。因此现代建筑物的渗漏在某种程度上可以看作为混凝土结构的渗漏。水泥砂 浆也是现代建筑物中广泛使用的墙面建筑材料，由于砂浆与混凝土具有相似的结构和化学组 成，因此本论文中将其归结为了水泥基复合材料来进行讨论。混凝土结构一旦发生渗漏，就 会导致整个建筑物产生渗漏水现象，给人们的日常生活和工作带来了很大的麻烦，甚至造成 严重的经济损失【 一2 l 。更为严重的是，长期的渗漏将严重影响混凝土结构的耐久性，降低建 筑物的使用寿命。研究表明，混凝土结构的耐久性与渗透性有着十分密切的关系。m e t h a 教授在1 9 9 1 年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会上指出“当今世界，混凝土破坏的原 因，按重要性递降顺序排列是钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用 1 1 3 l 。一 混凝土结构中的钢筋锈蚀主要是电化学锈蚀，一旦钢筋发生电化学锈蚀，如不及时处理， 混凝土将很难再长久使用。电化学锈蚀的基本特征是由于金属表面形成了原电池而产生的腐 蚀。钢材属于铁碳合金，其中还含有很多的杂质元素，就合金组织而言，包括铁素体、渗碳 体、珠光体等，这些不同的元素或组织的电极电位不同，铁素体的电极电位低于渗碳体的电 极电位。电极电位越低，越容易失去电子。如果混凝土经常发生漏水，混凝土内的钢材将处 于水的包覆中，水是导电的，当水中溶有混凝土内的可溶性物质时，便会形成电解质溶液， 导电性增强，这样就在钢材表面形成了无数微小的原电池。如铁素体和渗碳体在电解质溶解 中变成了原电池的两极：铁素体活泼，易失去电子，成为阳极；渗碳体成为阴极。铁素体失 去的电子通过电解质溶液流向阴极，在阴极附近与溶液中的h + 离子结合成为氢气逸出，o 玉 与质子结合形成的o h 。离子与f e 2 + 离子结合形成氢氧化铁而锈蚀。 阴极：2 h + + 2 e h 阳极：2 0 h + f e z + f e ( o h ) 2 f e ( o h ) 2 进一步氧化为f e ( o h ) 3 。f e ( o h ) 3 及其脱水产物f e 2 0 3 就是铁锈的主要成分。 可见在钢筋锈蚀电化学反应的整个过程中，水及水溶液充当了电解液，扮演着重要的角色。 如果混凝土不漏水，且渗透性较小，钢筋始终处于干燥的状态，由于缺乏电解质，钢筋就不 会发生电化学腐蚀 t 4 - 1 s 。一旦钢筋锈蚀严重，铁锈膨胀，就会造成整个混凝土结构的开 裂破坏。 同时，混凝土开裂，水分在混凝土中迁移，还会带来环境中的氯离子，硫酸根盐盐离子 等有害离子。氯离子会破坏钢筋表面的钝化膜，造成钢筋锈蚀。硫酸盐侵蚀也会造成混凝土 内部的破坏。还有就是混凝土内部存在大量水分是，若气温降低，水分结冰，体积膨胀，造 成混凝土的冻融破坏1 1 3 1 。 可见，混凝土渗漏不仅给我们带来生活上的不便，还会对混凝土的耐久性带来极大的破 坏，因此，对混凝土渗漏的治理是必须解决好的问题。 2 第一章绪论 混凝土之所以会产生渗漏现象，是由于混凝土本身的结构特点所决定的。混凝土是一种 多孔结构的复合材料。按照孔洞的成因可以分为施工孔隙和构造孔隙两火类。施工孔隙是在 施工过程中，由于浇筑和振捣不充分而留下气泡所形成的孔洞。这种孔洞的多少，与工人的 操作是否规范，技术是否熟练相关。构造孔隙是混凝土凝结硬化过程中所自身形成的孔洞， 包括水化硅酸钙凝胶中的凝胶孔，水分蒸发留下的毛细孔，水泥和粗细骨料在重力作用下产 生不同程度的沉降所形成的沉降孔，以及粗细骨料和水泥浆体界面处形成的孔洞等。按照孔 径的大小又可以分为大孔( 1 0 3 n m ) ，毛细孑l ( 1 0 2 n m 1 0 3 n m ) ，过渡孑l ( 1 0 n m 1 0 0 n m ) ，凝胶 孔( 6 0 ，6 0 2 1 常温 1 4 0 0 ，2 0 2 0 0 0 3 m p a 无渗漏 - 2 0 无裂纹 3 2 1 防水卷材迎水面处理裂缝 制水灰比0 5 带贯穿裂缝砂浆试件1 组。 将自粘防水卷材剪下一条宽度为3 0 m m ，将自粘面中心紧贴于迎水面裂缝上，用力压 紧。2 4 小时后，进行抗渗试验，数据如图3 4 ，图3 5 所示。 ? 棚 器 3 2 5 2 l 0 5 0 o2 04 06 0 8 01 0 0 时问( m i n ) 图3 4 防水卷材迎水面处理裂缝后流量 试件1 试件2 试件3 试件4 试件5 试件6 线性趋势线 东南大学硕+ 学位论文 试件编号 图3 5 防水卷材迎水面处理裂缝后流速 6 由图3 4 ，图3 5 可以看出，在用防水卷材对带贯穿裂缝的砂浆试件迎水面进行处理后， 流量随时间变化的规律与无裂缝试件相似，流速相对于带贯穿裂缝的试件大大降低，接近无 裂缝试件，计算得到平均流速为0 0 2 2 9 m i n 。 为了考察卷材与水泥基材料之间的粘结，在水流侵蚀作用下防水卷材迎水面防水是否 依然可以起到防水效果，将上述试验用试件从抗渗机上取下，完全放入水中浸泡，4 周后， 将试件重新在水压力作用下测流量，结果如图3 6 ，图3 7 。 3 2 5 2 v 1 5 栅 撼 1 0 s 0 02 04 06 08 01 0 0 时间( m i n ) 图3 6 防水卷材迎水面处理裂缝浸泡4 周后流量 试件1 试件2 试件3 试件4 试件5 试件6 线性趋势线 5 3 5 2 5 l 5 o 3 o 2 o l 0 o 0 o o o o o o - o o o 0 口h_瓷v幽糕 第三章裂缝的不同处理方法对抗水渗透性能的影响 0 0 2 5 o 0 2 o o l o 0 0 5 0 试件编号 图3 7 防水卷材迎水面处理裂缝浸泡4 周后流速 由图3 1 0 ，图3 1 1 可以看出，在将防水卷材迎水面处理过贯穿裂缝的砂浆试件在水中 浸泡4 周后，其渗透性变化不大，水流速度依然较小，防水卷材并未失效。其平均流速为 0 0 2 3 9 m i n 。 将无裂缝参比试件，带贯穿裂缝参比试件，防水卷材迎水面处理后试件，防水卷材迎 水面处理浸泡4 周后试件的流速放在一起进行比较，如图3 8 。 0 3 o 2 5 0 2 a , t - 4 目 0 1 5 、- ， 瑙 曙o 1 o - i i - i - - 。 豳麓爨黼i ： 图3 8 防水卷材迎水面处理裂缝前后流速比较 东南大学硕十学位论文 在图3 8 中可以看出，防水卷材对贯穿裂缝进行迎水面处理后，裂缝基本被堵住，流 速大幅度下降，接近无裂缝砂浆试件流速。并且在水中浸泡4 周后，防水卷材并未失效， 依然起到很好的防水效果。 3 2 2 防水卷材背水面处理裂缝 制水灰比0 5 带一条贯穿裂缝砂浆试件1 组。 将自粘防水卷材剪下一条宽度为3 0 m m ，将自粘面中心紧贴于背水面裂缝上，用力压 紧。2 4 小时后，进行抗渗试验，数据如图3 9 ，图3 1 0 。 3 2 s 2 _ 1 5 1 i 嚣 l 0 5 0 o 0 3 5 0 0 3 o 0 2 5 c 。昌o 0 2 曲 煅o 0 1 5 薅 o 0 1 0 0 0 5 o 试件1 试件2 试件3 x 试件4 煮试件s 试件6 线性趋势线 02 04 06 08 01 0 0 时问( m i n ) 图3 9 防水卷材背水面处理裂缝后流量 试件编号 图3 10 防水卷材背水面处理裂缝后流速 6 第三章裂缝的不同处理方法对抗水渗透性能的影响 由图3 9 ，图3 1 0 可以看出，在用防水卷材对带贯穿裂缝的砂浆试件背水面进行处理 后，流量随时间变化的规律与无裂缝试件相似，流速相对于带贯穿裂缝的试件大火降低，接 近无裂缝试件，计算得到平均流速为0 0 2 6 9 m i n 。 为了考察卷材与水泥基材料之间的粘结，在水流侵蚀作用下背水面粘贴防水卷材是否 依然可以起到防水效果，将上述试验用试件从抗渗机上取下，完全放入水中浸泡，4 周后， 将试件重新在水压力作用下测流量，结果如图3 1 1 ，图3 1 2 。 o 2 5 o 2 c0 1 5 目 b o 锻0 1 臻 o 0 5 o 试件1 一试件2 试件3 试件4 毫试件s 试件6 线性趋势线 01 02 03 04 0 时问( m i n ) 图3 1 1 防水卷材背水面处理裂缝浸泡4 周后流量 lz34 56 试件编号 图3 1 2 防水卷材背水面处理裂缝浸泡4 周后流速 由图3 1 1 ，图3 1 2 可以看出，在将防水卷材背水面处理过贯穿裂缝的砂浆试件在水中 8 7 6 s 4 3 2 l 0 v 棚湛 东南大学硕士学位论文 浸泡4 周后，其渗透性变化很大，水流速度提高很多，防水卷材部分防水失效。其平均流 速为0 1 6 9 9 m i n 。 将无裂缝参比试件，带贯穿裂缝参比试件，防水卷材背水面处理后试件，防水卷材背 水面处理浸泡4 周后试件的流速放在一起进行比较，如图3 1 3 。 0 2 5 o z 口 - i - - i 目 0 1 5 、 瑙 嫣o 1 o 0 5 o 图3 13 防水卷材背水面处理裂缝前后流速比较 由图3 1 3 可以看出，用防水卷材对贯穿裂缝进行背水面处理后，短时间内起到了良好 的防水效果，流速基本接近无裂缝试件。可是经过4 周的浸泡后，防水出现部分失效，流 速大大增加，远超过无裂缝试件。 3 2 3 防水卷材迎水面背水面处理裂缝效果比较 利用防水卷材对贯穿裂缝进行防水处理后，在较短时间内，迎水面处理与背水面处理 所取得的防水效果非常接近，都基本完全堵住了裂缝，水流无法从裂缝中通过，流速接近与 无裂缝的砂浆试件，远远小于未处理带贯穿裂缝的试件。 而在水中浸泡4 周后，迎水面处理与背水面处理所得到的防水效果就出现了很大差异。 迎水面防水依然起到了很好的防水效果，而背水面处理的试件就出现了部分的防水失效，流 速大大提高，说明水流可以从部分裂缝中通过。如图3 - 1 4 。 4 0 第三章裂缝的不同处理方法对抗水渗透性能的影响 口 一 目 b o0 1 5 、一， 煅 嫣n 0 0 5 0 图3 1 4 防水卷材处理裂缝迎水面背水面效果比较 无裂缝 口贯穿裂缝 日迎水- 面处理 口迎水面处理浸泡4 周 皿背水面处理 口背水面处理浸泡4 周 由图3 1 4 中可以看出，当经过4 周的浸泡后，防水卷材迎水面防水并未失效，而背水 面防水失效。而事实上，无论迎水面还是背水面防水处理，在浸泡时，粘结层所受到的水流 侵蚀是完全相同的。也就是说，粘结层受到的破坏程度相同，而防水效果却出现了巨大的差 异。这是因为，迎水面防水时，水压力是将防水卷材推向裂缝，将防水卷材压紧。而背水面 防水时，水压力是将防水卷材推离裂缝。因此，背水面防水需要粘结层具有更大的粘结力。 当粘结层受到水流侵蚀粘结力降低时，背水面防水更加容易失效。而迎水面防水只需要卷材 本身不出现破损，并且粘结层并未脱粘，就可以起到较好的防水效果。因此，防水卷材更加 适用于迎水面防水。 3 2 4 背水面防水改进 用防水卷材在背水面处理裂缝对粘结层的粘结力提出了更高的要求，因此，本文尝试用 新的粘结剂将卷材与水泥基材料粘结在一起，考察当粘结力增强的时候，防水卷材在背水面 防水的效果。 成型水灰比0 5 带贯穿裂缝试件一组。 粘结剂选用环氧树脂，将环氧树脂均匀涂抹于卷材上，再将卷材粘于裂缝上，用力压紧。 2 4 小时后，待环氧树脂粘结牢固，再将试件浸泡于水中4 周。取出后在抗渗机上进行渗透 性试验，数据如图3 1 5 ，图3 1 6 。 4 1 东南人学硕士学位论文 3 2 5 2 二坫 耱 l 0 s 0 o 0 3 0 0 2 5 0 0 0 5 0 o2 04 06 08 01 0 0 时问( r a i n ) 图3 15 环氧树脂为粘结剂处理裂缝后流量 试件1 - 试件2 试件3 x 试件4 试件5 试件6 线性趋势线 试件编号 图3 1 6 环氧树脂为粘结剂处理裂缝后流速 6 从图3 1 6 可以看出，用环氧树脂作为粘结剂后，经过水浸泡，粘结层并未失效，所以 卷材的防水效果显得非常好，单位时间的水流量接近无裂缝的试件，平均流速为 0 0 2 2 9 l m i n 。可见，在用卷材处理裂缝时，粘结层的作用非常重要。选用好的粘结剂，是防 水卷材起到防水作用的重要保证。 2 5 l o l o 0 0 o 0 口h s ) 蝌薅 第三章裂缝的不同处理方法对抗水渗透性能的影响 0 2 5 o 2 - 、 a 一 目 b o0 1 5 ， 煅 嫣o 1 o 图3 1 7 环氧树脂粘结与卷材自粘效果比较 3 3 防水涂料处理裂缝 防水涂料是利用在水泥基材料表面形成密实的分子网络阻挡水分子团通过，或者是在水 泥基材料表面形成憎水基团来达到防水的目的。防水涂料是用量仅次于防水卷材的第二大类 防水材料，由于其防水效果好、施工简单方便、不受基面形状的限制，因而得到广泛的应用。 其中聚氨酯防水涂料发展时间最长，应用最为广泛，并且防水效果良好。 本文选用立高牌单组份聚氨酯防水涂料，其主要物理力学性能指标满足 g b 厂r 19 2 5 0 - 2 0 0 3 ，部分指标如表3 2 。 表3 2 聚氨酯防水涂料物理力学性能指标 项目指标 拉伸强度m p a 断裂伸长率 低温柔性 不透水性3 0 m i n 2 0 0 6 0 0 4 0 无裂纹 0 3 m p a 不透水 3 3 1 防水涂料迎水面处理裂缝 制水灰比0 5 带一条贯穿裂缝砂浆试件1 组。 用刷子将聚氨酯防水涂料均匀刷于迎水面裂缝上宽度为3 0 m m 区域，每次刷涂约 0 3 m m - o 5 m m ，固化后刷第2 次，共刷3 次。将试件放置于通风处2 4 小时，完全固化后 4 3 东南大学硕上学位论文 进行抗渗性试验。数据见图3 1 8 ，图3 1 9 。 2 s 2 q1 5 v 嚣 1 0 s 0 0 0 3 0 0 2 5 0 0 2 a i i 目 b o0 0 1 5 一， 蜊 爆0 o l 0 0 0 5 0 o2 04 06 08 0 1 0 0 时问( r a i n ) 图3 18 聚氨酯迎水面处理裂缝后流量 试件1 _ 试件2 试件3 v 试件4 x 试件5 试件6 线性趋势线 lz3456 试件编号 图3 19 聚氨酯迎水面处理裂缝后流速 由图3 2 6 ，图3 2 7 可以看出，在用聚氨酯防水涂料对带贯穿裂缝的砂浆试件迎水面 进行处理后，流量随时间变化的规律与无裂缝试件相似，流速相对于带贯穿裂缝的试件大大 降低，接近无裂缝试件，计算得到平均流速为0 0 2 1 9 m i n 。 为了考察，在水流侵蚀作用下聚氨酯防水涂料迎水面防水是否依然可以起到防水效果， 将上述试验用试件从抗渗机上取下，完全放入水中浸泡，4 周后，将试件重新在水压力作用 下测流量，结果如图3 2 0 ，图3 2 1 。 “ 第三章裂缝的不问处理方法对抗水渗透性能的影响 3 s 3 2 s q 2 v 饕 l o s 0 0 0 3 5 o 0 3 0 0 2 5 a 昌0 0 2 凹 、- 蜊5 媾 o 0 l 0 0 0 5 0 02 04 0 6 08 01 0 0 时间( m i n ) 试件1 一试件2 试件3 x 试件4 ，试件s 试件6 线性趋势线 图3 2 0 聚氨酯迎水面处理裂缝浸泡4 周后流量 23456 试件编号 图3 2 1 聚氨酯迎水面处理裂缝浸泡4 周后流速 由图3 2 0 ，图3 2 1 可以看出，在将聚氨酯防水涂料迎水面处理过贯穿裂缝的砂浆试 件在水中浸泡4 周后，其渗透性变化不大，水流速度依然较小，防水涂料并未失效。其平 均流速为0 0 2 6 9 m i n 。 将无裂缝参比试件，带贯穿裂缝参比试件，聚氨酯防水涂料迎水面处理后试件，聚氨 酯防水涂料迎水面处理浸泡4 周后试件的流速放在一起进行比较，如图3 2 2 。 东南大学硕上学位论文 o 3 o 2 5 a 日 均0 1 5 、- ， 硝 婿o 1 0 0 5 0 霪 l 阡曩膏再_ 隧黼 。一。，- 。_ 1 3 2 s 2 一 。1 5 i j 嚣 ， 1 0 s 0 0 试件1 _ 试件2 试件3 x 试件4 鬟试件5 0 试件6 线性趋势线 2 04 06 08 01 0 0 时间( m t n ) 图3 2 3 聚氨酯背水面处理裂缝后水流量 4 6 第三章裂缝的不同处理方法对抗水渗透性能的影响 0 0 3 5 o 0 3 0 0 2 5 _ 、 a 昌0 0 2 凹 、_ ， 瑙o 0 1 5 姆 o 0 l 0 0 0 5 0 试件编号 图3 2 4 聚氨酯背水面处理裂缝后水流速 56 由图3 2 3 ，图3 2 4 可以看出，在用聚氨酯防水涂料对带贯穿裂缝的砂浆试件背水面 进行处理后，流量随时间变化的规律与无裂缝试件相似，流速相对于带贯穿裂缝的试件大大 降低，接近无裂缝试件，计算得到平均流速为0 0 2 4 9 m i n 。 为了考察聚氨酯防水涂料与水泥基材料之间的粘结，在水流侵蚀作用下背水面用聚氨 酯防水涂料处理是否依然可以起到防水效果，将上述试验用试件从抗渗机上取下，完全放入 水中浸泡，4 周后，将试件重新在水压力作用下测流量，结果如图3 3 3 ，图3 3 4 。 3 2 s 2 v 1 5 棚 潜 1 o s 0 02 04 06 08 0l o o 时闻( r a i n ) 试件1 - 试件2 试件3 x 试件4 ，试件5 试件6 线性趋势线 图3 2 5 聚氨酯背水面处理裂缝浸泡4 周后流量 4 7 东南大学硕士学位论文 o 0 3 0 0 2 5 一、0 0 2 a 目 0 0 1 5 煅 螺0 0 1 0 0 0 5 0 23466 试件编号 图3 2 6 聚氨酯背水面处理裂缝浸泡4 周后流速 由图3 2 5 ，图3 2 6 可以看出，在将聚氨酯防水涂料背水面处理过贯穿裂缝的砂浆试件 在水中浸泡4 周后，其渗透性变化不大，水流速度依然较小，防水涂料并未失效。其平均 流速为0 0 2 5 9 m i n 。 将无裂缝参比试件，带贯穿裂缝参比试件，聚氨酯防水涂料背水面处理后试件，聚氨酯 防水涂料背水面处理浸泡4 周后试件的流速放在一起进行比较，如图3 2 7 。 o 3 一、 口 - , - i 目 b 00 1 5 、 煅 爆o 1 0 0 5 0 图3 2 7 聚氨酯防水涂料背水面处理裂缝前后流速比较 4 8 第三章裂缝的不同处理方法对抗水渗透性能的影响 在图3 2 7 中可以看出，聚氨酯防水涂料对贯穿裂缝进行背水面处理后，裂缝基本被堵 住，流速大幅度下降，接近无裂缝砂浆试件流速。并且在水中浸泡4 周后，聚氨酯防水涂 料并未失效，流速略有增加，但是仍然比贯穿裂缝未处理的试件小很多，依然起到很好的防 水效果。 3 3 3 防水涂料迎水面背水面处理裂缝效果比较 利用聚氨酯防水涂料对贯穿裂缝进行防水处理后，迎水面处理与背水面处理所取得的 防水效果非常接近，都基本堵住了裂缝，水流难以从裂缝中通过，流速接近与无裂缝的砂浆 试件，远远小于未处理带贯穿裂缝的试件。 而在水中浸泡4 周后，迎水面处理与背水面处理所得到的防水效果未出现很大差异。 依然起到了很好的防水效果，如图3 2 8 。 a 一 目 、一 制 嫣 0 3 o 2 5 o 2 o 1 5 o 1 0 无裂缝 口贯穿裂缝 口聚氨酯迎水面处理 口迎水面处理后浸泡4 周 皿聚氨酯背水面处理 口背水l a i 处理后浸泡4 周 图3 2 8 聚氨酯处理裂缝迎水面背水面效果比较 由图3 2 8 中可以看出，在用聚氨酯防水涂料对裂缝进行处理，迎水面与背水面的处理 效果并未出现明显差异，都起到了较好的防水效果。在浸泡4 周后，迎水面处理和背水面 处理的试件仍然具有较好的抗渗性能，只是流速略有增加，不过还是比朱处理的贯穿裂缝的 试件流速小很多。因此，聚氨酯防水涂料具有较好的防水性能，并且适用于迎水面和背水面 处理。 3 4 水泥基渗透结晶处理裂缝 除了前文中所述的防水材料外，还有一类防水机理完全不同的防水材料，就是水泥基渗 透结晶型防水材料( c e m e n t i t i o u sc a p i l l a r yc r y s t a l l i n ew a t e r p r o o f i n gm a t e r i a l s ，简 称c c c w ) 。该类材料有两种形式，一类是水泥基渗透结晶型防水涂料，另一类是水泥基渗透 4 9 东南大学硕上学位论文 结晶型防水剂。二者的区别在于，水泥基渗透结晶型防水涂料是将粉料与水拌合形成浆料以 后涂抹与结构表面，或者是直接将粉料撒覆与未凝同的混凝土表面然后压入从而形成防水层 的材料。而水泥基渗透结晶型防水剂则是作为一种外加剂直接掺入混凝土中提高其抗渗性的 材料嘲。 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和精制石英砂( 硅砂) 等 为基材，掺入特殊的活性化学物质制成的一种防水材料，它属刚性防水材料系列。该类材料 可以用作涂层或直接作防水剂掺入混凝土中以增强混凝土的抗渗性能。至于其作用机理由于 目前国外生产商家采取保密的措施，具体的还不是很明确，所公认的是该类材料利用本身所 含有的特殊的化学活性物质在载体水的作用下向混凝土内部渗透，并在水的作用下，活性化 学物质与混凝土中未水化的水泥颗粒或游离的c a ( 0 h ) 。、c a o 等碱性物质发生反应生成不溶 性针状晶体，这些针状晶体封堵了混凝土内部的毛细孔隙和微裂纹，使混凝土致密，从而增 强了混凝土的抗渗性能。当混凝土处于干燥状态时，活性物质就会处于休眠状态，停止反应 作用。一旦由于外力载荷、温差变化等造成新的裂纹或其它的结构缺陷导致混凝土漏水，活 性物质便会随水继续向混凝土内部渗透，并再次发生反应生成新的针状晶体，封堵新出现的 孔隙，抑制水的渗漏嘲删。这种防水材料与混凝土基体一起构成了永久性的防水层，满足了 现代建筑物耐久性要求，而且材料中的活性化学物质并不随时间的延长而消耗掉，只是在混 凝土处于干燥状态时处于休眠状态，当混凝土结构再次发生渗漏水时，材料中的活性物质就 被再次激活，发生反应、生成品体堵塞毛细孔道，直至混凝土不再漏水为止。 3 4 1 水泥基渗透结晶型防水材料的防水机理 水泥基渗透结晶型防水材料从出现至今已经走过了几十年的历史，但其从一出现开始， 便侧重于应用，而很少有人就其防水机理进行理论上的研究。特别是在国内，由于国外厂商 为自身的经济利益，对涂料核心活性成分采取一贯的保密措施，使得国内的施工使用人员只 能根据国外厂商的介绍来了解该类材料的防水机理，由于更多时候厂家的宣传过于神话，甚 至于自相矛盾，更使得人们无从了解。也因而使得水泥基渗透结晶型防水涂料这一具有科学 内涵的防水材料，一度受到了某些专家、学者的质疑l 骢1 ，因而限制了该类材料在我国的推广 使用。随着渗透结晶型防水材料用量的不断增加，适用范围的不断扩展，人们己明显的感觉 到了有关该类材料防水机理的匮乏，急需对该类防水材料的防水机理进行明确的研究、探讨。 目前有关水泥基渗透结晶型防水涂料的防水机理，较为流行的说法主要有沉淀反应机理和络 合一沉淀反应机理。 3 4 1 1 沉淀反应机理 沉淀反应机理是针对混凝土、水泥石中存在着大量的c a ( 叫) 。和游离c a o 等碱性物质提 出的。c a ( 伽) ：是影响混凝土耐久性的一个重要原因，通过化学反应减少c a 2 + 含量，使其转 化为对混凝士强度、密实度有利的物质，不仅可提高混凝土的防裂、抗渗能力，还可提高混 凝土的强度、密实度，从而改善抗渗性能。这一理论正是基于此反应建立起来的。当水泥基 渗透结晶型防水涂料应用于混凝土表面时，由于涂料中含有活性化学物质，在浓度差、压力 5 0 第三章裂缝的不同处理方法对抗水渗透性能的影响 差等的共同作用下，活性化学物质会通过混凝土孔隙中存在的水，渗透到混凝土内部，与毛 细孔中的游离石灰和氧化物发生化学反应，生成不溶于水的枝蔓状结晶体，密封混凝土中的 毛细管网、毛细孔及微裂缝，从而封堵了来自各个方向上的水，起到了阻水、防水的作用 冽删。同时其又能与钢筋表面的氧化物起反应，形成一层稳定的钝化膜，而且能够阻止- - 氧化碳浸入混凝土，防止混凝土中p h 值降低和钢筋的锈蚀n 叭1 。一旦混凝土的毛细孔隙、微 裂缝等被密封完全，混凝土处于不漏水状态。由于渗透结晶型防水材料能够赋予混凝土以 “呼吸”功能，混凝士内的水分便会逐渐被蒸发。当混凝土成为干燥状态时，活性化学物质 和混凝土内部的c a 2 + 便不能以游离态的离子形势存在，也就不再具有活性了，即处于了所谓 的“休眠”状态。当混凝士受不均匀载荷、地基沉降、温差变化等物理作用产生微裂纹等缺 陷时，水便会再次沿着裂纹进入混凝土，相应的活性物质也就被再次激活，随水向混凝土内 部渗透并发生作用，直至裂纹被不断长大的晶体完全封闭为止n 删。上述这一渗透结晶反应 过程如图3 2 9 。 图3 2 9 沉淀反应机理示意图 如果基体混凝土的结构缺陷较多，水很容易渗入，则涂料中的化学活性物质的渗透深度 就会很显著。如果基体混凝土是非常密实的防水混凝土，当涂料涂敷于基体表面时，化学物 质乃留在表面的涂层中。当后期再有水渗入( 如通过收缩缝、施工缝等) ，涂料中的化学物 质将活化，随水渗透，迁移到混凝土结构缺陷中，发生上述的结晶反应，产生结晶产物封堵 裂缝，从而修补结构缺陷，使基体再次达到防水要求。 3 4 1 2 络合一沉淀反应机理 络合一沉淀反应学说认为，水泥基渗透结晶型防水涂料中存在着可与c a 2 + 络合的化学活性 物质，在与水拌和时，活性物质迅速分散到水中；当涂料涂敷于基体表面时，在表面形成一 个该类物质的高浓度区。由于浓度梯度的存在引起了化学势梯度，在化学势梯度、布朗运动、 干粒子反应三种可能的驱动力的作用下，活性物质就会进入基体内酬删。众所周知，普通 的硅酸盐类水泥主要矿物c 3 s 、c , s 水化，在形成主要水化产物硅酸钙凝胶的同时，产生大量 的六方