（材料学专业论文）水泥基渗透结晶型防水材料在桥面防水混凝土中的应用性研究.pdf

摘要 本文根据桥面防水混凝土的特点，对目前常用的桥面防水混凝土存在的问题进行了 系统的分析，提出将水泥基渗透结晶型防水材料( c c c w ) 应用到桥面防水混凝土铺装 中来，经过性能对比选用产品为x y p e x 浓缩剂及掺和n f n ) 。结合桥面防水的要求和该 种材料的特点，文章讨论了x y p e x 材料在桥面防水中应用的可行性。 论文通过室内试验，对桥面铺装用防水混凝土主要进行了以下几个方面的研究：首 先分析了配制桥面防水混凝土的原材料技术要求，并在普通混凝土配合比设计方法的基 础上，提出了适合于桥面防水混凝土的配合比设计原则及方法；系统研究了普通桥面防 水混凝土和使用x y p e x 掺和剂( n ) 以后的桥面防水混凝土的强度( 抗折强度、抗压强 度和劈裂强度) 特性，并对普通桥面防水混凝土的抗折强度与抗压强度、劈裂抗拉强度 进行了回归分析；研究了普通桥面防水混凝土及使用x y p e x 处理后的桥面防水混凝土 的路用性能，试验结果表明在使用x y p e x 防水材料后的桥面防水混凝土的抗渗性、抗 氯离子渗透性、抗冻性能均优于一般的桥面防水混凝土；通过直接剪切和直接拉伸试验 对不同类型的桥面防水混凝土表面状态的抗剪强度和抗拉强度进行研究，结果表明经过 适当的表面处理，使用x y p e x 浓缩剂后，桥面防水混凝土的层间可以达到符合铺装要 求的良好抗剪性能和抗拉伸性能。根据室内试验研究成果，结合试验路工程，提出了一 般桥面铺装防水混凝土和使用x y p e x 以后桥面防水混凝土的施工工艺及关键技术。并 对社会经济效益进行了分析。 关键词：桥面防水混凝土，配合比，x y p e x ，强度，抗渗性，水泥基渗透结晶型防 水材料，耐久性，抗剪切性能，抗拉拔性能，施工工艺 a b s t r a c t a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c a t o r so f w a t e r - p r o o f i n gc o n c r e t eo nb r i d g ed e c k ，t h et e x ta n a l y z e s t h ep r o b l e m se x i s ts y s t e m i c l y c e m e n t i t i o n 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 a r ei n t r o d u c e dt ot h ep e r f o r m e n c eo fw a t e r p r o o f i n gc o n c r e t eo nb r i d g ed e c k c o n s t r a s tt ot h e c h a r a c t o r so fd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，x y p e xc o n c e n t r a t ea n dt h ea d m i xn - s e r i e so fx y p e xi s c h o s e d c o n b i n e dw i t ht h ed e m a n do fw a t e r - p r o o f i n go nb r i d g ed e c ka n dt h ec h a r a c t o r so ft h e m a t e r i a l s ，t h ef e a s i b i l i t yo na p p l i c a t i o no ft h em a t e r i a l si sd i s c u s s e d t h r o u g hl a b o r a t o r yt e s t ，t h em a i na s p e c t so fc a p a b i l i t yo fn o r m a lc o n c r e t ea n dc o n c r e t e u s e dw i t hx y p e xa r er e s e a r c h e d t h ed e m a n do fr a wm a t e r i a lu s e di nw a t e r - p r o o f i n gc o n c r e t e o nb r i d g ed e c ki sf i r s t l yp r e s e n t e d b a s e do nt h ed e s i g n a t i o no fn o r m a lc o n c r e t e ，t h ew a y sa n d p r i n c i p l e sf o rm i x t u r er a t i od e s i g no fw a t e r - p r o o f i n gc o n c r e t eo nb r i d g ed e c ki sg i v e n t h e s t r e n g t hp r o p e r t yo fn o r m a lw a t e r - p r o o f i n gc o n c r e t eo nb r i d g ed e c ka n dc o n c r e t ew i t ht h e a d m i xn s e r i e so fx y p e xi sf u l l ys t u d i e db yt h em e a n so fs t r e n g t ht e s t ，i n c l u d i n gb e n d i n g s t r e n g t h ，c o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，c l e a v a g es t r e n g t h ，a n dt h ee q u a t i o no fr e q r e s s i o nb e t w e e n b e n d i n gs t r e n g t ha n dc o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，c l e a v a g es t r e n g t hi sg i v e n t h e nt h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c eo fn o r m a lw a t e r - p r o o f i n gc o n c r e t eo nb r i d g ed e c ka n dc o n c r e t ew i t hx y p e x i s s y s t e m i ce v a l u a t e da n dt h er e s u l ts h o w st h a tc o n c r e t ew i t hx y p e xi s b e t t e rt h a nn o r m a l c o n c r e t e ，i n c l u d i n gi m p e r m e a b i l i t y ，a n t i - p e r m e a b i l i t yo fc 1 ，f r o s tr e s i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h e s h e a rt e s ta n dp u l l o u tt e s t ，t h ep a p e ra n a l y z e dt h ea n t i s h e a rs t r e n g t ha n da n t i p u l l - o u t s t r e n g t ho fd i f f e r e n ts u r f a c eo fw a t e r - p r o o f i n gc o n c r e t e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ec o n c r e t e u s e dw i t hx y p e xc a nb es a t i s f i e dt h ed e m a n do ft h ep a v e m e n to nb r i d g ed e c ki fi ti sd o n e p r o p e r l y t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a lp r o je c t st h ec o n s t r u c t i o np r o c e d u r eo fw a t e r - p r o o f i n g c o n c r e t eo nb r i d g ed e c ka n dc o n c r e t ew i t hx y p e x ，t h et e c h n i c a lc o n s t r u c t i o no fb r i d g ed e c k o v e r l a y si sp r e s e n t e d ，a n dt h ee c o n o m i ca n ds o c i a le f f e c t si sa n a l y z e d k e yw o r d s ：w a t e r - p r o o f i n gc o n c r e t eo nb r i d g ed e c k ，m i x t u r er a t i od e s i g n ，x y p e x ， s t h e n g t h ，c c c w ，d u r a b i l i t y ，a n t i s h e a rp r o p e r t y ，a n t i - p u l l - o u tp r o p e r t y , c o n s t r u c t i o n p r o c e d u r e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：彳全彼沙8 年多月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：店放 钟一缸 矽年多月1 日 埘年石月日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 桥面铺装作为桥梁行车体系的重要组成部分，一方面要分散荷载，和桥面板一起承 受从桥面传递过来的荷载；另一方面，要起到保护桥面板的作用，既是桥面保护层又是 桥面结构的共同受力层。铺装层质量的好坏和使用耐久性直接影响到行车的安全性、舒 适性、桥梁的耐久性及投资效益。近年来我国公路桥梁建设快速发展，桥梁结构不断创 新，跨径不断增大，但桥面铺装的设计与施工仍沿用传统的习惯做法，在进行桥梁结构 设计时，桥面铺装层只作为桥梁工程的附属结构，在现行桥梁及路面设计规范中，对于 桥面铺装材料、铺装结构厚度、结构组合设计、防水及排水措施以及施工工艺，只是轻 描淡写地给予了指导性说明，导致桥面铺装设计与施工无章可循，各行其是。随着交通 量和重型车辆的增加，桥面铺装病害普遍出现，这不仅妨碍了正常交通，影响桥面美观， 更易造成交通事故，同时也给维修工作带来了很大的困难。 在桥面铺装中，由于混凝土的耐久性能差而引起的桥面铺装层的破坏现象也越来越 多，一般主要表现为混凝土的碳化、腐蚀、裂缝、破损和钢筋的锈蚀。在钢筋混凝土桥 梁结构中，如果混凝土保护层过薄、开裂或密实性较差，一旦桥面铺装层损害，失去防 水作用后，水便渗入桥面板，使得钢筋日渐锈蚀，如果桥梁长期暴露在侵蚀环境中( 如 跨海大桥、临海大桥) 或寒冷地区这种情况尤为严重。冬季为防止桥面结冰而定期撤防 冻盐，氯离子与钢筋和混凝土发生复杂的电化学反应，钢筋锈蚀更厉害。钢筋锈蚀的直 接后果是钢筋断面积减小，影响结构的抗拉和抗弯拉能力。同时，当钢筋发生锈蚀时， 锈蚀部分的体积发生急剧膨胀，可至原来的1 0 倍以上，从而对周围混凝土形成挤压，造 成混凝土开裂、剥蚀，使截面有效尺寸减小，结构承载能力下降。另外，现代桥梁注重 结构的轻盈、节能，采用更多的细长设计，客观上要求桥面更具有防水、防破坏能力。 经过调研我们发现几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水做介质，因此如何防止 水分的侵入是结构耐久性加固的核心问题。 桥面设置防水层的目的正是为了提高桥梁的耐久性，而桥面防水混凝土正是在这个 背景下发展起来的，一般意义上的防水混凝土技术是指以水泥、砂、石为原材料，掺入 少量外加剂或高分子聚合物，通过混凝土组成材料的改善、合理选择混凝土的配比和集 料的级配以及掺加适量的# i j j i n ，以达到混凝土内部密实或堵塞混凝土内部毛细孔通 第一章绪论 路，从而使混凝土具有较高的抗渗性能。而桥面防水混凝土是在增大伸缩缝间长度，减 少伸缩缝的道数的背景下逐渐流行起来的，因桥面铺装平面连续面积的增加，相应也增 加了收缩裂缝的危险，于是，防水混凝土的使用条件也受到一定的制约。显然桥面防水 混凝土与普通意义上的防水混凝土是有区别的，它除了具有良好的力学性能，更应具备 优良抗渗性和阻裂性等。 经过调研发现，虽然目前很多工程的桥面铺装设计中都采用防水混凝土，但在实际 设计施工时大多数工程并未按照防水混凝土的标准进行配制。课题将针对桥面铺装用防 水混凝土开展研究，并考虑采用水泥基渗透结晶型防水材料进行防水处理。 水泥基渗透结晶型防水材料是一种刚性防水材料( 简称c c c w ，英文c e m e n t i t i o n s c 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 ) ，是以硅酸盐水泥( 即国外通称的波特兰水 泥) 或普通硅酸盐水泥( 简称普通水泥) 、精细石英砂( 或硅砂) 等为基材，掺入活性 化学物质( 催化剂) 及其它辅料组成的一种新型刚性防水材料。外观呈粉状，经与水拌 和可调配成刷涂在水泥混凝土表面的浆料，组成防水涂层，亦可将其以干粉撒覆并压入 未完全凝固的水泥混凝土表面，或者直接作防水剂掺入混凝土中以增强其抗渗性能。目 前，水泥基渗透结晶型防水材料已广泛应用于隧道、大坝、地下建筑、游泳池等工程， 并取得了良好了防水效果。这种材料在桥面防水中也有少量应用，并取得了良好的防水 效果，但是至今都未有单位对其在桥面上应用后混凝土的配合比、力学性能、耐久性、 施工工艺等进行过系统研究，在桥面混凝土铺装混凝土中采用水泥基渗透结晶型防水材 料进行设计和施工时，大都根据经验确定，由于材料的配比和施工养护不当而导致其优 点未充分发挥，这也一定程度上制约了该种材料在桥面上应用。 本文将主要以桥面铺装防水混凝土为研究对象，依托河北张石高速公路密涿支线中 军用分离式立交桥和义和店中桥的桥面铺装试验路工程，结合桥面防水混凝土材料室内 试验，对普通桥面防水混凝土和使用水泥基渗透结晶型防水材料的桥面防水混凝土的原 材料、配合比设计、力学性能、耐久性、与粘结层的层间稳定性，施工工艺等进行深入 系统研究。 1 2 桥面防水混凝土层损坏状况调查与分析 1 2 1 水泥混凝土桥桥面铺装层的一般构造 水泥混凝土桥桥面铺装层的构造层次一般是由水泥混凝土底板、刚性找平层、防水 层、保护层、铺装层等组成，具体结构见图1 1 所示。【1 】 2- * 安人学坝十学位论立 图11 桥面铺装一般构造图 1 水泥混凝土底板( 桥而板) 桥面板是桥梁的承重结构，应具有强度高，密实度好，防水性能优良，并具有定 的耐酸碱腐蚀性和抗冻性。 2刚性找平层( 或防水辊凝土层) 在桥面板上应做水泥砂浆或桥面防水混凝上层，其目的一方面是为了找平，另一方 面是为了与防水层一起或单独起防水作用。 3 防水层 防j t 水渗入水泥混凝土桥面或滞留在桥面扳e 起到防水、隔水作用，并将铺装层与 桥面板粘结成一个整体。 4 保护层 保护层设在防水层上面，其主要目的是为了防止桥面在铺装面层时，由于机械碾压 或钢筋的作用硌破防水粘结层，从而影响防水层的防水效果。 5 铺装层 铺装层位于桥梁桥面的最上层，直接承受着车辆行驶的碾压力、摩擦力和冲击力， 铺装层一般由水泥混凝土或沥青混凝土铺筑。 1 22 桥面防水混凝土层破坏类型调查 桥面铺装中使用防水混凝士早就有之，只是不很普遍。近年来随着大量高等级公路 的修建，桥面防水混凝土的使用也迅速普及，大部分大、中桥桥面铺装都使用防水混凝 士，这对提高结构物的使用品质及延长其寿命无疑有诸多好处，但实际效果不尽理想， 主要表现在仍有裂缝产生，防水敏果小佳，这与防水混凝土应用不当不无关系。由于桥 面防水混凝土层破坏或失效而引起的桥面铺装层的损坏较为普遍，主要表现在以下两个 第一章绪论 方面l 1 ) 层间剪切破坏 铺装层在承受竖向行车荷载和水平荷载的作用下，由于混凝土表层抗剪性能较 差而与沥青铺装层之间的粘结力不足而产生相对滑移，导致沥青铺装层出现坑洞、 裂缝等病害； 2 1 桥面防水混凝土层破坏 桥面防水混凝土防水功能较差，每逢下雨或桥面有积水时，梁板底部往往有水 渗出，严重时甚至出现漏水，雨水通过空隙与裂缝渗入混凝土层，不断冲刷混凝土 并腐蚀钢筋，从而影响混凝土桥面板的耐久性。 保德黄河大桥是连接晋陕两省的一座重要桥梁，该桥位于山西省保德县和陕西省府 谷县之间，是晋煤外运的一条重要通道。该桥全长6 3 9 0 8 m ，始建1 9 7 2 年，共1 5 f l ，主流 河段( 主桥) 为7 孔跨径6 0 m 的预应力混凝土“t 型刚构。1 9 8 9 年以来，由于桥上交通量 成倍增长，在行车、各种气候因素、河床下切、防水层性能下降、排水不畅等综合因素 作用下，引起桥下大面积渗水，主桥“t ”型刚构顶板及引桥腹拱顶板下面都有渗水现象， 使混凝土内钢筋锈蚀，严重影响大桥的使用寿命。【2 】 近几年北京市市政工程管理处对北京市的一些桥梁的损坏情况进行了调查，结果 表明北京市1 9 8 8 年之前修建的立交桥均存在不同程度的渗漏水现象。例如北京市北窑桥 西引桥北侧边梁梁底主筋腐蚀十分明显，多处翼缘混凝土因锈水渗出形成锈斑，主要 原因是桥梁表面存在裂缝，防水层防水效果失效造成的，其中梁板翼缘受雨水侵蚀最为 严重，混凝土表面既有裂缝成为渗水通道，加速了钢筋的腐蚀。t 3 1 j l 京西直门立交桥， 在建成使用2 0 年之后就被拆除了，其中部分原因就是由于结构渗漏水的原因造成了结构 的损坏，使结构的安全度下降。 海南省环岛西线高速公路工程，在k 5 1 段通车不到一年，发现洋隆 水库大桥、春江大桥、文澜江东干国村小桥+ 、0 0 洋0 浦k 互2 0 通0 + 跨8 5 线2 桥等桥面铺装层局部都有不 同程度的损坏。观察其状态，损坏几乎都不是混凝土被压碎或者钢筋被拉断所致，而是 桥面铺装受拉边所产生的裂缝随着时间的发展而形成龟甲状裂缝，使混凝土连续性逐渐 丧失，在水和环境的综合作用下造成混凝土塌陷或剥落。 4 1 沈大高速公路，由于使用时间较长( 已通车近1 5 年) ，几乎每座桥梁的沥青混凝土 铺装层经翻修后仍有破损现象，病害与一般路段相比主要表现为桥面坑槽，有些桥面沥 青混凝土与水泥混凝土脱离，产生松散现象，部分桥面出现了反自和唧浆现象，有许多 4 k 立上学碰+ 学位诧 地方尚存在修补后再破坏的情况。更为严重的是个别桥梁由于沥青混凝上桥粱的破坏， 导致水分f 渗，在荷载和冰冻综合作用下，使桥梁的混凝土梁扳受损。 5 1 在辽宁省的调查中发现，沥苛混凝土铺装层破坏严重，通过钻芯取样发现，部分芯 样在取芯过程中就已破碎，而能取冉的芯样普遍产生环向开裂，并发现水泥混凝士桥面 板的表面松散、浮浆较多等。7 1 囤1 2 在经常有水的地方出现钢筋锈蚀 囤1 3 桥面渗水在桥梁底部形成的“冰凌” 调查显示，高等级公路水泥混凝土桥面板沥青混凝土铺装层出现早期病害比较普 遍，许多破坏形式都是咀混凝土层结构出现裂缝从而导致水和其它介质进入桥面板层， 锈蚀钢筋危及侵蚀桥面板的形式出现，水是造成桥面铺装早期破坏的主要诱因之一，如 何切实处理好防水问题是桥面防水混凝士技术应用的关键。 3 混凝土防水技术的发展情况 在混凝土防水领域，可将其大致分为馄凝土结构臼防水和柔性外包防水两大类。 混凝土结构自防水是指依靠混凝上水体防水柬实现防水；而柔性外也防水，是指采用防 第一章绪论 水卷材或防水涂料对结构进行外包防水，从而实现总体防水目的。经过长期的工程实践， 建筑工程界逐渐形成了较为一致的认识，即建筑防水应以混凝土结构自防水为主、柔性 外包防水为辅。结构自防水为最根本的防水措施。 1 3 1 混凝土结构自防水技术的发展 混凝土结构自防水的发展大致经历了：级配防水混凝土、富砂浆防水混凝土、多 1 - j m 剂防水混凝土、补偿收缩防水混凝土几个阶段：1 8 】 1 级配防水混凝土 即通过不同级配的石料获得最小孔隙率，使混凝土致密。这种技术最初是由德国提 出的。解放初，在我国也进行了推广，但是它对石料的级配要求严格，按筛分曲线级配， 不但增加成本，而且施工麻烦。所以这种混凝土在我国难以推广。 2 富砂浆防水混凝土 这种混凝土提出混凝土中的灰砂比为1 ：2 1 ：2 5 ，砂率为3 5 一4 0 ，石料粒径不 大于4 0 m m ，水灰比不大于0 6 ，加强早期养护，养护龄期不少于1 4 d ，在该技术中水泥 砂浆的质量是决定水泥混凝土防水抗渗能力的关键。富砂浆防水混凝土技术虽然突破了 连续级配的苛求，但是这种混凝土中的砂浆不但要求用作填充石料空隙及包裹石料，而 且必须要有一定的厚度，使得石料的骨架作用减弱。 3 # i , j j 口n 型防水混凝土 通过掺加外加剂的方法来提高混凝土拌和物的流动性，改善内部结构，使混凝土中 自由水的蒸发线路变得分散、曲折、细小，提高混凝土的密实性，从而防止水的渗入。 掺外加剂的类型主要有引气剂、减水剂和早强剂。 4 膨胀型防水混凝土 使用膨胀剂或膨胀水泥，使混凝土在凝结硬化过程中产生一定的膨胀。一方面改善 硬化混凝土的孔结构，减少毛细孑l 孔径，降低孔隙率，达到抗渗的目的。但随着膨胀剂 用量的不断增大和流态高强泵送施工技术的发展，补偿收缩混凝土不断暴露出许多问 题，如高强混凝土出现的早期开裂现象，膨胀剂由于掺量过高而导致的强度下降的问题， 较大的水养早期膨胀率和较大的后期收缩之间的矛盾，坍落度损失过快的问题，膨胀剂 由于碱含量过高而引起的混凝土耐久性问题等，这些问题再度使建筑工程界与学术界深 为困扰。f 9 1 从以上混凝土结构自防水的发展历程也可以看出刚性防水技术的局限性。到了2 0 6 长安大学硕士学位论文 世纪5 0 年代以后，随着高分子合成材料的发展，改性防水卷材和各种新型防水涂料不 断出现，为现代化建筑提供了新材料、新技术。各种嵌缝密封胶、防水涂料不断出现。 1 3 2 柔性外包防水的发展 柔性外包防水通常是指用防水卷材或防水涂料对结构进行外包处理从而实现防水。 鉴于防水卷材对本课题的意义不大，故而在这里不予介绍。 由于防水涂料对结构的防水与对结构外表进行表面防水处理方式相近，也可以称为 表面处理防水，此类防水材料大致可分为聚合物成膜、聚合物改性水泥类防水涂料和无 机防水涂料几大类。下面对这几类材料做简单的介绍。 1 聚合物成膜类 聚合物成膜类合成高分子材料用于防水施工的时间并不长，沥青防水技术，即用热 沥青涂敷于混凝土表面，通过沥青冷固后形成的覆盖层提高结构的抗渗防水能力，该技 术一直占据混凝土防水市场的主导地位。由于该技术存在着沥青耐老化性能差，涂层寿 命短，且需要热加工等特点，故科研人员又研究了聚合物改性沥青作为防水涂料，相对 延长了涂层的寿命。虽然这类防水涂料施工简单易行，有良好的粘结基体性能及较好的 防水效果，但是它的缺点一是不耐高温，即便有耐老化性能良好的防水涂料，其价格也 较昂贵；二是强度很低，须加砂浆层予以保护；三是在其组成中含有的有机成分多为有 害物质，污染环境，使其使用条件受到限制。 2 聚合物水泥类防水材料 在传统的防水技术中，水泥用于刚性防水，高分子材料用于柔性防水，往往泾渭分 明。水泥类材料防水性好，与基面粘结性好，但不适于变形；柔性防水材料品种多，变 形性好，但与基面相容性差，还存在老化的问题。能否将有机和无机有机的结合起来， 这是研究人员致力研究的方向。二战以后就出现了聚合物水泥类材料，它基本采用的是 刚性的思路，主要品种是聚合物砂浆，虽然有一定的韧性，能克服水泥水化产生的裂缝， 但不足以抵抗变形。随着聚合物生产技术的成熟，成本的降低，聚合物的比例逐渐增加， 于是就出现了聚合物改性水泥防水涂料。【1 0 】 1 3 3 无机刚性防水材料 目前，无机刚性防水材料正成为一个研究热点，它不仅价格低廉，而且无任何公害， 是2 1 世纪环保型材料发展的重点之一，无机刚性防水材料根据性能分类主要可分为以 下两种类型。 7 第一章绪论 1 涂层覆盖型防水 此类材料一般为水泥基粉状粘性防水涂料，具有水硬性能。代表此类型材料的产品 有确保时( c o p r o x ) ，中国建筑材料研究所研制的防水宝系列等。确保时原系美国国 防部开发供军队专用，后推广到工业与民用建筑中。防水宝则是确保时的基础上由中国 建筑材料科学研究院研制的专利产品。这两种材料都是主要以水泥为主要原材料，辅以 成膜组分，憎水组分和催化剂等，直接喷涂于混凝土表面。由于涂料本身与水泥、混凝 土基体性能上相似，故而在混凝土表面涂刷三次至涂层厚度1 5 3 m m 时，即可很快在基 体表层形成致密坚硬的防水涂层。【1 1 】【1 2 1 用此产品处理渗漏构造物，可收到较好抗渗堵 漏效果。 涂层覆盖防水系列产品为冷施工，对施工面要求不高，只要表面无油污、粉尘、松 散物即可。湿基面施工，表面需充分润湿，否则干后涂层会粉化或脱落。这种材料无毒 无味，有一定的耐碱、耐老化性能，因此在许多工程中得到广泛的应用。但是此类材料 仅限于表面处理，与基体之间无反应性行为，仅在表面形成憎水的薄膜，因此对基体的 修补增强作用较弱；此类材料由于封闭了基体表面，在堵塞水的通道的同时，也阻碍了 水蒸气的通过。当建筑物中湿度过大而水蒸气无法逸出时，造成混凝土中的水含量过高， 破坏混凝土的内部结构。因此在无机刚性防水涂料的基础上，出现了对基体渗透性好 ( 这里指涂料向基体内部的渗透性) ，有反应活性的渗透结晶型防水材料。 2 渗透结晶型防水涂料 渗透结晶型防水材料就是在无机防水涂料的基础上发展起来的，它是由无机水性硅 酸盐( 即水泥主体) 为载体，配以适量的催化剂、分散剂、助剂和水等复合而成的粉状 材料在催化剂中引入了高性能表面活性剂和渗透组分。这种活性助剂能够明显的降低混 凝土表面的张力，使得它对基体水泥砂浆、混凝土表面有好的湿润作用，从而沿着混凝 土结构中毛细孔通道、微细裂纹等不断向内部渗透。浸润内部后，随即与水泥水化过程 中产生的c a ( o h ) 2 反应，生成不溶于水的凝胶体，从而堵塞内部孔隙，封闭毛细孔 通道，增加密实度，形成与构造物融为一体的永久性密封防水层，能够提高水泥混凝土 的强度，使其具有防霉、抗风化防酸碱侵蚀等功能，而这些特点恰巧是桥面防水混凝土 所必须具备的性质。 因此本工程拟采用该种材料对混凝土防水处理进行可行性研究，通过对比选用品牌 为x y p e x ( 赛柏斯) 。 8 长安大学硕士学位论文 1 4 水泥基渗透结晶型防水材料的研究与应用现状 1 4 1 国外水泥基渗透结晶型防水材料的总体发展 国外水泥基防水涂层材料的研究和工程的应用已经走过了上百年的历史，水泥基金 属氧化物防水材料，1 9 0 6 年在美国发明获得专利，成功地用作背水面防水处理，如电梯 井坑等一直沿用至今。【1 3 】 聚合物改性水泥基防水材料，是2 0 世纪6 0 年代聚合物工业迅速发展的产物。6 0 年代在欧洲和美国为数众多的该类材料以其高的粘结力和弹性，满足防水工程对它的要 求。该种材料国外称为“水泥涂膜”或“水泥屏障涂料”，以区别水泥基渗透结晶型材 料，因为它们都是以水泥为基料的。 水泥基渗透结晶型防水材料于1 9 4 2 年由德国化学家劳伦斯杰逊( l a n r i t zj e n s e n ) 在解决水泥船渗漏水的实践中发明。二次大战后，欧洲和日本经济的快速增长，使这一 类工程材料的应用领域不断扩大，产品也从早期德国的v a n d e x ( 稳挡水) ，加拿大的 ， x y p e x 、c r y s t o l 、新加坡的f o r m d e x ( 防挡水) 等数十个品牌。水泥基渗透结晶 型防水材料在开拓工程应用的过程中，最初是提倡用于全地下混凝土结构的外表面防 水，后来发现它在背水面也有它的特殊效果。特别是在污水处理池和地面生活用水蓄水 池等工程中应用颇为理想。2 0 世纪6 0 年代以来，水泥基渗透结晶型防水材料作为混凝 土结构防水的一种有效材料，逐步扩大了品种，不断进入建筑旌工应用的新领域。【1 4 】 1 4 2 国内关于水泥基渗透结晶型防水材料的应用及发展 8 0 年代初，在上海注册的加拿大亚洲之路贸易公司最先向上海地铁筹备组推荐了水 泥基渗透结晶型防水材料- x ，e x 产品。有关技术人员注意到了它的独特性能，但因 当时进口材料的繁琐程序，未能实现工程性能试验的计划。1 0 年后，1 9 9 4 年加拿大 x y p e x 的代理商一美国绿洲海洋化学公司的郑鸿法博士在上海地铁工程建设指挥部的 协助下，选择建设中的常熟路地铁车站，进行了堵漏试验。 1 9 9 5 年3 月，上海市地铁运营公司通过美国绿洲海洋化学公司，进口了8 吨x y p e x 产品，用于上海地铁1 号线的防水堵漏。同年，在有关人士的积极倡导和牵线搭桥下， 美国绿洲海洋化学公司在北京设立了x y p e x 产品的中国代理机构，标志着x y p e x 正 式进入中国市场。 从9 0 年代开始，f o r m d e x ( 德国) 、k r y s t o l ( 加拿大) 、p e n e t r o n ( 美国) 等同类产品也相继进入中国市场，这种类型的产品先后用于黄河小浪底发电站、四川大 9 第一章绪论 桥水库导流洞堵漏、北京世纪坛地下室防水、上海外环线沉管隧道接缝等工程中广泛应 用，防水效果显著，获得工程界的一致好评。 在水泥基渗透结晶材料最初进入中国市场时只是用于游泳池、大坝、水库、地下室 等静态防水、堵漏，而用于有动荷载的路面和桥面领域不是很多。许多工程技术人员在 长期使用这种材料对其性质在进一步了解后，许多桥面和路面也采用该种材料进行防 水，并取得良好的防水效果。 北京健翔桥是八十年代初建造的立交桥，由于通往八达岭高速公路经过此桥，原有 的桥面己不够使用，特拓宽桥面，新拓宽的桥面全部采用x y p e x 浓缩剂做防水，截止 目前防水效果良好。谢边立交枢纽位于广佛高速公路，广州一佛山入口的立交桥面及盖 梁采用x y p e x 浓缩剂处理。天津海河大桥为新建大桥，位于天津市南半环，桥面使用 水泥基渗透结晶型防水材料做防水处理，效果显著。 水泥基渗透结晶型防水材料不同于传统防水材料，传统防水材料都是在混凝土表面 形成隔水层，起到防水作用，在初始阶段是非常有效的，但是随着时间的增长，其性能 逐渐退化失去防水效果。而结晶型渗透材料防水性能确随着时间增长而持续增强，并且 永久防水不老化，这种特性使的该防水材料在混凝土防水领域具有优越的能力是其它防 水材料所不可比拟的。 1 5 本文主要研究内容 本文以水泥混凝土桥面铺装中的桥面防水混凝土为研究对象，展开系统的研究，具 体内容如下： 1 对我国水泥混凝土桥桥面铺装层中由防水混凝土层引起的病害进行调查、分析， 得出病害产生的原因，并提出采用水泥基渗透结晶型防水材料对桥面防水混凝土 做防水处理。 2 对水泥基渗透结晶型防水材料的防水防水机理进行细致的分析，并对该种材料在 桥面进行防水处理的可行性进行探讨。 3 根据桥面防水的特点对桥面防水混凝土的原材料和组成设计进行了系统研究，并 提出了一般桥面防水混凝土原材料技术要求。 4 对普通桥面防水混凝土和使用x y p e x 掺和剂( n ) 的桥面防水混凝土配合比设 计、力学强度性能方面进行了系统研究。 5 对x y p e x 水泥基渗透结晶型防水材料的自愈合特性进行了研究，并就耐久性方 1 0 长安大学硕士学位论文 面进行了对比研究，研究项目包括抗冻性、抗渗性和抵抗氯离子渗透性。 6 研究了对于普通桥面防水混凝土在不同的表面构造及涂刷x y p e x 浓缩剂后，上 铺筑沥青层后的层间稳定性能。对抗剪切强度、抗拉拔强度这两个桥面铺装层常 用的技术指标进行对比研究。 7 结合试验路工程对普通桥面防水混凝土和使用x y p e x 水泥基渗透结晶型防水 材料的施工工艺及施工关键技术进行了系统研究。 8 对使用x y p e x 材料进行桥面处理的防水混凝土进行了经济性分析。 第二章水泥基渗透结晶型防水材料作用机理分析及在桥面应用中的可行性分析 第二章水泥基渗透结晶型防水材料作用机理 及在桥面中应用可行性分析 2 1 水泥基渗透结晶型防水材料的性能特点 水泥基渗结晶型防水材料( 简称c c c w ) 的主要特征是渗透结晶，一般的表面 防水材料在经过一段时间的老化作用以后，即可能逐渐丧失它的防水功效，而 c c c w 在水的引导下，以水为载体，借助强有力的渗透性，在混凝土微孔的毛细管 中进行传输充盈、发生物化作用，形成不溶于水的结晶体，与混凝土结构结合成为 封闭式的防水层整体，堵截来自任何方向的水流及其它液体侵蚀，既达到长久性防 水、耐腐蚀作用，又起到保护钢筋、增强混凝土结构强度的作用。它主要有以下一 些主要特点： 1 具有双重的防水性能 c c c w 所产生的渗透结晶能深入到混凝土结构内部堵塞结构孔隙，无论其渗透 深度有多少，都可以在结构层内部起到防水作用；同时，作用在混凝土结构基面的 涂层由于其微膨胀的性能，能起到补偿收缩的作用，能使施工后的结构基面同样具 有很好的抗裂抗渗作用。 2 具有很强的耐水压性能 能长期承受强水压，部分产品的测试结果表明，在厚5 0 m m ，抗压强度为 1 3 8 m p a 的混凝土试件上，涂刷两层c c c w ，至少可承受1 2 3 4 的水头压力 ( 1 2 m p a ) 。 3 具有独特的自我修复能力 c c c w 是无机防水材料，所形成的结晶体不会产生老化，晶体结构许多年以 后遇水仍能激活水泥，产生新的晶体将继续密实，密封或再密封小于0 4 m m 的裂 缝，完成自我修复的过程。 4 具有防腐、耐老化、保护钢筋的作用 混凝土的化学侵蚀和钢筋锈蚀与水分和氯离子渗入分不开。c c c w 的渗透结 晶和自我修复能力使混凝土更密实，从而最大程度地降低了化学物质、离子和水 分的侵入，保护钢筋混凝土免受侵蚀。c c c w 产生的不溶于水的晶体不影响混凝 1 2 长安大学硕士学位论文 土呼吸的能力，能保持混凝土内部的正常透气、排潮、干爽，在保持混凝土内部 钢筋不受侵蚀的基础上延长了建筑物的使用寿命。同时，用c c c w 处理过的混凝 土结构还有效地防止了因冻融而造成的剥落、风化及损坏。 5 具有对混凝土结构的补强作用 用c c c w 施工后的结构，由于它不是晶体结构重新激活，而是未水化水泥被 激活，增加了密实度，对结构起到了加强作用，一般随c c c w 的加入能提高混凝 土的抗压强度。 6 具有长久性的防水作用 c c c w 所产生的物化反应最初是在工作面表层或临近部位，随着时间的推移 逐步影响混凝土结构内部进行渗透。各生产企业的产品渗透深度1 0 3 0 c m 不等。 在通常情况下，所形成的晶体结构不会被损坏，且性能稳定不分解，防水涂层即 使遭受破损或被刮掉，也不会影响防水效果，因为其有效成分已深入渗透到混凝 土结构内部，故其防水作用是长久性的。 7 具有施工方法简单，省工省时的优点 c c c w 施工时对基面要求简单，对混凝土基面不需要做找平层；施工完成后 也不需要做保护层。只要涂层完全固化后就不怕磕、碰、砸及磨损。对渗水、泛 水、泛潮的基面可随时施工，对新建或正在施工的混凝土基面，在养护期间( 水 分未完全挥发时) 即可同时使用。底版施工若采用干撒法则更为简单。 与传统的防水材料对比，c c c w 也有许多传统防水材料没有的优点，其具体 的优点见表2 1 所示：【1 5 】 表2 1c c c w 与传统防水材料的性能比较 内容 序号 c c c w 传统防水材料 不只依靠物理作用，更主要是靠化 1 学作用封堵混凝土内部的微裂缝或 仅靠物理作用表面封堵混凝士外部的 微裂缝成毛细孔防水 防 毛细孔防水 水 2 绿色环保产品，无毒无味 大多数材料有刺激性气味，对人体有害 性 能 3 可有效提高混凝十抗压强度一般无提高 比 4 可长期耐受高水压有效期短 属无机材料，不老化，可以延长混 较 5 大多数属有机材料容易老化 凝十寿命 结晶体可渗透混凝土内最大达仅靠表面防水或渗透有限且无结晶作 6 1 5 3 0 0 m m ，可做到整体防水用 1 3 第二二章水泥基渗透结晶型防水材料作用机理分析及在桥面应用中的可行性分析 表2 1c c c w 与传统防水材料的性能比较( 续) 内容序号 c c c w 传统防水材料 抗氧化、碳化、膨胀系数与混凝土 7 膨胀系数与混凝土有差别 基本一致 防 耐高、低温，抗冻融循环可达 8 耐高、低温，抗冻融循环能力差 水3 5 0 4 0 0 次 性 属水泥基产品，涂层与混凝土粘结 9 与混凝土不同质，易剁落 能牢固 比 1 0可透气，保持建筑干燥一般不透气 较 有自我修复能力，小于o 4 m m 的微 l l 一般无自我修复能力 裂缝可自我修复 1 2 可抑制碱骨料反应( a a r )对碱骨料反应抑制较弱 l基面允许潮湿且不需要找平层 基面一般要求干燥且需要找平层 2可与混凝土同步施工，可缩短工期 一般无法同防水剂同步( 除防水剂外) 施 3 无需辅助材料，现场干净整齐常常需要辅助材料如溶剂等 工 5 无搭接，保证整体防水性有搭接，是渗漏隐患 比 6施工后无需做保护层一般要做保护层 较 7 可直接接受别的涂层施工后外加涂层困难 8 施工操作简单施工技术较为复杂 来自文献1 5 1 2 2 水泥基渗透结晶型防水材料的防水机理分析 c c c w 是一种在水泥基中加入无机骨料，混配而成的浅灰色无机粉末状材料， 以水为介质的水化反应生成物与混凝土成分相似。c c c w 中含有的活性化学物质在 水的作用下，通过表层水对结构内部的侵蚀，被带入了结构表层内部孔隙中，与混 凝土中的游离氧化钙交互反应生成不溶于水的硫铝酸钙 ( 3 c a o a 1 2 0 3 c a s 0 4 - 3 2 h 2 0 ) 渗透结晶物。结晶物在结构孔隙中吸水胀大，由疏至 密，使混凝土结构表层向纵深逐渐形成一个致密的抗渗区域，大大提高了结构整体 的抗渗能力。 关于c c c w 的渗透结晶机理的解释国内外尚未达成统一，但目前比较认可的 解释有两种：一是沉淀一反应机理，另一种是络合一沉淀反应机理。 2 2 1 沉淀一反应机理 此反应机理主要是针对水化水泥石中存在的大量c a 2 + ，c a ( o h ) 2 是影响混凝土 1 4 长安大学硕十学位论文 耐久性的一个重要原因，通过化学反应减少游离c a 2 + 含量，使其转化为对混凝土强 度、密实度有利的物质，不仅可提高混凝土抗裂防渗能力，还可以提高混凝土的强 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c c c w 应用于混凝土表面时，由于涂料中含有的活性化学物质，在浓度和 压力差共同作用下，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，生成不溶于水的结晶体【1 6 】1 17 1 ， 密封混凝土中的毛细管网、毛细孔及微裂缝，起阻水、防水作用，同时又能与钢筋 表面的氧化物发生反应，形成一层稳定的薄膜，阻止c 0 2 侵入混凝土，防止混凝土 中的p h 值下降，起到保护钢筋的作用【1 8 】【1 9 1 ，上述渗透结晶反应用图描述如图2 1 。 图2 1 沉淀一反应示意图 如果基体混凝土结构的缺陷较多，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。试验发现，渗透深度可达1 5 0 m m 以上【2 0 】。如果基体混凝土 是非常密实的防水混凝土，当涂料施加于基体表面时，化学物质仍停留在表面的涂 层中。如果后期有水的侵入( 例如通过收缩裂缝、施工缝等) ，涂料中的化学物质 将活化，随水的渗透，迁移到混凝土结构缺陷中，发生上述的结晶反应。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。 2 2 2 络合一沉淀反应机理 关于渗透结晶防水材料的另一种说法是络合一沉淀反应机理学说。这种学说认 为，涂料中存在的可与c a 2 + 络合的活性化学物质，与水拌和时，该物质迅速分散到 水中，当涂料涂覆于混凝土基体表面时，在表层形成一个该类物质的高浓度区。由 于浓度梯度的存在，活性物质会随水进入基体内部。 1 5 第二章水泥基渗透结晶型防水材料作用机理分析及在桥面应用中的可行性分析 众所周知，水泥主要矿物c 2 s 、c 3 s 水化，在形成水泥石主要水化产物硅酸钙 凝胶的同时，产生大量的六方片状c a ( o h ) 2 晶体。硬化水泥石中的c a ( o h ) 2 对强度贡献很小，它的溶出易造成混凝土结构的破坏。进入混凝土内部的活性化学 物质，遇到c a ( o h ) 2 的高浓度区时，与混凝土中电离出的钙离子络合，形成易 溶于水的、不稳定的钙络合物。络合物随水在混凝土孔隙中扩散，遇到活性较高及 未水化水泥、水泥浆体等，活性化学物质就会被更稳定的硅酸根、铝酸根等取代， 发生结晶、沉淀反应，从而将c a ( o h ) 2 转化为具有一定强度的晶体