浅析地下混凝土工程结构自防水技术的应用

引言随着国家建筑业提质增效要求逐步推广与实施，地下工程防水问题作为建筑工程中的“老大难”问题在当前广西建筑业市场环境中应引起重视，中国建筑防水协会发布的全国建筑渗漏状况调查项目报告指出，全国调研样本中，地下工程综合渗漏率达57.51%，其中南宁市地下工程渗漏率为71.43%，由于广西地下水丰富，地下工程防水质量问题在建筑业提质增效的要求下，亟需得到有效解决。2019年2月，中华人民共和国住房和城乡建设部发布了住房和城乡建设领域全文强制性工程建设规范公开征求意见，《意见》中共发布38项规范征求意见稿，其中《住宅项目》征求意见稿指出：地下室防水设计年限不低于结构设计工作年限。广西传统防水做法一般采用防水混凝土和柔性附加防水层做法，但防水混凝土仅具备抗渗功能，不具备抗裂功能，工程中结构构件裂缝无法有效控制，依靠柔性附加防水层在迎水面包裹，达到综合防水目的。传统做法中采用的柔性附加防水层均采用有机材料，由于氧化问题，耐久性一般无法达到结构设计工作年限(一般为50年)，而地下工程混凝土结构自防水依靠混凝土进行防水，具有提升工程耐久性、降低工程造价、减少工程工期、降低污染隐患等特点，本文阐述地下工程混凝土结构自防水技术原理和特征，并就地下工程混凝土结构自防水技术在实际工程应用中提出一些建议。一、地下工程混凝土结构自防水技术定义(一)各类地下工程防水做法的措施区分工程防水主要分为附加防水层、结构自防水。其中附加防水层分为刚性附加防水层和柔性附加防水层。结构自防水分为混凝土结构自防水和其他材料自防水。先主流做法采用附加防水层领域的柔性附加防水层做法，刚性附加防水层和结构自防水次之，三种技术占先国内市场比例接近100%。现有《地下工程防水技术规范》GB50108-2008中，对防水作为和概念逻辑并未完全区分清楚，实际工程案例中，由广西建科院设计的海南省某海洋公园鱼类海底观测走廊项目，防水等级：一级防水，设计采用：高强钢化玻璃结构自防水，按照国家规范《地下工程防水技术规范》GB50108-2008中3.3.1条要求，需要在透明玻璃上做一层卷材，否则不满足设计要求无法验收，这明显是不符合常理的。针对此事，2019年，住房城乡建设部这对附加防水层与结构自防水的进行了区分定义如上文所述，并计划《地下工程防水技术规范》在下一次修编时更新，同时住房城乡建设部科技与产业化发展中心发布建科评【2019】056号文件，对地下工程混凝土结构自防水给予明确定义。 (二)关于结构自防水发展的基本情况长久以来，南方地区对地下工程防水有一个错误认知，由于防水卷材发源于南方地区，且在早期混凝土均为现场自拌，质量难以控制，收缩开裂严重，混凝土自防水仅理论可行，现场生产条件无法满足理论前提，故大多数工程均放弃对混凝土自防水的依赖，转而依靠防水卷材进行防水，久而久之就形成了只要是地下室需要防水，使用卷材出现渗漏就不存在更好的办法解决。北方冻土地区由于柔性卷材无法适应冻土环境，气温降低卷材固化后开裂严重，故基本均采用结构自防水和刚性附加防水层做法，但概念上以然模糊，习惯性的统称为刚性防水做法，其实不然，结构自防水是依靠至少200mm厚度的钢筋混凝土承载构建自身密实性防水，而刚性附加防水层是以考混凝土面层设置8~20mm厚度的防水砂浆进行防水，虽然均属于刚性材料，但砂浆理论单位强度为0.15千牛(以Mu7.5砂浆，20mm厚计)，而钢筋混凝土承载构件单位强度为7.5千牛(以C30混凝土，250厚计)，故结构自防水与刚性附加防水层的刚度差约50倍，不可将二者一并看待。近年随着预拌混凝土的推广和普及，基本上已淘汰现场自拌做法，混凝土质量得到极大提升，以满足结构自防水实现的前提条件，故应重视结构自防水在地下工程防水领域的应用。二、各类地下工程防水做法市场与技术分析(一)传统防水做法传统防水做法一般指柔性附加防水层也即是防水卷材为主要防水材料的做法，根据胎膜材料区分为沥青基防水卷材和高分子基防水卷材。其中沥青基卷材的热熔类卷材已经被市场淘汰，仅存自粘类。其中沥青基粘面是垫层，防水为单元式；高分子基是点粘，方式为位微元式。SBS改性沥青防水卷材是市场中应用最为广泛的自粘卷材，其原理是在沥青胎膜中掺入丁苯橡胶(SBS)，提石油沥青的粘接力，一般特点成分中低标号石油沥青占比特别高，毡料主要是纤毡、聚酯毡、玻纤增强聚酯毡等絮状材料，SBS改性沥青防水卷材，原施工工艺为热熔施工法，后技术改进后为自粘施工，市场应用率接近60%。AP类改性沥青防水卷材在沥青胎膜中掺入无规聚丙烯的应用也较为广泛，应注意的是APP、APAO、APO等AP开头的卷材实为“换汤不换药”，只是把聚丙烯换为更廉价几种的聚烯烃类聚合物，本质原理相同，但与SBS原理基本相同但成本略低，主要是为了便于市场差异化竞争，市场应用率约为20%。高分子防水自粘卷材、预铺反粘卷材、物理化学反应粘卷材，主要由掺入PVC、PE、EVA、ECB、TPO、TPZ等微小片状材料制作而成，名称繁多的情况与AP类卷材相同，区别在于高分子卷材不是沥青基，是近年兴起的一种新型卷材，在国家越来越注重环保，且沥青被世界为生组织列为一类致癌物后，被誉为防水卷材的未来，高分子类卷材市场占有率约为10%。(特别注意：由广西金雨伞，现更名为犀牛皮公司研制的CPS反应站也属于此类产品，在广西市场比较常见，区外也有一定量数量，也是属于高分子反应粘类卷材)。其余油毡、现融类等柔性附加防水层材料基本只在化工、海水、腐蚀地质等特定工程中使用，本文不做分析。防水涂料，一般防水涂料都是作为卷材或者刚性附加防水层(砂浆)的二道防线，有时也作为结构子防水二道防线，防水效果一般，厂家杂乱，一般不作为独立的防水功能考虑，根据掺合剂分为有机防水涂料和无机防水涂料，仅部分住宅工程会独立用于住宅楼厨房和卫生间。有机涂料主要以橡胶乳液和树脂乳液为主，可以理解为比较薄的卷材，便于施工。无机涂料就是水泥基渗透结晶，主要成分是硅酮，功能就是和混凝土中为反应的氧化钙反应，生成水化的硅酸钙，干涸后析出硅酸钙晶体，填满混凝土裂缝。可以理解为防水涂料是一种辅助材料，不做独立论述。(二)刚性附加防水层做法刚性附加防水层防水相较于传统柔性卷材较为定义和市场环境都较为，也即是防水砂浆，但市场体量小。分为多层抹面型(基本没有)、防水剂砂浆(无机涂料主要成分拌砂浆)、聚合物防水砂浆(有机涂料主要成分拌砂浆)。防水砂浆企业不卖成品砂浆，只卖拌合料，一般为无机铝盐、丙烯酸盐、氯化铁、硅砂等，由于是无机材料，并不具备有机材料同类多种化合物具有相似功能的情况，成分单一且功能对应，一般直接从化工厂采购后制成预拌料。刚性附加防水层和柔性附加防水层主要的区别为耐久性，刚性附加防水层因为是无机盐，主要还是依靠砂浆中密实的硅酸钙形成防水包合，作用原理类似于高分子类卷材的点粘，但和传统防水卷材依靠有机物不同，无机盐耐老化、腐蚀能力远高于有机物，老化方式为硅酸钙中氧化钙遇二氧化碳发生碳化反应，而传统卷材老化方式是有机物中碳键遇氧、紫外线等断裂丧失粘接力。(三)结构自防水做法混凝土结构自防水分为：控制水化热减少原理和混凝土膨胀抵消裂缝原理：水化热裂缝是占混凝土裂缝接近80%，一般贯穿性裂缝均由水化热导致，越高标号的混凝土越明显，现在商品混凝土为降低成本，提高早期强度，大量掺如粉煤灰和早强剂，导致水化热的温差裂缝进一步严重，控制水化热可大幅降低混凝土裂缝，同时配合抗裂剂和防水剂，可以使混凝土更加密实，从而达到混凝土密实功能防水。由混凝土混凝土膨胀抵消裂缝的工艺是允许混凝土开裂的，通过在外加剂中掺入氧化钙、钙凡石等，使得混凝土开裂处遇水膨胀，产生内应力和挤压应变，堵上裂缝，从而达到混凝土防水效果。北京等地已经命令禁止此类自防水做法材料的应用，主要问题是膨胀量有效无法控制，混凝土裂缝反复遇水膨胀，导致裂缝发育越来越大，每膨胀一次，都使得裂缝扩大，最终造成工程安全事故，但广西尚未发文明令禁止依靠膨胀剂的结构自防水做法。值得注意的是：目前结构自防水在防水领域发展迅速，是整个行业的风口，市场上存在非常多的不知名企业号称自己是结构自防水，其实都是以前生产混凝土膨胀剂的公司，最知名的是武汉三元和武汉天一，就是国内早年最大的两家混凝土膨胀剂生产企业转型而来。关于两种原理实现的结构自防水，最简单的区分是以控制水化热为主结构自防水采用的绝大多数是液体水剂，而膨胀剂为主的结构自防水必然采用的是粉剂，不可能是水剂。水剂更容易拌合均匀，以控制均匀的水化热，其成分与水不反应。而粉剂遇水如果没有混凝土中的硅酸钙作为吸附物，会立刻开始自身反应生成碳酸钙晶体，导致失效。综上所述，采用结构自防水时，粉剂极大概率是混凝土膨胀剂，不建议使用。水剂目前只有大胡子牌、FS102和FS511占据绝大多数市场份额。以大胡子牌DHZ-I混凝土复合液为例的混凝土结构自防水技术，所采用的外加剂均为多功能的复合外加剂，一种产品可以代替各类混凝土外加剂的功能，在地下工程中，可使混凝土可以作为独立的方式屏障，根据广西地方标准《地下工程防水应用技术规程》(详见资料)和不用做柔性防水卷材以及对应的砖胎膜抹灰找平，可应用于需要采用单边支模的工艺(地下室外墙贴红线做，传统做法需要留卷材的施工空间)，具有以下几个特点：(1)工艺简单，工程质量把控点少；应用混凝土结构自防水技术，只需要提前做好试配，然后将混凝土复合防水剂掺入混凝土一并搅拌、浇筑、振捣、养护，工程质量监管容易，工程质量稳定。(2)可间接提升结构的安全性；密实的钢筋混凝土可以增加钢筋的握裹力，充分发挥钢筋抗拉性能，同时也更有效的阻止水、氧气等外介质对钢筋的侵蚀作用。(3)防水工程总造价较低、工期短。混凝土结构自防水技术由于取消了传统防水技术所需的大部分工序及其费用，经过部分已竣工的项目分析，节约防水工程综合造价15%以上，节约工期90%以上。(4)具有与混凝土相同工作年限的耐久性；混凝土结构自防水技术将防水工程融入到了混凝土中，其生效年限与混凝土的寿命基本相同，大约在200~250年之间。一般建筑在正常使用过程中，除遇特殊情况如地震、基础持力层变性或非正常加载，既有混凝土裂缝一般不会发育，也即是防水是持续生效的。(5)无污染隐患混凝土结构自防水技术所依托的几乎不含可溶于水物质的混凝土，主要以无机的硅酸盐和铝酸盐为主，基本上不存在降解的可能性，改技术所采用的DHZ-I复合防水剂均为无毒的化合物，不存在任何的水土污染隐患。2.广西区内主要品牌混凝土结构自防水技术主要指通过掺加多功能复合型防水剂，制备结构自防水专用混凝土，除满足一般防水混凝土的抗渗性能要求外，同时具备抗裂性、耐腐蚀性。现市场上结构自防水从业企业较少，国内最早应用的结构自防水的品牌为大胡子防水，在越南自卫反击战中研制并应用，早年主要做军事工程如导弹井、军火库、防空洞等暗挖工程(深坑暗挖工程无法做附加防水层，没有施工面)，先国内市场此项专业处于技术和市场绝对领先行业，东北地区应用较为广泛，具体简介详见公司资料和项目清单。结构自防水知名品牌为大胡子、武汉天一、武汉三元、北京FS102，目前广西区主要以大胡子品牌为主，其余品牌市场规模较小。(四)注意事项客观上来说，各类工程防水材料生产技术门槛都很低，但其理论技术门槛较高，多数企业为代理商制度进行销售，所以普遍存在功能宣传失实的情况。以下列举几个常见宣传失实情况：1.耐久性强此失实情况最为常见，每一种材料都会提及耐久性、耐腐蚀型问题，一般都是说耐久性好、耐腐蚀能力强，但一般不伴随对比对象宣传，如高分子卷材相较于SBS耐久性是好，但是相较于防水砂浆和结构自防水就差。其原理非常简单，仅涉及两个客观事实：一是任何碳-碳键在与氧气接触是必然氧化(降解)，土层本身含空气，地下水中也溶解有氧气，实际工程中一定不可能绝氧，则碳-碳链必然断裂(裂多了就变小分子粉末，可以参考老旧小区裸露的屋面防水层，手摸过残留的黑色粉末)；二是饱和碳不可能常温下表现出柔性和延展性，如PVC水管就是饱和的单键碳，如果要表现出柔性，必然是双键碳甚至三键，如橡胶就是三键碳，但三键比单键碳活泼程度高数百倍，在有氧环境中马上就丧失柔性和粘接力从而硬化。从化学原理上，一切碳链有机材料都不可能保持长久物理性状和效能。部分有机材料厂家会以多年前项目案例不漏水宣传，但为排除两个核心因素：1、混凝土质量好，即便老化了混凝土自身具备防水功能。2、场地是否有地下水。总结来说，地下工程中，混凝土结构自防水耐久性>无机刚性附加防水层>无机防水涂料>柔性附加防水层>有机防水涂料。2.延展性好延展性其实在实际工程中特别是地下室是一个伪命题，且现有卷材检测标准有误。此提法最常见与柔性防水卷材厂家，因为卷材是附着在结构构件表面的，而延展性在实际工程中体现不是延展度而应该是延展率。一般卷材厂家喜欢拿样板给业主用手拉拔，其实是偷换概念的做法。其一混凝土终凝收缩应变产生的应力远大于人手拉力，其二混凝土开裂后应变沿裂缝边缘产生应力集中，裂缝拉力不是均布力而是集中力，自由状态下拉扯两端只能施加的只能是均布力，体现的是延展度而不是延展率。如模拟实际受力场景，应实测延展率，实验方法可以用两个夹子，夹口对顶固定，或采用双手手指对顶与同一个点掐死，进行拉拽，测试极限断裂长度才符合实际工程场景。甚至有刚性附加防水层厂家在宣传资料上提及砂浆或涂料加了乳化剂，可以提高延展性可以解决混凝土裂缝漏水，更是无稽之谈，刚性防水、结构自防水、防水涂料没有延展性一说，检测项也针对柔性卷材有要求。3.抵御不均匀基础沉降任何防水材料只要说能低于不均匀沉降的都必然是虚假宣传，不均匀沉降产生的是垂直应变而非水平应变，所以受力剪力，不是拉力，如钢筋混凝土都无法抵御沉降剪力，一切防水材料更加不可能实现，一般材料剪刀都能剪开，更何况整个建筑物沉降重量的剪力。抵御沉降破坏渗漏的唯一解决途径就是施工设置后浇带，等沉降观测数据达标后再浇筑后浇带。如果后浇带浇筑后还出现沉降开裂，或沉降渗漏水出现在非后浇带区域，只能做混凝土局部注浆封堵处理，沉降导致的渗漏水与防水工程完全无关，一般为局部破坏，对于高分子反粘卷材、刚性防水、结构自防水而言维修成本极低，可忽略维修造价问题，但对与沥青基防水卷材而言是毁灭性的，会导致整个工程防水单元附加防水层全部失效。4.混凝土结构不会开裂本点主要针对结构自防水技术，混凝土终凝后不开裂仅存在于理论条件和实验室条件，部分结构自防水厂家声称可以让结构不开裂必然是虚假宣传，结构自防水技术只能最大限度的减少混凝土开裂，将开裂后维修成本保障在可控范畴，现场施工条件和工人质量必然无法保障混凝土不开裂。但开裂不等于漏水，只要没产生贯穿性裂缝是不会出现渗漏点的，可能有部分项目质量控制到位，不需要后期封堵渗漏水裂缝，但直接称可以让混凝土不开裂不专业、不负责的虚假宣传。5.刚性防水和结构自防水混为一谈刚性附加防水层载体为防水砂浆，结构自防水载体为钢筋混凝土顶板、外墙、底板。从原理上钢筋防水是依靠与混凝土同类无机材料拌合砂浆封堵混凝土裂缝，结构自防水是靠在混凝土中掺抗渗剂、抗裂剂减少混凝土裂缝，完全是两种作用原理。6.防水混凝土与结构自防水混为一谈本条针对结构子防水进行说明，由于国家标准未对结构子防水和防水混凝土给出清晰定义，且核心新能有重叠，故参考住房城乡建设部科技与产业化发展中心发布建科评【2019】056号文件中补充定义：防水混凝土：为具有抗渗能力的混凝土，在混凝土仅受水压力的情况下，根据水压确定抗渗等级。一般为P6 (对应0.6兆帕)或P8(0.8兆帕)。防水混凝土不考虑承载时的防水能力，在结构承载如顶板、侧墙回填土，底板为筏板时的基础反力施加到结构构件上时，结构开裂处渗漏水与防水混凝土无关，仅保障不开裂处不渗水即可，故防水混凝土不需要控制裂缝。混凝土结构自防水：为具有防水功能的混凝土承载构件组成的防水体系。结构自防水考虑承载时的防水能力，在结构承载如顶板、侧墙回填土，底板为筏板时的基础反力施加到结构构件上时，结构开裂处渗漏水和不开裂处渗漏水均为防水失效，故结构自防水需要控制裂缝。简单来说，一般工程出现渗漏水都是因为构件出现贯穿性裂缝漏水，防水混凝土与此类情况无关，而与结构自防水有关。结构自防水采用的混凝土除具备防水混凝土的抗水渗透性能外，还需要考虑抗裂性能、抗腐蚀性能等，属于多功能混凝土而非单一抗渗功能混凝土。三、关于结构自防水技术在参建各方中推进建议(一)在建设单位(业主单位、代建单位)推进措施1.节约造价可以以节约造价作为切入口，根据以往项目经验，防水工程总价(不单纯比卷材单价，而是将卷材劳务、砖胎膜抹灰找平、卷材保护层、止水钢板等一并考虑合计考虑，对比结构自防水整体承包总价)可以节约15~50%，由于计价方式区别(一般防水做法按照平方米，结构自防水按照混凝土用量立方米)，人防地下室面积、基础结构形式等每个项目差异较大，二者造价难以做简单的估算和换算，具体成本可根据设计单位提供图纸进行精确分析。2.节约工期结构自防水从原理上就决定了几乎没有工期，随混凝土一并浇筑，为保障防水质量，浇筑后留模时间宜大于3天，且规范中要求的满足拆模条件。而卷材需要安排独立工期，以南宁市某1.6万平米房建地下室为例，将顶板耐根穿刺层和耐根穿刺保护层、蓄水层、排水层与工程防水无主要关系的工作排除后，防水施工有效工期为49天，天气因素停工13天，实际工期为62天。其中卷材底板垫层抹灰找平5天、底板卷材铺贴9天、侧墙胎膜抹灰找平3天，侧墙卷材铺贴6天、侧墙聚苯板保护层施工7天、顶板抹灰找平5天，顶板卷材铺贴14天。3.质保期限采用结构自防水时，可以根据《住宅项目规范》中要求，签署涉及使用年限相符的质保，一般工业建筑25年、房建公建50年、地铁100年。一般防水工程质保合同5年，一般以施工日起计算，至项目正式投入使用时，保修年限所剩无几。(二)在设计单位推进措施设计单位在基本不需要增加工作量，具体做法由于广西已出台地方标准《地下工程混凝土结构自防水应用技术规程》DBJ/T45-036-2017，在图纸设计和施工图审查环节，均可参考该地方标准进行做法引用和设计说明。(三)在施工和总包单位推进措施在施工前至少一周时间，由业主单位组织防水公司与施工单位召开技术交底会，施工单位委派现场技术负责人出席会议即可。由防水公司提供专项施工组织方案，在混凝土浇筑时，防水公司应委派专业人员在驻场指导工作。施工单位需要配合的是浇筑完成后留模时间适当延长1~2天，并联系现场劳务工人配合