高膨脹混凝土防水劑的性能及應(yīng)用
一、混凝土內(nèi)的孔隙
     混凝土是一種非勻質(zhì)材料，從微觀結(jié)構(gòu)看屬于多孔結(jié)構(gòu)，其體內(nèi)分布有許多大小不同的微細(xì)孔隙，因而它通常是滲水的�；炷�土的孔隙按成因可分為施工孔隙和構(gòu)造孔隙2類。施工孔隙是由于澆灌、振搗質(zhì)量不良引起的；構(gòu)造孔隙主要取決于配合比，一般是混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中產(chǎn)生的。構(gòu)造孔隙主要有以下幾種：


1、膠孔
      水泥水化物“凝膠”本身所固有的孔隙。膠孔數(shù)量較多，約占凝膠體積的1/4～1/3，孔徑極小，一般尺寸為(1.0～5.0)×10－9 m，由于尺寸非常小，可以認(rèn)為膠孔是不透水的，對(duì)混凝土抗?jié)B性沒(méi)有影響。
2、毛細(xì)孔
      即在水泥水化過(guò)程中，多余水分蒸發(fā)后，在混凝土中遺留下的孔隙，毛細(xì)孔的直徑為百分之幾微米至十微米。隨著水化作用的繼續(xù)，越來(lái)越多的毛細(xì)孔被水化物填充、堵塞，毛細(xì)孔徑變細(xì)，有的成為互不連通的封閉性孔隙，但直至水泥水化完結(jié)，水化產(chǎn)物仍不足以完全填滿最初被水占據(jù)的空間，剩余水分越多，蒸發(fā)后留下的毛細(xì)孔徑越粗，滲水的可能性越大。
3、沉降縫隙和接觸孔
        沉降縫隙是在混凝土結(jié)構(gòu)形成時(shí)，骨料與水泥因各自的相對(duì)密度和顆粒大小不一致，在重力作用下，產(chǎn)生不同程度的相對(duì)沉降所引起的。混凝土澆灌后，粗骨料沉降較快，并較早地固定下來(lái)，水泥砂漿則在粗骨料間繼續(xù)沉降，水被析出，其中一部分水沿著毛細(xì)管道析出至混凝土表面，另一部分則聚積在粗骨料下表面，形成積水層。水分蒸發(fā)后即形成沉降縫隙。接觸孔是由 于砂漿和骨料變形不一致，以及骨料顆粒表面存在水膜，水分蒸發(fā)而引起的。這兩種 孔隙往往是連通的，孔隙比毛細(xì)管大。  
4、余留孔 
        由于混凝土配比不當(dāng)，水泥漿貧瘠，不足以填滿粗細(xì)骨料的間隙而出現(xiàn)的孔隙 。 由上述分析可以看出：孔徑大于2.5×10-8 m的毛細(xì)孔、沉降縫、接觸孔，由于孔徑 較大，而且是開(kāi)放式的，因此是造成混凝土滲水的主要原因。
二、普通防水混凝土的防水原理 
      普通防水混凝土是通過(guò)抑制混凝土孔隙，來(lái)提高抗?jié)B性，具體講就是：   
1、降低水灰比 
        在保證施工和易性的前提下應(yīng)盡量降低水灰比，減少相對(duì)用水量，從而減少 混凝土中多余水分蒸發(fā)后形成的毛細(xì)孔滲水通路。
2、適當(dāng)提高水泥用量 
      砂率及其相應(yīng)灰砂比在混凝土的粗骨料周邊形成足夠數(shù)量和良好質(zhì)量的砂漿 包裹層，使粗骨料彼此隔離，有助于阻隔沿粗骨料互相連通的滲水孔網(wǎng)。 
3、在降低水灰比的同時(shí)，采用較小的骨料粒徑以減少沉降縫隙 
     綜上所述：普通防水混凝土對(duì)各組成材料的要求是：水灰比在0.6以下，最 大 不超過(guò)0.65，坍落度以3～5 cm為宜，水泥用量不小于300 kg/m3，含砂率不小于35%，灰 砂比應(yīng)不小于1∶2.5，粗骨料最大粒徑不超過(guò)40 mm，細(xì)骨料最好采用中砂。 
三、高膨脹混凝土防水劑的防水原理 


1、防水原理 
      配制混凝土?xí)r，在水泥中摻入適量的高膨脹混凝土防水劑(以下簡(jiǎn)稱HEA防水劑)，由于其 含有較多的CA，水化反應(yīng)后產(chǎn)生大量的水化硫鋁酸鈣，其固體體積較水化鋁酸鈣增加2倍多 ，使混凝土產(chǎn)生了膨脹。這種膨脹產(chǎn)生2個(gè)作用： (1)在有鋼筋等因素約束下，使混凝凝土內(nèi)部產(chǎn)生0.2～0.8 MPa的預(yù)應(yīng)力，能有效地補(bǔ)償混 凝土的干縮并防止開(kāi)裂。 (2)水化硫鋁酸鈣具有填充毛細(xì)孔縫作用，使混凝土中孔徑下降，總孔隙減少，大大改善了 混凝土中孔隙結(jié)構(gòu)的分布，使混凝土更加密實(shí)，顯著提高混凝土的抗裂防滲性能。HEA防水 劑參與的水化反應(yīng)如下： 3CA+3CaSO4·2H2O+32H2O→C3A·3CaSO4·32H2O +2(Al2O3·3H2O)
K2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3+13Ca(OH)2+5CaSO4+78H2O→3C3A·2CaSO4· 32H2O+2KOH 
2、 HEA防水劑的化學(xué)組成 (見(jiàn)表1)
表１  ＨＥＡ防水劑的化學(xué)組成
組成 Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 R2O 
含量 2.64 19.13 18.01 2.62 28.18 1.06 27.22 0.88 

四、HEA防水劑的性能 
      如上所述，HEA防水劑在水化反應(yīng)后產(chǎn)生大量的水化硫鋁酸鈣，因而使混凝 土具有很好的膨脹性能。在摻量為6%～12%(等量取代水泥)時(shí)，14 d限制膨脹率一般在0.0 2%～0.04%。 HEA防水劑由于含有與自身相溶性良好的高效減水成分及其它功能外加劑，故能顯著改善混 凝土的流動(dòng)性和施工、泵送性能。因此，HEA是一種多功能復(fù)合型防水劑。 HEA防水劑具有緩凝作用，能夠延長(zhǎng)混凝土凝結(jié)時(shí)間。普通混凝土初凝、終凝時(shí)間分別為6 h 25 min、9 h 10 min，而HEA混凝土分別為8 h、10 h 15 min。凝結(jié)時(shí)間可根據(jù)工程需要進(jìn) 行調(diào)整，這對(duì)商品混凝土及大體積混凝土非常有利。 HEA防水劑由于具有良好的減水效果，故可使混凝土水灰比大為減少，混凝 土密實(shí)性提高；加之HEA有少量超高活性材料，對(duì)水泥水化起到了強(qiáng)烈激發(fā)作用，從而促 使混凝土強(qiáng)度有較大幅度提高。早期強(qiáng)度及28 d強(qiáng)度較普通混凝土提高10%以上(見(jiàn)表2)，特 別是早期強(qiáng)度的提高，對(duì)提高工程結(jié)構(gòu)的安全性及防止混凝土早期膨脹能的損失都是十分有利的。   
表2 摻HEA防水劑的混凝土與普通混凝土強(qiáng)度對(duì)比 
水泥用量／(kg/m3) HEA摻量／％ 坍落度／cm 抗壓強(qiáng)度 
７d 28d 
370 0 14.0 21.3 30.1 
370 10 15.0 25.5 34.1 
410 0 13.5 25.7 39.2 
410 10 14.5 37.5 43.7 

    HEA防水劑由于對(duì)膨脹源的礦物組成進(jìn)行了調(diào)整，使混凝土的強(qiáng)度和膨 脹發(fā)展非常協(xié) 調(diào)，最大限度地保證了有效膨脹能的發(fā)揮及避免由于膨脹內(nèi)應(yīng)力的集中產(chǎn)生造成的破壞。 HEA防水劑由于能生成更多的晶體水化硫鋁酸鈣，加上有良好的減水作用而使混凝土更加密 實(shí)，混凝土的膨脹回落值極小，其后期體積十分穩(wěn)定，這對(duì)于大體積混凝土及超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)尤其 重要。
    另外，摻HEA的混 凝土抗?jié)B性能非常良好(見(jiàn)表3)。 
表3 摻HEA防水劑混凝土與普通混凝土滲透性對(duì)比
HEA摻量／％ 恒壓時(shí)間／h 滲透高度/cm 
1.2MPa 1.5MPa 2.0MPa 2.6MPa 3.0MPa 


０ ８ - - - - １２－１４ 
10 8 8 8 8 8 3-7 

 注：水泥用量均為380 kg/m3 
    在配制適當(dāng)膨脹的大體積混凝土?xí)r，利用HEA防水劑緩凝、減水、微膨脹功能，調(diào)整其強(qiáng) 度、水化熱及水泥用量，可達(dá)到以下目的：一是可以降低水泥用量，降低水泥水化反應(yīng)的 水化熱而不影響強(qiáng)度 ；二是通過(guò)緩凝作用推遲水化熱放熱峰值和收縮起始時(shí)間，使混凝土水化熱峰值出現(xiàn)時(shí)間由 原來(lái)的2～3 d延長(zhǎng)到6～7 d，并使放熱峰值降低15～20 ℃；三是HEA混凝土產(chǎn)生適度膨脹， 具有良好的溫差補(bǔ)償效應(yīng)，這對(duì)于大體積混凝土溫差裂縫的控制，無(wú)疑將是十分有效的技術(shù) 措施。
五、摻HEA防水劑混凝土設(shè)計(jì)要點(diǎn)
     (1)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仍按現(xiàn)行規(guī)范，對(duì)混凝土導(dǎo)入的0.2～0.8 MPa預(yù)壓應(yīng)力， 在設(shè)計(jì)計(jì)算中不予考慮。 (2)止水帶的設(shè)計(jì)要離開(kāi)混凝土底板或開(kāi)孔250 mm 以上。 (3)對(duì)薄壁構(gòu)件，配筋分布應(yīng)盡量均勻，不能過(guò)分集中；開(kāi)孔和角隅附近易出現(xiàn)裂縫， 周邊應(yīng)加密結(jié)構(gòu)鋼筋。 (4)配合比設(shè)計(jì)時(shí)考慮HEA防水劑的高效減水作用，避免拌合水用量過(guò)多造成混凝土離析。 (5)摻HEA防水劑混凝土結(jié)構(gòu)在50 m以內(nèi)可不設(shè)伸縮縫，超過(guò)50 m可用摻HEA防水劑混凝土膨 脹加強(qiáng)帶代替伸縮縫，實(shí)現(xiàn)連續(xù)無(wú)縫施工。 
六、HEA防水劑在實(shí)際工程中的應(yīng)用 
    某地國(guó)稅局大樓地下室底板尺寸為：103 m×48 m×0.7 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng) 度為C40，抗?jié)B標(biāo)號(hào)S8，采用HEA混凝土膨脹加強(qiáng)帶進(jìn)行無(wú)縫施工，具體做法如下： (1)膨脹加強(qiáng)帶的混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高到C45，寬度為2 m，沿長(zhǎng)度方向共設(shè)2條，帶內(nèi)增加10 %～15%水平溫度鋼筋，摻13%HEA防水劑。 (2)C40級(jí)非膨脹加強(qiáng)帶混凝土內(nèi)摻9%HEA防水劑。 (3)施工結(jié)果：C40非膨脹加強(qiáng)帶混凝土28 d強(qiáng)度達(dá)48.4 MPa，抗?jié)B大于S12；C45膨脹加 強(qiáng)帶混凝土28 d強(qiáng)度達(dá)54.8 MPa，抗?jié)B大于S12。 
七、結(jié) 語(yǔ) 
    在混凝土中摻入適量HEA防水劑，能有效地提高混凝土的抗?jié)B能力，同時(shí)由 于HEA防水劑具有高效減 水作用，因而可以大大降低水灰比，提高混凝土密實(shí)度，使其早期強(qiáng)度、28 d強(qiáng)度都較普通 混凝土有很大的提高。HEA防水劑是一種比較理想的復(fù)合型防水劑，可以預(yù)見(jiàn)，隨著高性能 混凝土日益被人們所認(rèn)識(shí)，HEA防水劑定有其廣闊的應(yīng)用前景。