建筑自防水混凝土核心技術(shù)研究

趙長(zhǎng)才，郭瑋

（蘇州市姑蘇新型建材有限公司，江蘇 蘇州 215129）

0 前言

長(zhǎng)期以來(lái)，“剛?cè)嵯酀?jì)”的防水理念為防水業(yè)界所共識(shí)，但是隨著防水要求的提高，特別是GB 55030—2022《建筑與市政工程防水通用規(guī)范》關(guān)于“地下工程防水設(shè)計(jì)工作年限不低于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作年限”要求的提出，混凝土結(jié)構(gòu)自防水提到了全新的高度。

自防水混凝土是通過(guò)調(diào)整配合比及摻加外加劑、摻合料等方法配制而成，關(guān)于防水混凝土的核心性能指標(biāo)主要是抗?jié)B性能。通過(guò)配合比調(diào)整或摻外加劑的途徑改善孔結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)度，從而使其混凝土具備一定的抗?jié)B性能（抗?jié)B壓力大于0.6 MPa）[1]。但是隨著現(xiàn)代大型混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑、防水要求的提高，防水混凝土僅滿足抗?jié)B性能是不全面的，防水行業(yè)將具有抗?jié)B性、抗開(kāi)裂性、修復(fù)性、耐久性等綜合性能的混凝土稱之為結(jié)構(gòu)自防水混凝土,防水混凝土應(yīng)滿足抗?jié)B等級(jí)要求，并且試配混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)比設(shè)計(jì)要求提高1級(jí)（抗?jié)B壓力大于0.8 MPa）[2]。

本研究采用活性硅、高效膨脹劑、高效減水劑等多種成分復(fù)配，通過(guò)大量試驗(yàn)和理論分析，研發(fā)一種性能優(yōu)異的混凝土自防水核心成分。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，海螺公司；砂：Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.6～2.9，含泥量小于1%，市售干燥河砂；標(biāo)準(zhǔn)砂：SiO2含量大于96%，燒失量≤0.4%，含泥量（包括可溶性鹽類）≤0.2%；石子：粒徑為5～20 mm的碎石，采用二級(jí)配，其中，5～10 mm占40%，10～20 mm占60%，滿足連續(xù)級(jí)配要求，針片狀物質(zhì)含量小于10%，含泥量小于0.5%；水：自來(lái)水；活性硅：主要成分活性二氧化硅，納米級(jí)，市售；減水劑：聚羧酸減水劑，凈漿流動(dòng)度大于300 mm，市售；膨脹劑：塑性膨脹劑，市售。

1.2 試件的成型、養(yǎng)護(hù)條件

先將納米活性硅采用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理，烘干后按比例加入膨脹劑、減水劑等其他成分組成核心成分。將水泥、砂、核心成分干拌均勻，加水拌合至要求稠度，測(cè)試混凝土?xí)r另外加石子。將拌合料按照要求成型，測(cè)試其性能。

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)先在水泥砂漿中進(jìn)行，確定了核心成分的最佳配比后，再在混凝土中進(jìn)行。

2.1 水泥砂漿試驗(yàn)

2.1.1 基準(zhǔn)砂漿

為了體現(xiàn)核心成分的性能及修復(fù)效果，試驗(yàn)將基準(zhǔn)砂漿抗?jié)B要求確定為0.4 MPa，并進(jìn)行系列試配，最終確定當(dāng)m（水泥）∶m（標(biāo)準(zhǔn)砂）=1∶3.5時(shí)，抗?jié)B壓力為0.3～0.4 MPa，滿足基準(zhǔn)砂漿的抗?jié)B要求。

2.1.2 防水砂漿試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上基準(zhǔn)砂漿比例，再摻加活性硅、膨脹劑、減水劑等核心成分（摻量按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)）進(jìn)行系列試驗(yàn)，配合比及性能測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 防水砂漿抗?jié)B性試驗(yàn)配合比及性能測(cè)試結(jié)果

由表1可見(jiàn)：

（1）在活性硅摻量為1.0%前提下，再設(shè)定1#、2#、3#試驗(yàn)在減水劑0.05%，膨脹劑在0.02%～0.04%變動(dòng)，此時(shí)砂漿的透水壓力比在125%～150%，抗壓強(qiáng)度為33.4～34.7 MPa，較基準(zhǔn)砂漿約有10%的增幅。4#、5#、6#試驗(yàn)在減水劑0.10%，膨脹劑在0.02%～0.04%變動(dòng)范圍下，此時(shí)砂漿的透水壓力比在150%～175%，抗壓強(qiáng)度為37.9～39.5 MPa，較基準(zhǔn)砂漿約有16%的增幅。對(duì)比1#、2#、3#、4#、5#、6#，在活性硅摻量1.0%下，砂漿抗?jié)B性能有25%～75%的提高，并且高效減水劑能提高砂漿的抗?jié)B性。

（2）在活性硅摻量為1.5%前提下，再設(shè)定11#、22#、33#試驗(yàn)在減水劑0.05%，膨脹劑在0.02%～0.04%變動(dòng)，此時(shí)砂漿的透水壓力比在175%～200%，抗壓強(qiáng)度為34.2～35.6 MPa，較基準(zhǔn)砂漿約有12%的增幅。44#、55#、66#試驗(yàn)在減水劑0.10%，膨脹劑在0.02%～0.04%范圍下，此時(shí)砂漿的透水壓力比在225%～250%，抗壓強(qiáng)度為38.4～42.2 MPa，較基準(zhǔn)砂漿約有16%的增幅，并且增幅變化不大。對(duì)比11#、22#、33#、44#、55#、66#，在活性硅摻量1.5%下，砂漿抗?jié)B性能有75%～150%的提高，并且高效減水劑能提高砂漿的抗?jié)B性。

（3）在活性硅摻量2.0%前提下，再設(shè)定111#、222#、333#試驗(yàn)在減水劑0.05%，膨脹劑在0.02%～0.04%變動(dòng)，此時(shí)砂漿的透水壓力比在250%～275%，抗壓強(qiáng)度為33.8～35.1 MPa，較基準(zhǔn)砂漿約有13%的增幅。444#、555#、666#試驗(yàn)在減水劑0.10%，膨脹劑在0.02%～0.04%范圍下，此時(shí)砂漿的透水壓力比在300%～350%，抗壓強(qiáng)度為38.6～41.8 MPa，較基準(zhǔn)砂漿約有18%的增幅。對(duì)比111#、222#、333#、444#、555#、666#，在活性硅摻量2.0%下，砂漿抗?jié)B性能有150%～275%的提高，并且高效減水劑能提高砂漿的抗?jié)B性。

由上述分析可以看出，活性硅摻量1.0%、1.5%、2.0%前提下，活性硅對(duì)砂漿抗?jié)B性能影響較大，其次是減水劑，膨脹劑的影響較小。當(dāng)活性硅摻量由1.0%增加到2.0%時(shí)，抗?jié)B壓力從0.6 MPa增加到1.3 MPa，而在活性硅摻量一定時(shí)，當(dāng)減水劑由0.05%增加到0.10%時(shí)，抗?jié)B壓力提高0.1～0.2 MPa。

減水劑對(duì)砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度有提高作用，抗壓、抗折強(qiáng)度較基準(zhǔn)砂漿分別提高12%～18%、15%～21%，拌合水的減少提高了砂漿的密實(shí)度，有利于抗?jié)B性和抗壓、抗折性能的提高。

66#和666#砂漿抗?jié)B試驗(yàn)劈開(kāi)照片如圖1所示（試驗(yàn)時(shí)間與基準(zhǔn)砂漿透水時(shí)間相同）。

圖1 66#、666#試驗(yàn)砂漿抗?jié)B劈開(kāi)照片

由圖1可見(jiàn)，添加核心成分對(duì)砂漿抗?jié)B效果的影響明顯，在基準(zhǔn)砂漿完全透水時(shí)，66#、666#砂漿試塊滲透高度為基準(zhǔn)砂漿的20%～30%。

2.1.3 防水砂漿的膨脹性能

砂漿混凝土的開(kāi)裂特性是其頑癥之一，包括塑性開(kāi)裂、溫度開(kāi)裂、應(yīng)力開(kāi)裂等，開(kāi)裂導(dǎo)致防水性、耐久性減弱或喪失。本研究中活性硅、膨脹劑、減水劑組成的核心成分對(duì)防治或修復(fù)混凝土開(kāi)裂有針對(duì)性。減水劑減少拌合水的用量，減少早期塑性收縮；膨脹劑參與早期砂漿混凝土水泥的水化進(jìn)程，一定幅度的膨脹防止塑性收縮開(kāi)裂；活性硅早期水化物填充水分揮發(fā)形成的空隙，密實(shí)混凝土，其次，后期在混凝土裂紋處有水分滲入時(shí)繼續(xù)水化，產(chǎn)生水化硅酸鈣凝膠，修補(bǔ)裂紋，提高抗?jié)B效果[3]。

研究測(cè)試了66#和666#核心成分對(duì)砂漿的膨脹效果。按照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行收縮試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 砂漿的收縮試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見(jiàn)，空白砂漿樣品1的7、14、28 d收縮值分別為0.16、0.14、0.13 mm，7 d到28 d收縮達(dá)到0.03 mm，并且7 d到14 d的收縮大于14 d到28 d的收縮，收縮趨緩，空白組樣品2、樣品3表現(xiàn)出同樣的結(jié)果。

66#砂漿樣品1的7、14、28 d收縮值分別為0.95、0.94、0.94 mm，7 d到28 d收縮為0.01 mm，并且14 d到28 d的收縮為0，說(shuō)明砂漿后期穩(wěn)定，樣品2、樣品3表現(xiàn)出同樣的結(jié)果。

666#砂漿樣品1的7、14、28 d的收縮值分別為0.74、0.73、0.73 mm，7 d到28 d收縮為0.01 mm，并且14 d到28 d的收縮為0，說(shuō)明砂漿后期穩(wěn)定，而樣品2、樣品3的7 d到28 d收縮無(wú)變化，總體情況與66#砂漿相近，分析認(rèn)為，主要是核心成分中膨脹劑起到的效果，在66#和666#砂漿中，膨脹劑摻量均為0.04%。

為了考察砂漿早期的體積變化，按照J(rèn)C/T 986—2018《水泥基灌漿材料》測(cè)試了標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)3 h以及3～24 h的收縮，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 砂漿的早期收縮的試驗(yàn)結(jié)果

由表3可見(jiàn)，空白砂漿收縮非常明顯，由于是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，環(huán)境相對(duì)濕度為50%～70%，水分蒸發(fā)較快，3 h內(nèi)收縮率0.2%左右，3～24 h收縮率達(dá)到1.4%左右。66#、666#砂漿內(nèi)因?yàn)閾?.04%高效膨脹劑，有微膨脹效果，3～24 h膨脹率在0.08%左右，對(duì)控制砂漿混凝土早期的塑性開(kāi)裂有益。

2.2 混凝土試驗(yàn)

按照砂漿試驗(yàn)情況，篩選了66#和666#中核心成分（見(jiàn)表1）繼續(xù)進(jìn)行了混凝土試驗(yàn)。

2.2.1 基準(zhǔn)混凝土

按照GB 18445—2012《水泥基滲透結(jié)晶型防水材料》要求，將基準(zhǔn)混凝土抗?jié)B要求確定為0.4 MPa，并進(jìn)行了系列試驗(yàn)，最終確定m（水泥）∶m（砂）∶m（石）=1∶2.5∶4.0。

2.2.2 自防水混凝土試驗(yàn)

（1）28 d抗?jié)B性能：按照GB 18445—2012試驗(yàn)方法進(jìn)行，在基準(zhǔn)混凝土中按照表1摻加66#和666#核心成分，測(cè)試混凝土28 d抗?jié)B性影響。

（2）56 d抗?jié)B性能

按照GB 18445—2012試驗(yàn)方法進(jìn)行，在28 d進(jìn)行第一次抗?jié)B試驗(yàn)基礎(chǔ)上，防水混凝土試件全部透水后，按標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行二次抗?jié)B試驗(yàn)，測(cè)試試件的自修復(fù)性。

抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 混凝土的抗?jié)B性能

由表4可見(jiàn)，摻66#與666#核心成分的混凝土抗?jié)B性差異明顯。66#與666#配比的差別為活性硅添加比例不同，66#活性硅摻量為1.5%，666#活性硅摻量為2.0%，666#活性硅摻量多，修復(fù)性能明顯提高，二次抗?jié)B后抗?jié)B壓力仍能達(dá)到0.9 MPa，防水效果顯著，這個(gè)結(jié)果也與上述砂漿的抗?jié)B結(jié)果相符，進(jìn)一步表明了混凝土抗?jié)B性能的提高主要依賴于活性硅成分。

（3）抗壓試驗(yàn)：考察了活性成分對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，并與基準(zhǔn)混凝土進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 混凝土的抗壓強(qiáng)度

由表5可見(jiàn)，摻加核心成分的自防水混凝土7、28 d抗壓強(qiáng)度較空白混凝土均有提高，分析認(rèn)為，主要源于高效減水劑和活性硅的作用。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，達(dá)到同樣的坍落度，摻加核心成分的自防水混凝土用水量只有基準(zhǔn)混凝土的80%～85%，其次，活性硅水化后生成的硅化物填充混凝土孔隙，使結(jié)構(gòu)更均勻和密實(shí)化，有利于提高混凝土的強(qiáng)度。

（4）滲透高度比：采用坍落度為（180±10）mm的混凝土測(cè)試，根據(jù)上述測(cè)試混凝土抗?jié)B性能，試驗(yàn)在0.4 MPa下進(jìn)行，以基準(zhǔn)混凝土壓穿透水時(shí)間（約4 h）作為摻66#和666#核心成分混凝土試驗(yàn)時(shí)間，試驗(yàn)后劈開(kāi)試件見(jiàn)圖2。

圖2 抗?jié)B試驗(yàn)劈開(kāi)試塊后的截面

由圖8可見(jiàn)，66#試件滲透高度比約30%，666#試件滲透高度比約20%，均達(dá)到JC/T 474—2008一等品要求。

3 配方確定

由上述砂漿、混凝土系統(tǒng)研究分析，確定了結(jié)構(gòu)自防水混凝土核心成分的組成如表6所示。

表6 自防水混凝土核心成分的配方

確定核心成分摻量為膠凝材料總質(zhì)量的1.58%～2.15%。

經(jīng)蘇州市建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心檢測(cè)，研制的核心成分按照膠凝材料質(zhì)量的2.0%摻加，配制的結(jié)構(gòu)自防水混凝土達(dá)到了JC/T 474—2008和GB 18445—2012要求（見(jiàn)表7）。

表7 混凝土抗?jié)B及自修復(fù)性能

4 結(jié)語(yǔ)

（1）研制了一種混凝土結(jié)構(gòu)自防水核心成分，主要由活性硅、高效膨脹劑、高效減水劑等成分組成。合理的復(fù)配技術(shù)，解決了自防水混凝土抗?jié)B性、抗開(kāi)裂性、修復(fù)性、耐久性等要求。高效膨脹劑使得混凝土早期具有微量膨脹效果，避免塑性開(kāi)裂；活性硅有利于后期混凝土裂紋的修復(fù)；高效減水劑有利于混凝土的自密實(shí)。

（2）與傳統(tǒng)防水劑不同的是，本研制的核心成分具有自修復(fù)效果，與滲透結(jié)晶型防水劑相比，核心成分具有微膨脹、適量減水等效果，在提高自防水的同時(shí)，有效地防止混凝土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂，符合結(jié)構(gòu)自防水的要求。

（3）在核心成分摻量為1.58%～2.15%時(shí)，自防水混凝土抗?jié)B壓力超過(guò)0.8 MPa，符合自防水混凝土抗?jié)B等級(jí)最低標(biāo)準(zhǔn)要求?；钚怨鑼?duì)混凝土抗?jié)B性能影響比減水劑、膨脹劑大，當(dāng)活性硅摻量由1.5%增加到2.0%時(shí)，抗?jié)B壓力從0.8 MPa提高到1.1 MPa，抗?jié)B壓力比分別為200%和275%，二次抗?jié)B壓力比分別為150%和225%。

（4）采用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)納米活性硅進(jìn)行表面處理，避免納米活性硅二次成團(tuán)，施工中按照一定比例量摻加核心成分，與混凝土攪拌均勻即可，使用方便。