水泥基渗透结晶型防水涂料的作用机理与应用

水泥基渗透结晶型防水涂料的作用机理与应用

张新庆1 ,赵长才2 ,王惠明2
(1.苏州市吴中区建设工程质量监督站,江苏苏州215128;2.苏州市建筑科学研究院有限公司,江苏苏州215004)

0 前言
水泥基渗透结晶型防水涂料主要由硅酸盐水泥、石英砂和多种特殊的活性化学物质组成l】-2],活性化学物质通常包括表面活性剂、络合催化剂以及与水泥水化物反应的活性成分等。目前,这种产品牌号众多,如法国的VANDEX(稳挡水)、加拿大的XYPEX(塞帕斯)、新加坡的FORMDEX(防挡水)、美国的PENETRON(膨内传)、法国的DIPSEC、澳大利亚的CRYSTAL、日本的PANDEX等。我国在20世纪80年代引进该产品,直至1994年,XYPEX(塞帕斯)率先在上海地铁工程、广州地铁一号线施工,并获得显著的防水效果,这种防水涂料才开始被人们慢慢认识和接受。20世纪90年代中期,该产品开始在中国投产,市场需求量也越来越大,国内自主研发该产品的单位也越来越多。截止2003年,国内设计年生产能力超过1万t,还有一部分代理美国、加拿大等国的产品。
这种防水材料施工灵活,可以直接掺入混凝土或水泥砂浆中搅拌均匀,然后施工;也可以均匀撒在刚浇注的混凝土或水泥砂浆表面,通过其特有的渗透能力防水。不过实际应用较多的还是以涂料的形式涂抹在混凝土或水泥砂浆表面,通过其中活性物质渗入基层并与基层水泥中的水化物发生化学反应形成不溶于水的结晶堵塞毛细孔,达到防水目的。特别是,这种防水材料具有二次抗渗能力,即当基层砂浆混凝土因过高水压或振动等因素产生毛细孔或细小裂纹后,渗入基层的活性化学物质能自动修复基体,使得基层具有二次抗渗作用。这种特点是当前别的建筑防水材料不具有的。它可广泛应用于地下工程、水利工程、地铁、桥梁等领域 。

1 水泥基渗透结晶型防水涂料作用机理
1.1 一次渗透结晶防水作用机理
一次渗透结晶可以分为3个过程:溶解、渗透和结晶。

1.1.1 溶解
当水泥基渗透结晶型防水涂料按要求与水混合后,其中的水泥、表面活性剂、络合催化剂、活性成分等迅速溶解于水。水泥中的C A、C F、C s等首先开始水化,释放出Ca +等离子,液相呈强碱性问;表面活性剂溶解于水后将涂料的表面张力降得足够低;络合催化剂开始络合Ca 成真溶液,即所谓的钙错体;活性成分在涂料体系中呈无粘性的类似胶体形态。

1.1.2 渗透
活性物质向基层混凝土渗透的前提是基层混凝土要充分润湿。当防水涂料涂覆在充分润湿的混凝土表面后,涂层中的表面活性剂迅速渗入混凝土表层毛细孔,降低了毛细孔中水的表面张力。随着涂层中水向基层渗透,涂层中的络合催化剂、胶体形态的活性成分也向基层毛细孔中渗透。络合催化剂在渗透过程中,结合了部分毛细孔中的Ca2+,从而避免了C与毛细孔中残余的微量的sio 过早反应,堵塞毛细孔。

1.1.3 结晶
渗入毛细孔中的活性成分在强碱性环境中发生水化反应,结合了Ca2+的络合催化剂利用其配位空间中心、电子效应,降低水化活性成分与Ca 反应的活化能,促使不溶性结晶体的生成。其次,水化活性成分能够发生自身的缩聚反应,产生憎水性的白色结晶物质。另外,络合催化剂激发毛细孔壁未水化的c2 s等水泥熟料继续水化,产生水化CaSiO3 等不溶性结晶体。不溶性结晶体的生成,密实了基层混凝土,阻塞了渗水的通道,从而基层混凝土表现出优异的抗渗性能。

1.2 二次渗透结晶防水作用机理
二次渗透结晶是出现在一次渗透结晶防水失效后发生的物理和化学过程。也可分为3个过程:扩散、富集和结晶。

1.2.1 扩散
实际上渗入混凝土毛细孔中的活性物质,经过一段时间的反应后,反应物和生成物问达到一个动态平衡状态,反应趋向平衡。但是一旦混凝土由于水压过高被击穿或别的原因出现细小裂缝,水将由此通过,而水通过的地方活性物质被水冲洗,浓度接近于零,混凝土中活性物质以前分布均匀的状况被打破,分布不均使得活性物质再次由高浓度的区域向浓度接近于零的区域(被击穿的细小裂缝)扩散。这种扩散包括混凝土内部的扩散和表层活性物向混凝土内部的扩散。

1.2.2 富集
富集是扩散的结果,是微观物质由高浓度区域向低浓度区域迁移在宏观上的表现。当混凝土被击穿或出现细小裂缝后,基层中的活性物质(包括活性成分、络合催化剂、表面活性剂等)富集在此区域。由于富集作用,提供了活性物质继续反应的化学动力作用,为再次生成不溶性结晶提供了条件。

1.2.3 结晶
结晶又是富集作用的结果,由于富集作用提供了化学动力作用,在络合催化剂等活性剂的作用下,在被击穿或出现细小裂缝的地方生成不溶性结晶体。同时未水化水泥熟料也被激发水化,产生水化CaSi03。等不溶性结晶体问。这些晶体再次修复产生的漏水通道,即所谓的自动修复功能。

2 应用研究
由于水泥基渗透结晶型防水涂料需要有水才能渗透并结晶,在干燥的环境中,活性物质处于休眠状态。因此,这类防水涂料最适合长期潮湿的环境,如:工业与民用建筑的地下结构、地下铁道、饮用水厂、水电站、核电站、水利工程等。为更好地服务于建筑防水工程,对这类防水涂料作应用性试验是必要的。

2、1 水灰比及后期养护对防水涂层的影响
这里所说自勺“灰,指水泥基渗透结晶型防水涂料。水灰比对防水涂层的影响是显而易见的。施工中应严格按照产品说明书规定的水灰比进行配料,批刮与辊涂的用水量通常不一样。水灰比过小时,施工困难,活性物质不能充分溶解,影响渗透及抗渗效果;水灰比过大时,虽然有利于滑I生物质的溶解、渗透,但易造成涂层强度小,脱壳等不良现象,给后续施工带来困难。后期养护对涂层强度及抗渗性能十分关键。由于涂层薄,水分容易散失,造成涂层强度发展缓慢,易起灰,其次水分的散失导致活性物质不能充分渗透。因此,实际施工中,要注重后期的涂层养护。后期养护宜以喷洒涂层潮湿为准,过分的撒水会造成涂层粘结力下降。

2:2 基层湿度对抗渗压力的影响
基层的湿度对抗渗压力有重大影响,这是由水泥基渗透结晶型防水涂料防水作用机理决定的。我们作了对比试验:选取6个基准混凝土试件,其中2个为干燥,2个在其表面充分润湿,2个在水中浸泡3 d后拿出擦干表面的水。按照产品说明书规定的水灰比配制涂料并在每个试件表面以1.2 kg/m2涂刷,然后将6个试件放在90%湿度的养护室养护28 d后进行测试,结果见表1。

由表l可见,基层湿度直接影响试件的抗渗性能。若扣除涂层的抗渗作用,干燥试件几乎没有活性物质的渗透结晶,导致试件抗渗压力小;润湿试件由于在涂刷防水涂料时表层充分润湿,表层毛细孔中充满水,有利于涂层中活性物一定深度的渗入,但随着表层水向下继续润湿,毛细孔变得干燥,影响了活性物的进一步渗透,所以涂层防水作用没有得到充分发挥;浸泡试件由于经过3 d的浸泡,试件内毛细孔充满水,又因试件是放在90%湿度的养护室养护,水分难以散发,这样有利于涂层活性物质最大程度地渗透结晶,在宏观上表现为试件抗渗压力较高。

2-3 防水涂料用量对抗渗压力的影响(见表2)

由表2可见,随着防水涂料用量的增加,抗渗压力呈增长之势。说明随着用量的增加,有更多的活性物质渗入基层并产生结晶。不过当用料量超过1.8 kg/m2后,增加趋势变弱,可能是涂层中有效成分不能全部渗入的原因。但是,随着用料量的增加,二次抗渗与一次抗渗的压力差值变小,说明试件一次抗渗被击穿后,养护过程中,一方面涂层中未渗入的活性成分继续渗入,另一方面一次抗渗前渗入较多的活性物给试件的自愈合提供了足够的条件。

2.4 迎水面防水和背水面防水对抗渗压力的影响
在工程防水中,常常遇到水泥基渗透结晶型防水涂料到底是用在迎水面防水效果好,还是用在背水面防水效果好的问题。许多资料宣传水泥基渗透结晶型防水涂料用在背水面防水的好处,例如:满足抗渗要求,降低地下结构施工的工期、造价、风险,施工方便等。诚然,这种宣传是建立在这款防水涂料的作用机理上,并突出其优势,即一般防水涂料、防水卷材等在背水面难以起到防水作用,而水泥基渗透结晶型防水涂料则可以。不过,试验表明,水泥基渗透结晶型防水涂料迎水面防水和背水面防水单从抗渗性能角度看是有区别的。我们做了6个基准混凝土试件,其中3个试件迎水面充分润湿,另外3个试件背水面充分润湿。然后按照1.2 kg/mz用料量涂刷,移入90%湿度的养护室养护28 d,测试的抗渗压力如表3。

由表3可见,迎水面防水和背水面防水对抗渗压力有差异。实际施工中,在混凝土迎水面涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料后,会在混凝土外表面形成一道致密的、抗腐蚀和耐高水压屏障,有效改善外表层混凝土的抗渗性和耐久性,保护混凝土结构免遭浸蚀破坏。所以只要条件具备,尽量在迎水面施工。

2.5 涂刷施工与干撒施工对抗渗压力的影响
涂刷施工指基层混凝土干固后再在其表面涂刷防水材料的施工方式。干撒施工指现浇混凝土未完全干固前(初凝)直接在其表面均匀抛洒防水材料的施工方式。干撒施工简单,进度快,防水材料与基层粘结牢固,不起鼓、脱壳,不过要求掌握好混凝土的干固程度,要求抛撒均匀并压实;涂刷施工工期相对较长,且配料时要求严格,注意养护。我们模仿实际施工,采用涂刷法和干撒法,对混凝土的28 d抗渗性能作了对比测试,结果见表4。

表4表明,涂刷施工与干撒施工对基层混凝土抗渗压力有区别。干撒施工较涂刷施工对混凝土抗渗压力贡献大。这可能是干撒施工时,基层混凝土内部水分充足,有利于涂层中活性物质的渗透。

3 结语
(1)通过对水泥基渗透结晶型防水涂料的一次及二次防水作用机理分析,一次防水作用机理分为溶解、渗透、结晶3个过程,二次防水作用机理分为扩散、富集、结晶3个过程。
(2)在配制水泥基渗透结晶型防水涂料时要严格控制水灰比,水灰比过大或过小均对涂料的整体防水性能不利。
(3)施工前须对基层作充分润湿,以利于活I生物质的渗入。
(4)防水涂料用量对基层的抗渗性能有影响,抗渗压力随用量的增加而增大。
(5)在条件允许的情况下,尽可能选用迎水面防水。迎水面防水既能提高基层的抗渗压力,又能改善基层混凝土耐久性。
(6)在混凝土处于初凝阶段,采用均匀地干撒水泥基渗透结晶型防水涂料施工对基层混凝土的抗渗更有利。此外干撒施工可避免涂层产生起鼓、脱壳等不良现象。

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