新型防水材料的应用和传统防水设计理念的更新

近几年来,随着新型防水材料的大量推广应用,尤其是通过对聚合物水泥防水涂料和水泥基渗透结晶型防水材料等新材料的工程设计和应用实践,促使我们以全新的角度对原有的柔性和刚性防水体系的设计理念,以及技术特性和优、缺点进行了总体分析和研究,指出了传统防水体系设计方面存在的一些误区和缺陷,并提出了以“刚性为主,柔性为辅”的防水结构体系设计的新理念。新设计理念根据目前防水新材料、新技术方面的应用效果和实践经验,提出了一些与材料特性相关的防水结构体系设计新观点、新方案和使用时应注意的问题,并指出应打破传统的“一刚一柔”的保守防水理念,大胆选用与混凝土或水泥砂浆基层粘结牢固的不会引起结合层窜水的刚性或刚柔性的防水结构体系和具有自修复功能的新型防水材料。当前的关键问题是设计、建设、施工和监理单位的工程技术人员能否及时更新观念,淘汰落后的防水材料和防水结构体系的设计方案,科学、大胆、积极地采用国家相关标准和规范所推荐的具有综合技术经济效益、绿色环保和节约资源、能源的防水结构体系设计新方案、新材料、新技术。

1 新型防水材料的发展与应用及防水新理论的建立
1.1 防水材料的防水机理及适用条件
两类新型防水材料的共性都是无毒、无公害、环保,均属于节约型材料,其防水性能优越,特别适用于在混凝土和水泥砂浆基面上使用。它们在施工或使用过程中都能向基层混凝土或水泥砂浆内部渗透,堵塞毛细孔和孔隙结构,并能与基层共同工作,从而使混凝土和水泥砂浆表面或内部变得更加致密、防水i施工时都能直接在潮湿的基面上作业,施工工艺简单方便,且后续使用维护方法简单、费用低廉;防水年限基本与混凝土结构同寿命,并且还具有保护和增加混凝土强度和耐久性,延缓混凝土的腐蚀和碳化过程,防止钢筋锈蚀等综合作用。各类新型防水材料由于其防水机理各不相同,且适用条件又不太一致,因此,必须针对新材料各自的特点及每个工程施工现场的实际情况,科学合理地设计、施工和使用:否则,其防水效果和使用寿命会受到较大影响。防水结构体系根据其设计方案和所用材料的不同,可分为刚性和柔性两大防水结构体系。

1.2 刚性防水体系及材料
1)刚性防水体系的防水机理刚性防水体系的防水机理,主要是通过封闭混凝土和水泥砂浆基层内部的毛细孔和缺陷等连通的孔隙结构,来达到防水的目的。根据所用材料的不同,封闭微孔的方式也不同:其一,是利用外加剂和防水涂料自身的添加剂(如防水剂、自闭树脂内的高铝水泥及水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质)在水的作用下,与未水化水泥颗粒所形成的不溶于水的凝胶体填充混凝土的孔隙结构或微裂缝。其二,是利用外加剂(如膨胀剂)或膨胀水泥中的无机膨胀结晶组分,填充水泥石水化硬化初期的孔隙结构,来提高混凝土内部的密实度,堵塞透水通道,形成自防水能力。其三,是利用高分子聚合物(如聚合物混凝土和聚合物水泥防水砂浆、聚合物乳液防水涂料和聚合物水泥防水涂料、PARATEX 自闭型树脂中的改性EVA乳液)渗透和填充到水泥石的孔隙结构中,直接封闭混凝土和水泥砂浆中的微孔透水通道,来达到自防水的效果。
2)刚性防水材料的特点和种类
刚性防水材料主要是指将防水材料掺入混凝土和水泥砂浆中,或将其配成浆料涂刷(抹)或渗透于混凝土或水泥砂浆表面, 与其共同组成刚性自防水结构体系的材料。主要包括:
① 混凝土、砂浆的外加剂,如各种混凝土、砂浆的防水剂、膨胀剂、引气剂和减水剂等,完全刚性:② 水溶性或水乳性高分子聚合物树脂,如改性乙烯一醋酸乙烯乳液EVA、丙烯酸酯、聚氨酯、可分散乳胶粉、硅橡胶和环氧树脂等,刚柔可调;③ 水泥基防水材料,如防水宝、确保时和水不漏等,完全刚性;④ 水泥基渗透结晶型防水材料(CCCW ),如加拿大进口的赛柏斯(XYPEX)和嘉美斯(Cadmax)等,完全刚性,并有自修复混凝土微裂缝的功能;⑤ 日本大关的PARATEX 自闭型树脂,刚柔可调,且有自修复混凝土微裂缝的功能。该产品综合了防水材料中刚、柔的特性和自修复能力等特点于一体,是目前功能较为全面的防水材料。
3)刚性防水体系的优缺点
刚性防水体系的优点是在建筑结构实体的混凝土或水泥砂浆内部形成了自身整体的防水能力,从混凝土或砂浆材料本身的微观结构上看, 处处都形成可靠的防水屏障。只有当混凝土或水泥砂浆材料本身因内部存在缺陷,或因温度、干湿和应力变化引起宏观变形裂缝,或基础不均匀沉降等原因产生贯穿裂缝时,才可能发生渗漏。所以,刚性防水体系的整体防水功能是非常可靠的。刚性防水体系的缺点是不能适应应力变形所引起的混凝土或水泥砂浆的开裂。但对刚性防水体系而言,即使发生上述裂缝引起的渗漏,要进行检查、修复和堵漏处理也是非常简单和有效的,且综合费用也较低。通常情况下,对刚性防水体系的裂缝采用综合堵漏的处理方法。

1_3 柔性防水体系及材料
1)柔性防水体系的防水机理
柔性防水体系的防水机理是通过在建筑物表面所形成的防水隔膜来阻挡水的渗透。施工时,防水隔膜可以与建筑物表面粘贴在一起(如满铺防水卷材和涂刷防水涂膜),也可以不与建筑物表面粘接(如空铺防水卷材)。
2)柔性防水材料的特点和种类
柔性防水材料主要是指能在建筑物表面形成一层或多层防水膜,并有一定的变形(弯曲和延伸)能力的高分子或合成高分子材料。主要包括:① 以石油沥青为基材的各种油毡、改性沥青防水卷材和改性沥青防水涂料等;② 合成高分子材料,如橡胶类(聚氨酯、三元乙丙和丁基橡胶等)、塑料类(聚乙烯、聚氯乙烯和氯化聚乙烯等)和橡塑共混类的防水卷材:③ 合成高分子(聚氨酯、硅橡胶、丙烯酸酯)防水涂料等。
3)柔性防水体系和材料的主要优缺点
柔性防水体系的优点仅是防水卷材空铺时不怕任何结构裂缝的产生。满铺时防水卷材的延伸率对基层产生的微裂缝稍有调整作用,但对在约束条件(如有保护层时)下的柔性防水卷材,由结构变形所引起的基层宏观裂缝则基本无法调整。此时,防水卷材会被基层的裂缝直接拉裂或拉断,导致整个防水层的削弱与破坏。柔性防水体系的缺点是:无论防水卷材是空铺还是满铺,一旦某一处损坏,则整个防水体系就被破坏了(不包括与基层粘接良好的聚合物防水涂膜)。另外,防水膜层内外的结构构造不连续,会影响房屋结构的整体性,还容易产生层间结构隐患(如饰面层的开裂与脱落等)。其缺点概括起来有以下几点:
一是大部分有机防水材料(改性沥青、聚氨酯和橡塑材料等)使用寿命较短,易老化。自然界的温度变化、雨雪、大气和酸碱的作用、阳光的照射,均能使其防水性能产生劣化现象,因此设计时还要考虑增加防护措施:部分材料(如沥青、聚氨酯等)含有易燃和有毒有害物质, 不适合在居室内或施工存在发生火灾或人身损害等环境和安全隐患的条件下使用。
二是大部分满铺的柔性防水卷材对施工现场条件的要求比较苛刻,如施工时基层的表面强度和含水率、卷材之间的搭接和与基层的粘接方法、铺贴时与基层的粘接强度和空鼓率、基层的水汽排放措施等要求均较高。因此,在施工时质量不易保证,且很难满足施工技术和验收规范的要求。这也是柔性防水体系防水功能容易失效的主要原因之一。
三是防水层一旦渗漏,防水卷材(如改性沥青和橡塑类的防水卷材)与基层(如有些地区的混凝土中是花岗岩石子和石英砂,呈弱酸性)的粘结力极弱(分子间力相斥),会引起整个防水层与基层的结合处分离,并导致层间窜水现象的发生,从而使整个防水体系的防水功能完全失效,甚至全面崩溃。另外,整个防水体系的渗漏点和原因很难排查,修复工作也比较困难和复杂。一般的修复方法是废弃原有的防水层体系,重新再做一遍结构防水(有些屋面还要重做保温层), 因此对于屋面和地下防水工程来说,后续维修费用比较大。
四是柔性防水材料所谓的柔性是十分有限的,尤其是对那些与基层粘结良好的高分子类防水卷材和防水涂料,虽然其有较好的延伸率或弹性,但其在约束条件下调整基层裂缝的能力有限,解决不了大部分宏观裂缝的漏水问题,防水的实际效果与刚性防水结构体系基本相当。

1.4 目前柔性防水体系在设计上的误区和缺陷
由于观念更新速度慢,传统的防水设计方案“以柔为主,以刚为辅”的观点目前还在许多设计、施工技术人员的认识中占主导地位。在实际施工过程中,柔性防水卷材的外防水层很容易因各种原因(施工过程或变形)而导致损坏,从而引起防水结构层问的渗漏窜水现象,进而导致地下自防水混凝土或屋面混凝土结构的薄弱环节渗漏。目前传统防水设计方案失败率较高(尤其是地下防水和屋面防水工程)和维修困难的问题,一直困扰着设计和施工技术人员。其主要误区和缺陷是:传统防水结构设计所选用的柔性防水层的施q-,n使用可靠性太低,而有些地区地下防水工程又错误地选用膨胀剂来配制自防水混凝土,屋面工程也错误地选用高吸水性保温材料来做保温层。因此,一旦柔性防水卷材被破坏,地下的混凝土又不耐软水侵蚀,屋面的保温层又吸饱水分很难排出,便会使渗漏治理和修复变得十分复杂和困难。具体情况和原因分析如下:
误区一:部分设计人员错误地认为,柔性防水卷材通过其所具有的延伸特性,有调整混凝土或水泥砂浆基层裂缝的能力。
实践证明,柔性防水卷材在有约束力(如保护层)作用时,基本不具备调整基层宏观开裂的能力。此时,柔性防水卷材在裂缝处将承受较大的拉应力,在材料发生徐变的情况下,防水膜层立即会被削弱或被直接拉断。如果此时再有压力水侵入,则卷材与混凝土基层的粘结面立即会被削弱或破坏,并发生防水层与基层问的窜水现象,从而导致整个柔性防水体系的防水功能失效。
误区二:部分设计人员采用混凝土膨胀剂而不是防水剂来配制自防水混凝土,并错误地认为膨胀剂可提高混凝土的密实度,从而达到防水的目的。
实践证明,用膨胀剂配制的自防水混凝土的防水功能是十分不可靠的。因为膨胀剂与水泥反应生成的膨胀组分是含有32个结晶水的钙矾石晶体,它只有在氢氧化钙饱和溶液的弱碱性条件下才是稳定结构⋯。根据水泥的凝结硬化理论,钙矾石属粗大型结晶矿物,是一种初级水化产物。在自然状态下,随着水泥石的水化硬化,尤其是在混凝土碳化失水和中性化的过程中(包括软水侵蚀条件),钙钒石还会继续转化为最终产物3CaO·A12O3·CaSO4·12H201 。此时,由于钙矾石失去一部分结晶水,新生成的结晶产物体积会收缩,致使混凝土内部的孔隙率提高,强度下降 ,耐久性(尤其是抗渗性、抗冻性和耐侵蚀性)大大降低。根据研究,掺有钙矾石类膨胀剂的混凝土,只有长期在封闭的弱碱性潮湿环境条件下,才能保持其体积的稳定性而不收缩。但干燥条件、混凝土的碳化、以及软水的侵蚀均能引发其后期的体积收缩,从而导致混凝土孔隙率的增加和强度的降低。此时如继续有渗透压力下流动的软水侵蚀,则会加速混凝土的渗漏破坏进程【 。近年来,在部分地下有软水的地区,使用这类混凝土膨胀剂所做的自防水混凝土工程,渗漏情况严重,就证明了这一点。
误区三:屋面保温系统设计采用高吸水性保温材料。
实践证明,珍珠岩水泥砂浆等高吸水性材料是不适宜做屋面保温层的。屋面防水体系一旦破坏,保温层就吸饱了水分,而且很难排出,屋面保温功能丧失殆尽。由于屋面导热系数呈几十倍(常温),甚至上百倍(负温下)的增加,使得屋面混凝土结构伸缩变形剧烈,再加上保温层内夏季产生的水蒸气压力和冬季的冻胀压力,使得防水层处于极其恶劣的周期性破坏环境之中,因此防水维修处理十分困难。如要彻底解决渗漏问题,只有彻底清除原有防水和保温体系。这样施工不仅非常麻烦,而且费用也很昂贵。
误区四:传统防水结构体系(防水层与其他结构层之间的位置)的设计不尽科学合理。
实践证明,把柔性防水卷材设计在结构变形和承受荷载较大的位置是极不明智的,如大型公共建筑的地下室及其平屋面的表层等。这些部位在施工或使用过程中属于变形和受力较大或不稳定区域,因此极易导致柔性防水膜层的破坏,使其防水功能失效。试验也表明,高层建筑的地下室底板下铺设的柔性防水卷材,在建筑物自身结构荷载的重压之下,是无法保证其防水膜层的完整性而不被破坏的。

I.5 刚性防水结构体系设计的新理念
目前国内防水结构设计理念已逐渐转变为“以刚为主,以柔为辅”的新理念。刚性防水体系的特点是着重于结构本身的、整体性的、基础的,甚至是微观结构部分的防水理念,并用堵漏技术作为配套手段,来完善其防水体系。以刚性防水体系为主的设计新理念的建立,是以近年来的工程实践作为依据的。与柔性防水体系相比较,刚性防水体系具有结构体系设计简洁,使用材料绿色环保,施工操作简单方便,防水功能稳定可靠,后续维护费用低廉的绝对优势。其一次性投资可能比低档柔性防水材料体系略高,但该体系具有防水性能可靠性高,使用寿命长(其中无机材料无老化问题),且施工费用较低的特点,其综合造价和使用维护费用实际低于传统柔性防水体系的水平。只要适用条件符合要求,该防水体系应为设计人员的首选体系。
1.6 新设计理念关于防水和保温材料选用的讨论
1)新的防水结构体系设计理论在选用防水材料时,只要条件允许,首先考虑选择刚性或刚柔性防水方案及其材料。其优点是这些材料具有渗透性,与基层结合力好,不会引起结合层间窜水问题,从而会大大降低防水层渗漏的风险。
2)刚性或刚柔性防水材料中,水泥基渗透结晶型防水材料、聚合物水泥防水涂料和聚合物水泥防水砂浆等,由于其具有可渗透到混凝土基层并与其共同工作的特性,在防水设计时可基本不考虑防水层的保护和老化问题,尤其是在做背水面防水时,它们与结构基层混凝土或水泥砂浆的使用寿命基本相同。
3)屋面保温层设计时,材料选择的基本原则是:不吸水或憎水、表观密度和导热系数低、比热高、耐久性好。原有传统珍珠岩水泥砂浆和炉渣混凝土等高吸水性保温材料应坚决予以淘汰。
4)目前可选择的主要防水结构体系的保温材料有:聚乙烯发泡挤塑板、聚苯乙烯发泡模塑板、轻质加气混凝土板、发泡聚氨酯板材等,或现场发泡硬泡聚氨酯和发泡水泥、泡沫混凝土、陶粒混凝土等。其中,现场发泡聚氨酯保温层具有保温和防水的双重功能(见《硬泡聚氯酯保温防水工程技术规范》GB 50404-2007)。

1.7 关于自防水混凝土所用外加剂的讨论
1)在设计自防水混凝土时,应优先考虑使用混凝土防水剂而非膨胀剂。因为防水剂在混凝土中产生的是凝胶体,其防水效果是持久可靠的:而膨胀剂产生的结晶体是相对不稳定的,用其防水的条件也是有限的,且风险很大,尤其是在混凝土的耐久性方面是十分不利的 。
2)虽然膨胀剂生成的水化硫铝酸钙(钙矾石)在混凝土凝结硬化过程中的微膨胀性能起着提高混凝土早期强度和密实度、补偿混凝土收缩的作用,但由于其晶体结构的不稳定性,在国际学术界却被公认为是危害混凝土耐久性的有害组分(水泥杆菌)。因此,露天的、有耐久性要求、有冻融破坏和软水侵蚀可能的结构混凝土,均应避免使用普通混凝土膨胀剂。
3)若设计时须考虑控制混凝土的硬化收缩问题(如后浇带),最好的办法是采用复合防水剂方案。通常是将混凝土防水剂与一些新型低碱高效膨胀剂复合使用,或是用高分子聚合物、水泥基渗透结晶型防水材料与低碱高效膨胀剂复合使用,使其能发挥各自的优势,避免单独使用混凝土膨胀剂易造成的缺陷。
4)对自防水混凝土工程的附加外防水层设计,应打破传统“一刚一柔”的保守防水设计理念,大胆选用与混凝土粘结好、不会引起结合层窜水的刚性或刚柔性(如水泥基渗透结晶型防水材料、聚合物水泥防水涂料和聚合物水泥防水砂浆等)防水材料。这样即使个别点(如结构变形引起的开裂等)防水层破坏,也不会引起大面积渗漏,堵漏和维修费用也较低【 。通过采用PARATEX自闭型树脂、加拿大的赛柏斯(XYPEX)或嘉美斯(Cadmax)、以及聚合物水泥防水(掺可分散乳胶粉和水泥基渗透结晶型防水剂)砂浆和聚合物水泥防水涂料的内、外防水方案的工程实践,表明其系统整体防水效果非常好。

2 两类具有自闭功能防水材料的特点和应用
2.1 聚合物水泥防水涂料
聚合物水泥防水涂料属于渗透型防水涂料。它是一种通过涂刷于混凝土或水泥砂浆表面,利用水性高分子聚合物的浸透和填充作用,渗透到混凝土和砂浆表层内部的孔隙结构中,并在表面形成防水涂膜的涂料。它可通过直接封闭混凝土和砂浆中的透水通道,达到与基层共同防水的效果。使用该材料的防水结构体系设计简捷可靠,施工技术简便,可直接在潮湿基面上施工:所形成的防水涂层能渗透到基层混凝土或砂浆中约l~2mm,与基层粘结强度高,可共同形成可靠的防水层,并适宜做背水面防水;涂层成膜后还具有单向透气功能。该防水涂膜耐久性好,有保护层时基本上与混凝土基层的寿命相同i防水涂层使用维修简便,后续的维护费用低廉。该防水涂料中的新品种,日本大关的PARATEX自闭型树脂,是目前国内市场已成功应用的有修复混凝土基层微裂缝功能的新型防水材料。它采用改性EVA乳液与高铝水泥等无机材料配合而成,设计及应用与聚合物水泥防水涂料性能基本相近。它的防水功能由两部分组成,先由聚合物树脂封闭混凝土和水泥砂浆基层,形成防水涂膜:若基层开裂发生渗漏时,再由涂膜中的高铝水泥和硅砂等填料在水作用下与混凝土中未水化的水泥成分反应,生成胶凝物质,通过渗透结晶方式,封闭混凝土和砂浆内部的微裂缝和透水通道。该材料集合了聚合物防水涂料渗透封闭混凝土基层和无机胶凝材料自修复混凝土裂缝两种功能于一身。
2.2 水泥基渗透结晶型防水材料
水泥基渗透结晶型防水材料是以硅酸盐水泥、石英砂等为基材,掺入特殊的活性化学物质母料混合配制成的粉状材料。其防水机理是通过涂刷于基层混凝土或水泥砂浆表面涂层中的活性化学物质,以水为载体,渗透到基层的水泥石中,利用其激发作用与未水化的水泥颗粒加速反应,形成大量的不溶于水的水化硅酸钙凝胶,并作用于其内部,形成微结晶体填塞毛细孔,封闭透水通道,从而使基层混凝土或水泥砂浆致密、防水。因此,对混凝土中的小于0.4mm的微裂缝具有自我修复的能力。
2.3 两种产品应用时应注意的事项
1)无论是聚合物水泥防水涂料,还是水泥基渗透结晶型防水材料,在施工时对与涂层接触的基层混凝土或砂浆所使用的水泥,最好是硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥(尽可能少掺火山灰或粉煤灰),以防基层表面因水泥的碳化、粉化使表面强度过低,影响涂层和涂膜的粘结强度和自闭作用。
2)要合理使用PARATEX系列自闭型树脂防水涂膜,充分发挥其作用和技术经济效益,就应特别关注其与基层混凝土相互作用和影响的问题,设计时必须使其在混凝土基层面上牢固结合,因此,在屋面设计时多采用倒置方案(在保温层与基层之间),以避免设计和使用不当所产生的问题。施工时,根据配方和工法不同可采用刷涂、滚涂、刮涂和抹涂等多种方法,对于变形较大和需要加强的部位,可加铺一层无纺布或无碱玻璃纤维网格布,以增强涂膜的拉伸性能。
3)水泥基渗透结晶型防水材料是一种新型防水材料。目前工程上设计使用的大多是防水功能可靠稳定的进口产品,如加拿大的赛柏斯(XYPEX)和嘉美斯(Cadmax)等。按照使用方法该材料可分为:防水涂料(浓缩剂)和防水剂(掺合剂)及其配套的堵漏剂。浓缩剂用于涂覆在混凝土表面;掺合剂掺入到混凝土或防水砂浆中使用;堵漏剂是上述两种材料使用时配合整个刚性防水体系进行堵漏处理时用的配套材料。目前水泥基渗透结晶型防水涂料的施工方法主要有刮涂法、刷涂法、喷涂法和干撤法等几种。施工时混凝土基层必须清理干净并进行湿润,也可直接撒布在现浇混凝土垫层或未硬化的混凝土表面。

3 结 语
总之,由于新型防水材料的应用,使我们能从一个全新的角度去研究和解决传统防水设计理论和材料选用方面存在的误区和问题。通过研究和实践,指出了防水设计应打破传统的必须遵循“一刚一柔”的保守思想,并提出了防水体系设计应以“刚性为主,柔性为辅”的新理念。随着社会和技术的进步, 以及防水体系设计新观念的普及,相信我们今后一定能设计出更多的既不漏又好用、既省钱又简单的防水体系的工程。

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