水基渗透型无机防水剂试验应用研究.docx

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水基渗透型无机防水剂试验应用研究

水基渗透型无机防水剂试验应用研究

摘要

建筑工程结构的渗漏是长期以来困扰建筑行业的一个难题，高效防水性能的防水材料研制是科研人员多年来研究的重要课题。

而水性渗透型无机防水剂是一种防水性能优越、施工简便、具有再生防水功能的环保型防水材料。

本课题依据JC/T1018-2006《水性渗透型无机防水剂》国家标准进行水性渗透型无机防水剂的配制、性能检测和机理研究。

试验结果表明，水性渗透型无机防水剂的活性物质能够随防水剂渗入到混凝土裂缝中，与混凝土内部的Ca（OH）2和f-CaO直接发生反应，生成不溶于水的枝蔓状结晶体添堵裂缝，阻碍混凝土表面自由水渗入混凝土中，起到防水、防渗漏的作用。

活性物质与Ca（OH）2的反应可以减少混凝土中Ca（OH）2的含量，减少Ca（OH）2的溶出，从而提高混凝土的强度和耐久性能。

该水性渗透型无机防水剂的外观性能、PH值、密度、凝胶化时间和抗渗性能均达到国家标准。

防水剂最佳配合比为：

水玻璃70%、明矾1.2%、柠檬酸钠0.03%、去离子水28.77%。

关键词：

水性渗透型无机防水剂、渗透、结晶

Abstract

Theleakageofstructuralbuildingworkshaslongbeenaproblemintheconstructionindustry,researchonwaterproofmaterialswithhighwaterresistancehasalwaysbeenanimportantresearchsubject.Waterbasedcapillaryinorganicwaterprooferisgreenwaterproofmaterial,withsuperiorpeformance,simpleconstruction,andrecycledwaterresistancefeatures.ThetopicbasedonJC/T1018-2006"Waterbasedcapillaryinorganicwaterproofer"nationalstandardstoexplorethepreparation,performancemeasurementandmechanismofwaterbasedcapillaryinorganicwaterproofer.

Theresultsshowthattheactivesubstancesofwaterbasedcapillaryinorganicwaterproofercaninfiltrateintotheconcretecracks,anddirectlyreactwithCa（OH）2andf-CaOwhichinconcreteinternaltoproduceinsolubledendrite-likecrystalstoblockcrack,hinderthefreewateratthesurfacepenetratingtheconcrete,playaroleaswaterproofing,anti-leakaging.ActivesubstancesreactwithCa（OH）2canreducethecontentanddissolutionofCa（OH）2inconcrete,therebyenhancingthestrengthanddurabilityofconcrete.Theappearenceproperties,PHvalue,density,geltimeandimpermeabilityofwaterbasedcapillaryinorganicwaterproofermeetthenationalstandard.Optimummixforthewaterproof:

sodiumsilicate70%,alum1.2%,sodiumcitrate0.03%,deionizedwater28.77%.

Keywords:

waterbasedcapillaryinorganicwaterproofer,penetration,crystallization

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第1章绪论1

1.1引言1

1.2混凝土渗漏原因1

1.3解决措施3

1.4国内外常用建筑防水材料4

1.4.1混凝土防水剂4

1.4.2防水卷材4

1.4.3防水涂料5

1.4.4密封材料5

1.4.5刚性防水材料6

1.5水性渗透型无机防水材料7

1.6研究本课题的目的和意义8

第2章试验原料及方法9

2.1试验原料9

2.1.1水玻璃9

2.1.2明矾10

2.1.3氢氧化钠10

2.1.4柠檬酸钠10

2.1.5去离子水11

2.2试验仪器11

2.3试验技术路线11

2.4试验流程11

2.5试验方案12

2.5.1水性渗透型无机防水剂的配制12

2.5.2水性渗透型无机防水剂性能检测12

第3章试验研究15

3.1活性物质选取15

3.1.1活性物质的制备15

3.1.2活性物质选取15

3.1.3结论分析16

3.2试配试验17

3.2.1性能检测17

3.2.2结果分析18

3.2.3结论19

3.3正交设计试验19

3.3.1抗渗试验20

3.3.2试验结果分析21

3.4防水剂最佳配合比22

3.5小结23

第4章性能检测24

4.1外观性能24

4.2密度24

4.3PH值25

4.4凝胶化时间25

4.5抗渗性能26

4.6小结27

第5章机理分析28

5.1微观分析28

5.2机理研究29

5.2.1结晶机里29

5.2.2防水机理29

第6章效益分析31

6.1经济效益分析31

6.2社会、环境效益分析31

第7章结论与建议33

7.1结论33

7.2建议33

致谢35

图表索引36

参考文献37

第1章绪论

1.1引言

随着我国国民经济的持续快速发展，工业建筑和民用建筑等建设项目已遍布

城乡各地。

但是，建筑物如果出现渗漏不仅要花费大量的人力物力去进行防水堵漏，而且还将给人们的生产、生活带来诸多不便。

因此，如何提高建筑物的防水质量是至关重要的。

建筑防水工程是一项保证建筑物结构免受水侵袭的分部工程，在建筑中有十分重要的地位。

建筑工程结构的渗漏是长期以来困扰建筑行业的一个难题，建筑防水技术和

防水材料一直是科研人员着力研究解决的重要课题。

我国建筑物渗漏情况是惊人

和严峻的。

据资料报道，建设部对100个大、中城市1988年竣工的公共建筑、工业厂房和住宅工程进行了抽样检查，抽检建筑物2072栋，总面积797.2m2，

其中渗漏的达752栋,该渗漏率比欧、美、法、日等发达国家高出几倍，甚至几十倍[1]。

渗漏不仅扰乱了人们的生活、工作和生产秩序，而且直接影响到整栋建筑物

的使用寿命。

因此，防水工程在建筑工程中占有十分重要的地位。

我国防水技术

和防水材料相对比较落后，防水工程质量还达不到使用要求。

如何提高防水质量，

是确保建筑质量的一个重要方面。

改革开放后，我国防水材料行业有了长足的

发展，现在我国的建筑防水材料已具有高、中、低档品种，形成了功能比较齐全

的防水材料体系[2]。

但是总体上讲，我国防水材料行业仍处于不发达状态，甚至在某些领域仍是空白，这急需科研人员加强研究，开发出新的、先进的防水材料，以使我国的防水工程水平能够满足国民经济飞速发展的需要。

1.2混凝土渗漏原因

影响混凝土渗透性的因素很多。

内部因素是指混凝土本身的材料组成和结构

特性，外在因素是指混凝土所处的使用环境。

混凝土本身的材料结构与性能可以

通过配合比设计及适当的制作工艺来达到，如掺加矿物掺合物、高效减水剂、采

用低水胶比、改善水泥浆体与集料界面的性能以及混凝土表面采取适当的防护措

施等。

外部因素是客观存在的，提高混凝土的抗渗性的关键在于减少混凝土对腐

蚀介质的抗腐蚀能力，提高混凝土本身的致密性，尽可能的减少原生裂缝，并加

强混凝土硬化后的体积稳定性。

混凝土是一种非匀质脆性材料，从微观结构看属于多孔结构，混凝土中的孔

按其成因可分为施工孔隙和构造孔隙两大类。

施工孔隙是由于浇注时振捣不良引

起的；构造孔隙主要取决于水灰比，是混凝土凝结硬化过程中形成的，仅与施工

过程有关。

构造孔隙包括水化产物硅酸钙凝胶本身所固有的凝胶孔、水泥水化过

程中多余水分蒸发后在混凝土中遗留下来的毛细孔、水泥和骨料在重力作用下产

生不同程度的沉降而形成的沉降孔，以及粗细骨料结合不良形成的孔隙等。

混凝

土内的孔隙按孔径大小又可分为：

大孔（＞103nm），毛细孔（102～103nm），过

渡孔（10～100nm），凝胶孔（＜10nm）。

孔隙虽是引起混凝土渗漏水的主要原因

之一，但并不是所有的孔隙引起的渗透都是等同的，凝胶孔尺寸最小，可以认为

是不渗水的，对混凝土的渗透性没有什么影响，过渡孔对混凝土的渗透性影响很

小。

混凝土结构中的毛细孔的微孔势能明显大于重力场势能，对渗透性影响较大。

骨料的渗透性一般要比水泥石低的多，骨料会切断水泥石基体的渗水通道。

水灰

比越大，毛细孔隙率越大，其渗水的可能性越大。

试验表明：

当毛细孔隙率低于

40%以后，抗压强度随孔隙率的下降而急剧增长；当毛细孔隙率大25%时，渗

透系数随孔隙率的增加而急剧增加；而当孔隙率低于20%时，则可以做到几乎不透水[2][3]。

可见，孔隙率是影响混凝土工作性的主要指标。

大孔对混凝土渗漏影响最大，对于混凝土渗透性来说大孔属于多害孔[3][4-6]。

多孔材料的渗透性还受孔结构的影响，材料内部的封闭孔（未与表面连通的孔）对材料的渗透性是没有影响的，只有那些连通孔才能引起材料的渗漏问题。

混凝土浇注后，由于保水性不良，砂、石产生沉降，水分上升，其中一部分沿着

毛细管道析出至混凝土表面（外表泌水）形成积水层，水分蒸发后，形成网络状

相互连通的沉降孔隙。

基相中，除凝胶孔外，其余的孔隙（毛细孔和沉降孔隙）

多数是开放的，是造成混凝土渗水的主要原因[7-11]。

除此以外，当混凝土还处于塑性阶段时，由于表面水分大量、迅速地蒸发，

如果水分蒸发的速度超过混凝土内部水分向表面迁移的速度，就会产生塑性收缩

裂缝。

在水泥水化过程中，水泥不断放出水化热（大约40～60cal/g），由于硬化水泥浆体与集料的热膨胀不一致，因温度变化会引起浆体与集料界面区产生裂缝；另外，在常规条件下，水化热还将造成与时间有关的温度梯度，引起混凝土局部变形，而这种变形受到混凝土其他部分的牵制或限制也会产生裂缝；水分不断蒸发，孔隙中的毛细管表面张力发生变化，将引起毛细管的收缩裂缝；由于混凝土干燥收缩大部分在硬化后几个月甚至一年才完成，连续不断的收缩受限制后还可能导致由于其他原因（热致收缩、化学收缩、炭化收缩）产生的裂缝进一步扩展；在硬化混凝土中，集料与水泥石界面太弱，在上述因素作用下，最易由于应变差产生裂缝，宽度也较水泥石基体中存在的裂缝大，而且易与水泥石中裂缝连通，大大增加系统的渗透性[7]。

上述分析可见，混凝土产生渗水主要有两大方面，一是混凝土内部的孔隙；二是混凝土内部的裂缝。

并且孔隙和裂缝的形成主要由于混凝土组分的物理化学性质及结构缺陷形成的，是混凝土自身无法克服的缺陷，渗水也成为其自身难以解决的问题。

1.3解决措施

钢筋混凝土结构是在人们在19世纪末发明的，由于其具有强度高、便于取材、各种形状适应性强等诸多优点，使得一经出现就立即受到人们的青睐，已成为当今大部分建筑物主体结构材料[2]。

因此现代建筑物的渗漏在某种程度上可以看作为混凝土结构的渗漏。

我们知道，混凝土主要是以水泥为其胶凝材料，水泥的最大弱点是在空气中硬化常表现为收缩，其程度随着水泥品种，熟料矿物组成、细度、石膏的加入量，水灰比等而各异，混凝土内部因收缩会产生微裂缝，不仅使整体性破坏，抗渗性能变差，而且使混凝土一系列性能变差，如强度、抗冻性下降，侵蚀性介质更易侵入，造成钢筋锈蚀，使耐久性进一步下降等。

长期以来人们不断地进行探索，努力寻求一些方法，希望能够减少或者消除

混凝土因收缩而引起的裂纹，从而改善其抗渗性能。

到目前为止，人们主要是从

两方面对混凝土的收缩问题进行研究：

①从作为混凝土的胶凝材料水的泥组分上进行研究，揭示其对收缩的影响规律；

②通过加入外加剂来减少混凝土的空隙率、改善混凝土的孔结构，从而减少混凝土的收缩，进而减少或者消除裂缝，以改善其抗渗性。

水泥砂浆也是现代建筑物中广泛使用的墙面建筑材料，由于砂浆与混凝土具

有相似的结构和化学组成，因此本论文中将其归结为了水泥混凝土材料来进行讨

论。

水性渗透结晶型防水剂是在前人工作的基础上，通过试验配制的一种复合

型防水剂，该防水剂能进一步减少混凝土的空隙率,使混凝土更密实，并且具有自我修复和二次抗渗的能力，从而改善抗渗性能。

1.4国内外常用建筑防水材料

建筑结构防水大致经历了结构自防水、外加剂防水混凝土、表面防水等几个

阶段。

最早的混凝土防水多为结构自防水，如采用砂浆混凝土、集料连续级配混

凝土等，其基本原理就是通过提高混凝土自身的密实度、减小孔隙率来提高其防

水能力。

建筑防水材料是指应用于建筑物和构筑物中起防潮、防漏、保护建筑物和构筑物及其构件不受水侵蚀破坏作用的一类建筑材料[12]。

随着现代科学技术的发展，建筑防水材料的品种、数量越来越多，性能各异。

依据材料的性能，防水材料大体上分为两类，一类是柔性防水材料，一类是刚性防水材料。

按着防水材料的外观形态，一般又将建筑防水材料分为防水卷材、防水涂料、密封材料、刚性防水材料四大系列。

此外，建筑防水材料还有近年来发展起来的粉状憎水材料、水泥密封防水剂等多种。

1.4.1混凝土防水剂

用于降低混凝土在静水压力下透水性的外加剂称为防水剂。

防水剂用于配制

防水混凝土或防水砂浆，可使混凝土或者砂浆减少渗水、吸水量，增强防水或憎

水性。

1.4.2防水卷材

防水卷材是指用特制的纸胎或其它纤维纸胎及纺织物，浸透石油沥青、煤沥

青及高聚物改性沥青制成的，或以合成高分子材料为基料加入助剂及填充料经过

多种工艺加工而成的长条形、片状，成卷供应并起防水作用的产品。

防水卷材在

建筑防水材料的应用中处于主导地位，在建筑防水工程的实践中起着重要作用，

广泛的应用于建筑物地上、地下和其它特殊构筑物的防水，是一种面广量大的防

水材料。

其规格品种已由50年代单一的沥青油毡发展到具有不同物理性能的几十种高、中档新型防水卷材，常用的防水卷材按着材料的组分的变化一般可分为沥青防水卷材，高聚物改性沥青防水卷材和合成高分子防水卷材三大系列。

防水卷材是现今用量最大的建筑防水材料品种，它占整个建筑防水材料市场

的80%左右。

随着现代建筑业的高速发展，防水卷材的用量仍会不断增加。

但那

些低温柔性、延伸率、拉伸强度、耐久性差的沥青防水卷材，已难以适应建筑物

基层伸缩、开裂变形和耐久性的需要，必将会逐渐从市场中淘汰[13][14-16]。

经过改性的高聚物改性沥青防水材料以及合成高分子防水卷材，由于多方面的性能都已超越了传统的沥青防水卷材，必将取代沥青防水卷材，成为未来防水材料领域的主流产品[15]。

1.4.3防水涂料

卷材类防水材料在复杂部位不易施工，耐老化、耐水性不是很好，在气温变

化大的地区，若经过多次冻融循环，卷材与基体极易脱开，造成空鼓现象，接头

容易开裂。

而且卷材下水路是连通的，如有一处漏水往往造成大面积漏水，不易

查找漏源。

因此卷材防水并不能够适用于所有的应用领域，在某些防水领域必须

使用其它类型的防水材料，防水涂料就是一类与卷材形式完全不同的防水材料。

所谓防水涂料是指在常温下呈无固定形状的粘稠状液态高分子合成材料或固态粉末与相应的溶解溶剂，经涂布（或溶解涂布）后，通过溶剂的挥发、水分的蒸发或反应固化后在基层表面可形成坚韧的防水膜的材料的总称。

按着涂料的主要成分不同，防水涂料可分为四大类：

沥青类、高聚物改性沥青类、合成高分子类、

水泥类[13][16]。

1.4.4密封材料

建筑工程在施工中，为了加快施工进度，常采用小流水段施工法和预制板式

结构，从而出现了大量的建筑结构缝和施工缝，伴随着建筑结构对防水和节能要

求的不断提高，解决水密、气密的良好办法是对这些设计上有意安排的、施工中

产生的施工缝、结构缝、板缝、门窗缝以及各类节点等接缝部位填充密封材料来

进行密封。

建筑密封材料就是指能承受接缝位移以达到气密、水密目的而嵌入建

筑接缝中的定形和非定形材料[13]。

建筑密封材料主要用于建筑屋面，地下工程及其它部位的嵌缝密封防水。

在自防水屋面中，也可配合构件板面涂刷防水涂料，

已取得较好的防水效果[17][18]。

按着形态分，建筑密封材料分为定形和非定形两大类。

1.4.5刚性防水材料

传统的防水技术大都是柔性防水为主，即在建筑物基层上铺贴防水卷材或涂

布防水涂料，使之形成防水隔离层，由于防水材料与基体的相容性、耐老化性能

差，而且成本费用较高，使得柔性防水无法满足某些领域的需要，在这些防水领

域必须采用刚性防水。

所谓刚性防水，就是依靠结构构件自身的密实性或采用刚

性材料作防水层已达到建筑物防水目的的防水技术。

刚性防水可根据不同的工程、构造采取不同的做法，施工简单、方便，造价较低，易于维修，防水耐久性好。

但由于普通水泥存在收缩开裂的缺陷，要求设计周密，施工严格，方可奏效，而且刚性防水材料适应变形能力较差，一旦基体受到不均匀载荷的作用产生较大形变就容易产生开裂，使防水作用消失[19]。

刚性防水材料则是指以水泥、砂石为原材料，或其内掺少量外加剂、高分子

聚合物等材料，通过调整配合比、拟制或减小孔隙率、改变孔隙特征，增加各原

材料界面间的密实性等方法，配制成的具有一定抗渗能力的水泥沙浆、混凝土类防水材料。

刚性防水材料按其胶凝材料不同可分为两大类，一类是以硅酸盐水泥

为基料，加入无机或有机外加剂配制而成的防水砂浆、防水混凝土，如外加气防

水混凝土，聚合物砂浆等；另一类是以膨胀水泥为主的特种水泥为基料配制成的

防水砂浆、防水混凝土，如膨胀水泥防水混凝土等。

刚性防水材料按着其作用又

可分为有承重作用的防水材料（结构自防水）、仅有防水作用的防水材料和堵漏修补材料。

分别指各种类型的防水混凝土、各种类型的防水砂浆和各种类型的刚性混凝土修补、堵漏材料[13]。

1.5水性渗透型无机防水材料

经过国外30多年的实践和国内近年来的使用证明，传统防水材料虽然有其优点，但是均有其局限性，如卷材和涂料，虽然有弹性或柔性的特点，耐久性也好，但与基面混凝土终究为两层，形象的比喻为“雨衣式防渗”，且它也不宜作背水面潮湿基面的防水。

除了前文中所述的防水材料外，还有一类防水机理完全不同的防水材料，就是水性渗透型无机防水剂（Waterbasedcapillaryinorganicwaterproofer）。

水性渗透型无机防水剂是以碱金属硅酸盐溶液为基料，加入催化剂、助剂，经混合反应而成，具有渗透性、可封闭水泥砂浆与混凝土毛细孔道和裂纹功能的防水剂[20]。

该类防水剂可以直接掺入混凝土中以增强混凝土的抗渗性能。

至于其作用机理由于目前国外生产商家采取保密的措施，具体的还不是很明确，所公认的是该类防水剂利用本身所含有的特殊的化学活性物质在载体水的作用下向混凝土内部渗透，并在水的作用下，活性化学物质与混凝土中未水化的水泥颗粒或游离的Ca（OH）2、CaO等碱性物质发生反应生成不溶性晶体，这些晶体封堵了混凝土内部的毛细孔隙和微裂纹，使混凝土致密，从而增强了混凝土的抗渗性能。

当混凝土处于干燥状态时，活性物质就会处于休眠状态，停止反应作用[21]。

一旦由于外力载荷、温差变化等造成新的裂纹或其它的结构缺陷导致混凝土漏水，活性物质便会随水继续向混凝土内部渗透，并再次发生反应生成新的不溶性晶体，封堵新出现的孔隙，抑制水的渗漏。

这种防水材料满足了现代建筑物耐久性要求，而且材料中的活性化学物质并不随时间的延长而消耗掉，只是在混凝土处于干燥状态时处于休眠状态，当混凝土结构再次发生渗漏水时，材料中的活性物质就被再次激活，发生反应、生成晶体堵塞毛细孔道，直至混凝土不再漏水为止。

因而该类材料具有自我修复能力，而且该类材料还有许多其它的优点，能够解决我国目前防水材料行业所面临的许多燃眉之急的问题。

水性渗透型无机防水剂，其独特的防水性能对整个水工混凝土防渗问题的解决是一个革新。

从材料渗透结晶作用机理看，水性渗透型无机防水剂的活性物质在水的作用通过扩散作用或通过渗水通道或混凝土正常的毛细作用进入混凝土内部的空隙中，与混凝土中未水化的水泥颗粒发生水化反应，形成致密的不溶性晶体，封堵混凝土的空隙、毛细管以及裂缝，达到防水目的。

该产品不同于传统的防水材料，传统材料都是在混凝土表面形成隔水层，起到防水作用，在初始阶段是非常有效的，但随时间的延长，其性能逐渐退化而失去防水效果，而结晶防水材料防水性能随时间逐渐增强。

这种特性使得这种渗透结晶型防水材料在混凝土防水领域具有优越性，是其它防水材料无法比拟的。

其优越性主要有[27]：

①较强的渗透性。

全方位的、自动晶体渗透。

结晶形防水材料的活性物质可以深入到混凝土内部，与未水化水泥发生化学反应生成水化晶体，使混凝土结构致密。

②永久的防水作用。

结晶型防水材料能深入封堵结构内部的孔隙、改善内部结构、不溶于水，且性能稳定不分解。

因其有效成分已深入渗到混凝土内部，其防水作用是永久的。

③独特的自我修复能力。

结晶型防水材料独特的活性化学物质能与混凝土中未水化的水泥颗粒反应，生成新的晶体。

对处理过的混凝土结构，当出现微裂缝且有水渗入时，就会再次反应结晶，自动修复裂缝和填充孔隙。

④防化学侵蚀，并对钢筋起保护作用。

混凝土的化学侵蚀和钢筋锈蚀与水分和离子渗入分不开，结晶型防水材料对混凝土裂缝、孔隙进行的自修复作用使混凝土结构密实，从而最大程度地降低了化学物质、离子和水分的侵入，使混凝土、钢筋免受化学物质地侵蚀。

⑤无毒，无公害。

1.6研究本课题的目的和意义

目前，我国对水性渗透型无机防水材料产品的研究主要还是集中在产品独特的防水机理、简易的施工方法和快速有效地解决渗漏问题的现实意义上，由于昂贵的价格和对防水机理说明的模糊性，真正采用它的工程很少，这严重的阻碍了该类材料在我国防水工程中的使用和推广。

因此，研制具有自主知识产权的水水性渗透型防水材料不仅可以大大降低材料成本，而且还可以在材料研制的过程中明确材料的具体防水机理，这十分有利于该类材料在我国防水工程中的使用和推广，对于提高我国防水工程的质量有着十分重大的现实意义。

第2章试验原料及方法

2.1试验原料

水性渗透型无机防水剂是以碱金属硅酸盐溶液为基料，加入催化剂、助剂，经混合反应而成，具有渗透性、可封闭水泥砂浆与混凝土毛细孔道和裂纹功能的防水剂。

本试验配制防水剂的原材料选用纯度较高的化学试剂。

试验原材料见表2.1。