第五章刚性防水材料 教案.docx
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第五章刚性防水材料教案
第五章刚性防水材料
5.1概述
刚性防水材料是地下建筑物如地铁、地下停车场、地下仓库、隧道、矿井、人防工程、地下人行道、机坑等常用的防水材料。
此外，在自防水刚性屋面、砂浆防水层、砂浆防潮层、建造水池、游泳池、水塔、贮罐、粮仓、高速公路路面、桥面等也得到了广泛的应用。
随着国家对基础设施建设投资规模的不断加大，土木工程用量最大的混凝土材料得到了更大的发展，与此同时，防水混凝土作为一种特殊用途的刚性自防水材料也得到了很大的发展空间，并在防水工程中发挥着举足轻重的作用。
刚性防水材料主要有防水混凝土、防水砂浆、渗透结晶型表面防水剂处理的混凝土、有机硅类憎水材料表面处理的混凝土。
详细分类见第一章。
5.2防水剂
混凝土防水剂是一种能减少孔隙和堵塞毛细孔通道，可降低混凝土的吸水性或在静水压下的透水性的外加剂。
在建筑领域主要用于混入砂浆制作砂浆防水层。
在土木工程领域中，掺入混凝土或涂布在混凝土的表面浸透到混凝土内部，最终达到优异的防水效果。
防水剂可以显著提高混凝土的抗渗性能，加入防水剂后，混凝土的吸水量减少，抗渗等级提高，耐久性也明显提高。
防水剂可广泛应用于工业与民用建筑的卫生间、基础和地下室、地下铁道工程、人防工程。
隧道、水利工程、蓄水建筑、港口工程、刚性防水屋面工程以及污水处理工程、排水场等。
近年来，由于防水材料品种不断增多，防水剂曾一度受到影响。
但是，钢筋混凝土结构物耐久性的降低和漏水事故的多发现象，使人们对躯体混凝土水密性不足为起因的问题引起足够重视，防水剂的使用也随之大幅度增加。
防水剂提高砂浆或混凝土防水功能的作用效果主要表现在以下五个方面：
（1）加速水泥的水化反应，通过产生的水泥凝胶早期充填砂浆或混凝土的孔隙；
（2）防水剂微细颗粒本身或水泥反应生成的微细颗粒填充到混凝土的空隙中去；
（3）防水剂本身是憎水物质或与水泥反应生成憎水性成分填充到孔隙中；
（4）孔隙中形成水密性高的膜；
（5）涂布在砂浆或混凝土表面，可溶性组分溶出后浸透到孔隙中，与水泥水化反应过程中产生的水溶性组分结合，生成不溶性的结晶体堵塞毛细孔。
此外，引气剂引入大量微小的封闭气泡，改善砂浆和混凝土的工作性，减少混凝土的内部缺欠，隔断毛细管通道，具有良好的防水效果。
高效减水剂具有优异的减水效果，降低了混凝土的孔隙率，生成致密的混凝土，显著改善了混凝土的防水效果。
降低收缩剂和膨胀剂可以防止混凝土的裂缝发生，同样具有防水效果。
但这些外加剂都不能称作防水剂。
5.2.1防水剂的种类
混凝土防水剂品种繁多，按主成分分类如图5-1所示，许多防水剂不是单一组分，复合型防水剂较多。
5.2.1.1无机防水剂
（1）氯化钙、氯化铁]
砂浆或混凝土中掺入氯化钙可以加速水泥的水化反应，得到早期的防水效果，但氯化钙存在着使钢筋易锈蚀，收缩率增大等问题，另外，长期水密性比不掺的基准混凝土低，应引起注意。
氯化铁防水剂通常是由氧化铁皮与工业盐酸经化学反应后，添加适量硫酸铝或者明矾配制而成的。
氯化铁防水混凝土及砂浆具有抗渗性能好、抗压强度高、施工方便、成本低的优点。
它宜用于水下结构、无筋混凝土以及少筋厚大混凝土工程及砂浆修补抹面工程。
因此，它在人防工程、地下铁路、桥梁隧道、水塔、水池、油罐、变电所、电缆沟道、水泥船等需防渗的建筑
氯化钙
硅酸钠
无机质系硅质粉末
锆化合物
其他
脂肪酸
脂肪酸盐
石蜡乳胶
水泥防水剂有机质系沥青乳胶
树脂乳胶
橡胶乳
水溶性树脂
其他
无机质混合物
混合系有机质混合物
无机质与有机质混合物
图5-1水泥防水剂按化学组成分类
工程中都可广泛应用。
但钢筋锈蚀是该材料的弱点。
（2）硅酸钠系（水玻璃）
硅酸钠与水泥水化反应生成的氢氧化钙结合，生成水溶性的硅酸钙，因此，提高了水密性，使砂浆或混凝土比较密实，但这一效果还不十分显著，通常用于掺量较多，作为速凝止水材料。
（3）硅酸质粉末系
近年来许多优异掺合料尽管不是防水剂，但具有优异的防水抗渗效果。
如电炉生产硅铁合金的副产物硅灰，其比表面积为20m2／kg非常大，主成分几乎都是活性SiO2非晶质态物质，显著改善了混凝土的水密性。
这些材料在有些国家的规范中列为防水剂。
砂浆、混凝土中的间隙中，用合适粒度的粉状物质直接填充，如硅灰、粉煤灰、硅藻土、火山灰、石粉等。
这些粉末具有很好的防水效果，粉煤灰，可以使单位用水量大幅度降低，毛细孔隙的总量减少，火山灰反应填充孔隙，硅灰的微粉效应进一步是混凝土的水密性大幅度改善。
（4）锆化合物
多数为强憎水性物质，利用该性质以往作为纤维类的防水处理材料，近年来作为水泥混凝土用防水剂。
一般用氢氧化铝或醋酸锆作为脂肪胺族或脂肪酸钠的混合物掺入砂浆，与水泥中的钙结合后，生成不溶性物质，具有很好的憎水效果。
（5）无机浸透型防水剂
无机浸透型防水剂与以往掺入到混凝土和砂浆中的防水剂全然不同。
它涂在硬化的混凝土表面，通过可溶成分的浸透，使原混凝土的水密性提高。
该类防水剂以硅酸钠、硅粉末和氧化钙等为主要成分，水泥状的粉体物质。
溶于水后涂刷在硬化混凝土的表面，可溶性的成分浸透到混凝土的孔隙中，与水泥的水化产物和部分组分反应，生成钙和铝等不溶性的晶体，阻塞了毛细管通道，在混凝土的表面层约形成10～20mm的致密防水层。
它的改善抗渗性的效果比其他无机系列防水剂优异。
5.2.1.2有机防水剂
（1）脂肪酸系
砂浆或混凝土中掺入脂肪酸后，与水泥水化反应生成的氢氧化钙结合，成为具有憎水性的脂肪酸钙。
而且，脂肪酸盐及高级脂肪酸酯本身就是憎水性强的物质，这些憎水物质在毛细孔中，减少了砂浆中的毛细孔的吸水作用。
该类防水剂的缺点是长期浸水状态下，防水性有所降低，增大防水剂的掺量会使砂浆强度降低。
因此，采用增强复合型具有较好的效果。
（2）石蜡乳胶与沥青乳胶
石蜡和沥青都是强憎水物质，它们的防水剂产品大多数为乳胶型的物质。
主剂为憎水性的微粒，与活性剂共同搅拌加水乳化，形成悬浊状后使用。
通过充填硬化水泥浆中的毛细管间隙等空隙部分和憎水作用，提高砂浆和混凝土的抗渗性。
一般乳浊液型的防水剂因活性剂的品种和乳化方法的不同，给混凝土的强度和初期体积变化等方面带来不良影响，另外，引气量过大，必须注意复合使用消泡剂。
（3）树脂乳胶及橡胶乳胶
树脂乳胶及橡胶乳胶系列防水材料包括：
天然橡胶、合成橡胶胶乳、热可塑性树脂乳液、热硬化性树脂乳液等。
与石蜡、沥青系列防水剂一样，树脂乳胶与橡胶乳胶也具有充填空隙的作用，同时，具有在混凝土中形成高分子薄膜的作用。
该类防水剂提高抗渗性的效果显著，另外，抗冲击。
耐化学作用以及伸缩变形能力均有所提高。
一般用于防水剂的树脂乳胶和橡胶乳胶，要求具备良好的化学稳定性；对水泥的水化反应无副作用；橡胶及树脂本身具有优良的耐水性、耐碱性等；引气性不能过大。
（4）水溶性树脂
该类防水剂的代表性物质为聚乙烯酸和甲基纤维素。
水溶性树脂掺入水泥砂浆后，减少了水灰比，改善了工作性，使砂浆更为密实，同时，保水性好，避免了泌水带来的水密性降低的危害。
（5）有机硅类防水剂
有机硅防水剂主要成分有甲基硅醇钠（钾）和高氟硅醇钠（钾）等，是一种小分子水溶性的聚合物，易被弱酸分解，形成甲基硅酸，然后很快聚合，形成不溶于水的有防水性能的甲基硅醚（即防水膜）。
它无毒、无味、不挥发、不易燃，具有良好的耐腐蚀性和耐候性，可用于混凝土、砂浆、石灰石、砖石、石膏制品、矿物制品的防水。
有机硅防水剂在建筑防水工程中应用比较广，可直接喷涂在砖石结构的表面或混凝土的表面，也可以直接掺入砂浆或混凝土作防水剂。
有机防水剂的作用机理主要有以下几个方面：
（1）减少有害孔。
利用防水剂具有一定的减水、塑化作用和降低表面张力的作用，可减少混凝土中易于渗水的有害孔隙，同时，使混凝土均匀、密实，抗渗能力提高。
（2）切断毛细管通路。
防水剂中有形成胶体或其他填充毛细孔的组分，在水泥混凝土硬化后，留在毛细孔中，切断毛细孔通路，使水难以进入砂浆和混凝土中，从而达到防水目的。
（3）隔断毛细孔。
防水剂中的引气组分在混凝土中产生部分微小均匀的封闭气泡，隔断毛细管通路，提高了砂浆和混凝土的抗渗性。
（4）憎水作用。
使混凝土由亲水性变为憎水性。
防水剂中有活性憎水组分，加入混凝土后能在毛细管壁上形成憎水层，使毛细管的吸附作用减弱，降低了混凝土的吸水性。
这种憎水作用对于防止水蒸气和无压力水进入混凝土是有效的，但对于防止压力水的渗透效果不明显。
（5）从水化产物研究结果来看，掺入防水剂后，形成晶体的新水化产物很少，有的防水剂形成的新产物很可能是胶体。
5.2.2防水剂的技术要求
中华人民共和国建材行业标准JC474-1999《砂浆、混凝土防水剂》对其匀质性规定如表5-1。
表5-1匀质性指标
试验项目
指标
含固量
液体防水剂：
应在生产厂控制值相对量的3%之内
含水量
粉状防水剂：
应在生产厂控制值相对量的5%之内
总碱量（Na2O+0.658K2O）
应在生产厂控制值相对量的5%
密度
液体防水剂：
应在生产厂控制值的±0.02g/cm3之内
氯离子含量
应在生产厂控制值相对量的5%
细度（0.315mm筛）
筛余小于15%
注：
含固量和密度可任选一项检验
受检砂浆的性能应符合表5-2的规定。
受检混凝土的性能应符合表5-3的规定。
表5-2受检砂浆的性能指标
试验项目
性能指标
一等品
合格品
净浆安定性
合格
合格
凝结时间
初凝,min不小于
45
45
终凝,h不大于
10
10
抗压强度比,%不小于
7d
100
85
28d
90
80
透水压力比,%不小于
300
200
48h吸水量比,%不大于
65
75
28d收缩率比,%不大于
125
135
对钢筋的锈蚀作用
应说明对钢筋有无锈蚀作用
注：
除凝结时间、安定性为受检净浆的实验结果外，表中所列数据均为受检砂浆与基准砂浆的比值
表5-3受检混凝土的性能指标
试验项目
性能指标
一等品
合格品
净浆安定性
合格
合格
凝结时间差,min
初凝
－90
终凝
—
抗压强度比,%不小于
3d
100
90
7d
110
100
28d
100
90
渗透高度比,%不大于
30
40
48h吸水量比,%不大于
65
75
28d收缩率比,%不大于
125
135
对钢筋的锈蚀作用
应说明对钢筋有无锈蚀作用
注：
1.除净浆安定性为净浆的实验结果外，表中所列数据均为受检混凝土与基准混凝土差值或比值
2.“－”表示提前
5.2.3掺防水剂的砂浆及混凝土
掺防水剂的砂浆性能如表5-4所示。
表5-4掺防水剂的砂浆性能
砂浆种类
无防水剂
混入橡胶乳胶
混入石蜡乳胶
混入沥青乳胶
混入丙烯酸树脂
浑如聚乙烯醇
混入锆化合物
混入叠合油铝、合成树脂
混入硅酸钠
混入硅酸钠及其他
水灰比／%
62.3
36.7
59.2
53.7
47.4
56.2
56.2
54.7
61.9
48.2
空气量／%
0
16.3
2.8
15.3
14.9
10.5
16.4
6.2
1.2
17.4
抗压强度／MPa
28d
56d
180d
26.4
（1.00）
36.0
（1.00）
45.2
（1.00）
22.7
（0.86）32.0
（0.84）
36.8
（0.81）
19.7
（0.75）
27.5
（0.76）
40.5
（0.90）
15.8
（0.60）
18.1
（0.50）
25.5
（0.56）
21.1
（0.80）
21.0
（0.58）
33.8
（0.75）
19.3
（0.73）
28.7
（0.80）
40.7
（0.90）
14.1
（0.53）
17.8
（0.49）
18.3
（0.41）
18.1
（0.69）
25.0
（0.69）
37.2
（0.82）
25.8
（0.98）
25.9
（0.82）
36.7
（0.81）
19.2
（0.73）
14.1
（0.39）
33.2
（0.74）
加热抗压强度／MPa
28d
28.1
30.2
20.4
15.6
20.5
23.3
13.5
21.0
22.6
17.3
抗弯强度／MPa
28d
56d
180d
4.79
（1.00）
6.64
（1.00）
10.2
（1.00）
6.31
（1.32）
7.80
（1.18）
8.76
（0.86）
4.84
（1.01）
5.86
（0.88）
9.03
（0.89）
4.03
（0.84）
4.92
（0.74）
7.63
（0.75）
4.75
（0.99）
5.16
（0.78）
8.95
（0.88）
5.04
（1.05）
5.86
（0.88）
8.88
（0.87）
3.85
（0.80）
4.34
（0.65）
6.38
（0.63）
4.61
（0.96）
5.35
（0.81）
6.83
（0.67）
4.56
（0.65）
5.59
（0.84）
9.36
（0.92）
4.10
（0.86）
4.46
（0.67）
7.95
（0.70）
加热抗弯强度／MPa
28d
3.83
6.17
3.14
3.09
3.16
2.70
2.23
2.97
3.60
2.77
抗拉强度／MPa
28d
1.40
1.68
1.48
1.15
1.39
1.28
0.98
1.62
1.39
1.26
粘结强度／MPa
28d
0.26
0.63
0.31
0.20
0.21
0.30
0.23
0.31
0.29
0.23
吸水量/g（浸水24小时后）
10d
28d
56d
180d
60
（1.00）
56
（1.00）
55
（1.00）
37
（1.00）
31
（0.52）
21
（0.38）
11
（0.20）
16
（0.43）
40
（0.67）
49
（0.88）
15
（0.27）
28
（0.76）
17
（0.23）
11
（0.20）
11
（0.20）
10
（0.27）
47
（0.78）
45
（0.80）
42
（0.76）
15
（0.41）
59
（0.98）
49
（0.88）
48
（0.87）
30
（0.81）
14
（0.23）
12
（0.21）
12
（0.22）
9
（0.24）
56
（0.93）
48
（0.86）
35
（0.64）
26
（0.70）
62
（1.07）
57
（1.02）
54
（0.98）
39
（1.05）
48
（0.83）
42
（0.75）
38
（0.69）
23
（0.62）
透水量／g
7d
28d
56d
180d
70
（1.00）
57
（1.00）
44
（1.00）
5
（1.00）
30
（0.43）
15
（0.26）
3
（0.07）
1
（0.20）
52
（0.74）
103
（1.81）
25
（0.57）
9
（1.80）
58
（0.83）
82
（1.44）
92
（2.09）
48
（9.60）
39
（0.56）
60
（1.05）
39
（0.89）
12
（2.40）
46
（0.66）
38
（0.67）
28
（0.64）
10
（2.00）
47
（0.67）
47
（0.82）
40
（0.91）
36
（7.20）
79
（1.13）
84
（1.47）
20
（0.45）
20
（4.00）
44
（0.63）
52
（0.91）
17
（0.39）
7
（1.40）
63
（0.97）
60
（1.01）
91
（2.07）
11
（2.20）
收缩率／10－4
7d
28d
56d
6.3
10.8
11.3
5.7
8.5
9.1
8.9
11.8
12.4
7.9
9.6
10.1
9.8
11.8
12.4
9.3
12.4
13.2
9.6
12.5
13.1
9.4
12.1
13.0
9.4
12.4
13.4
9.9
11.0
11.6
碳化深度／mm
28d
56d
180d
0
1.2
2.7
0
0
0
0
1.0
2.8
0
0.8
3.5
0
1.2
3.4
0
0.2
2.9
0
0.7
4.5
0
1.1
3.4
0.1
1.3
2.4
0
0.4
3.7
对混凝土性能的影响
以防水1#和防水2#防水剂为例。
两种防水剂均是由多种有机、无机物质复合而成的。
淡黄色粉末，无异味，部分溶于水。
细度为4900孔筛余≤15%，含水率＜5%。
pH值7~9，Cl—含量＜1%。
（1）混凝土泌水率
混凝土泌水率如表5-5所示。
表5-5混凝土泌水率试验结果
编号
掺量/%
沁水率/%
沁水率之比
基准
0
2.5
1.00
防水1#
5
0.23
0.09
防水1#
5
0.21
0.09
由表5-5可见，掺加防水剂后，混凝土泌水率大为降低，仅为基准混凝土的1％左右，这对改善混凝土的孔隙结构，增加混凝土强度的整体均匀性是很有好处的。
（2）抗压强度
混凝土抗压强度如表5-6所示。
由表5-6可知，掺入防水剂后，混凝土早期强度有较大幅度增长，28d强度则持平或有一定程度的增加，因而，加入防水剂后对混凝土的强度有一定的促进作用。
（3）抗渗性
混凝土抗渗性如表5-7所示。
由表5-7可见，加入防水剂后，大大改善了混凝土的抗渗性能，在水泥用量为310kg／m3时，混凝土的抗渗标号由基准混凝土的P7提高到P35以上，其效果是非常显著的。
有如此高的抗渗标号对一般的防水工程已绰绰有余。
表5-6混凝土抗压试验结果
编号
掺量
%
配合比
塌落度
/cm
抗压强度/MPa
R3
R7
R28
R90
基准
0
1:
0.661:
2.22:
3.86
6
8.87/100
17.1/100
27.8/100
35.0/100
防水1#
5
1:
0.63:
2.22:
3.86
6
13.6/153
25.5/149
34.2/123
41.6/119
防水2#
5
1:
0.645:
2.22:
3.86
6.5
12.5/141
21.9/128
28.2/101
36.2/103
表5-7混凝土抗渗试验结果
编号
掺量/%
配合比
塌落度/cm
28d抗压强度/MPa
抗渗标号
透水高度/mm
基准
0
1:
0.661:
2.22:
3.86
6
27.8/100
P7
全透
防水1#
5
1:
0.63:
2.22:
3.86
6
34.2/123
P38
100
防水2#
5
1:
0.645:
2.22:
3.86
6.8
28.2/101
P38
134
5.2.4其他外加剂
（1）膨胀剂
混凝土膨胀剂（ConcreteExpansiveAgent简称EA）是能使混凝土产生一定体积膨胀的外加剂。
膨胀剂是在膨胀水泥的基础上发展起来的外加剂，由于它的掺量较大，有的国家把它列入掺合料范围内。
日本大成建筑技术研究所，1962年开始研究硫铝酸钙膨胀剂，取名为CSA（CalciumSuIfo－A－Iuminate）。
它是用石灰石、矾土和石膏煅烧而成的一种含有C4A3S，CaO和CaSO4的膨胀剂。
对CSA膨胀剂进行X—衍射分析的结果表明，其主要矿物组成如下：
蓝方石：
3CaO·3AI2O3·CaSO4。
；
游离石灰：
CaO；
游离无水石膏：
CaSO4。
这些主成分在水泥的水化反应同时生成钙矾石，在胶体颗粒间以毛栗状成长，使宏观体积不断膨胀。
在硅酸盐水泥中掺入8％～12％的CSA膨胀剂就可以制成补偿收缩混凝土，内掺17%～25%的CSA便可配制自应力混凝土。
1970年，日本小野田水泥公司开发了石灰系列膨胀剂。
它是用石灰石、石膏、粘土作原料，在高温锻烧下含有游离氧化钙40%～50%的膨胀熟料，再经粉磨至比表面积为200～220m2／kg，形成石灰膨胀剂产品。
该类外加剂是通过CaO水化生成Ca（OH）2使混凝土产生膨胀的。
在混凝土中内掺7％～10％可制得补偿收缩混凝土。
在美国P.K.mebta等人为解决大体积混凝土冷缩裂缝问题，提出在普通水泥中掺入5％的MgO，只要MgO控制在900～950℃的温度范围内，物料粒度在300～1180μm，MgO所产生的膨胀率是符合大体积混凝土补偿冷缩的要求的。
欧洲、日本的一些专利提出用铁屑和催氧剂等掺入普通混凝土中，通过的Fe2O3水化生成Fe（OH）3可使混凝土体积产生膨胀，而这种铁系膨胀剂只适用于浇注机械底座和地脚螺栓。
我国在1974年由中国建材研究院水泥研究所利用本国资源，研制成功类似日本CSA的硫铝酸盐膨胀剂。
1978年，冶金部建筑研究总院研制了一种脂膜石灰膨胀剂，它是用生石灰与硬脂酸共同粉磨而成的，主要用于作机器底座灌浆材料。
中国建筑一局科研所用铁屑、铝粉和氧化剂研制成一种铁屑膨胀剂，也是用作安装机器灌浆材料。
安徽省建科所在建材院研制成功的明矾石膨胀水泥的基础上，于1979年研制成功明矾石膨胀剂。
它是用一定比例的天然明矾石和无水石膏共同粉磨而成。
此外，建材院水泥所又研制了主要用于地下建筑物防渗抗裂混凝土的U型膨胀剂，1986年商品化生产以来，在全国迅速普及，已在许多重要工程和建筑物中应用。
（2）减水剂
减水剂是在混凝土坍落度基本相同的条件下，能减少拌合用水量的外加剂。
在刚性防水混凝土中，引气型减水剂、高效减水剂以及复合型的减水外加剂应用较多。
（3）引气剂
引气剂是一种在混凝土搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡的外加剂。
5.3地下防水混凝土
5.3.1设计要求
地下工程混凝土结构主体防水中，防水混凝土应通过调整配合比、掺用外加剂、掺合料配制而成，抗渗等级不得小于P6。
防水混凝土的施工配合比通过试验确定，抗渗等级应比设计要求提高一级（0.2MPa）。
防水混凝土的设计抗渗等级应符合表5-8的规定。
工程埋置深度（m）
设计抗渗等级
＜10
P6
10～20
P8
20～30
P10
30～40
P12
注
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