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高膨脹混凝土防水劑的性能及應用
一、混凝土內的孔隙
     混凝土是一種非勻質材料，從微觀結構看屬于多孔結構，其體內分布有許多大小不同的微細孔隙，因而它通常是滲水的。混凝土的孔隙按成因可分為施工孔隙和構造孔隙2類。施工孔隙是由于澆灌、振搗質量不良引起的；構造孔隙主要取決于配合比，一般是混凝土凝結硬化過程中產生的。構造孔隙主要有以下幾種：


1、膠孔
      水泥水化物“凝膠”本身所固有的孔隙。膠孔數(shù)量較多，約占凝膠體積的1/4～1/3，孔徑極小，一般尺寸為(1.0～5.0)×10－9 m，由于尺寸非常小，可以認為膠孔是不透水的，對混凝土抗?jié)B性沒有影響。
2、毛細孔
      即在水泥水化過程中，多余水分蒸發(fā)后，在混凝土中遺留下的孔隙，毛細孔的直徑為百分之幾微米至十微米。隨著水化作用的繼續(xù)，越來越多的毛細孔被水化物填充、堵塞，毛細孔徑變細，有的成為互不連通的封閉性孔隙，但直至水泥水化完結，水化產物仍不足以完全填滿最初被水占據(jù)的空間，剩余水分越多，蒸發(fā)后留下的毛細孔徑越粗，滲水的可能性越大。
3、沉降縫隙和接觸孔
        沉降縫隙是在混凝土結構形成時，骨料與水泥因各自的相對密度和顆粒大小不一致，在重力作用下，產生不同程度的相對沉降所引起的。混凝土澆灌后，粗骨料沉降較快，并較早地固定下來，水泥砂漿則在粗骨料間繼續(xù)沉降，水被析出，其中一部分水沿著毛細管道析出至混凝土表面，另一部分則聚積在粗骨料下表面，形成積水層。水分蒸發(fā)后即形成沉降縫隙。接觸孔是由 于砂漿和骨料變形不一致，以及骨料顆粒表面存在水膜，水分蒸發(fā)而引起的。這兩種 孔隙往往是連通的，孔隙比毛細管大。  
4、余留孔 
        由于混凝土配比不當，水泥漿貧瘠，不足以填滿粗細骨料的間隙而出現(xiàn)的孔隙 。 由上述分析可以看出：孔徑大于2.5×10-8 m的毛細孔、沉降縫、接觸孔，由于孔徑 較大，而且是開放式的，因此是造成混凝土滲水的主要原因。
二、普通防水混凝土的防水原理 
      普通防水混凝土是通過抑制混凝土孔隙，來提高抗?jié)B性，具體講就是：   
1、降低水灰比 
        在保證施工和易性的前提下應盡量降低水灰比，減少相對用水量，從而減少 混凝土中多余水分蒸發(fā)后形成的毛細孔滲水通路。
2、適當提高水泥用量 
      砂率及其相應灰砂比在混凝土的粗骨料周邊形成足夠數(shù)量和良好質量的砂漿 包裹層，使粗骨料彼此隔離，有助于阻隔沿粗骨料互相連通的滲水孔網。 
3、在降低水灰比的同時，采用較小的骨料粒徑以減少沉降縫隙 
     綜上所述：普通防水混凝土對各組成材料的要求是：水灰比在0.6以下，最 大 不超過0.65，坍落度以3～5 cm為宜，水泥用量不小于300 kg/m3，含砂率不小于35%，灰 砂比應不小于1∶2.5，粗骨料最大粒徑不超過40 mm，細骨料最好采用中砂。 
三、高膨脹混凝土防水劑的防水原理 


1、防水原理 
      配制混凝土時，在水泥中摻入適量的高膨脹混凝土防水劑(以下簡稱HEA防水劑)，由于其 含有較多的CA，水化反應后產生大量的水化硫鋁酸鈣，其固體體積較水化鋁酸鈣增加2倍多 ，使混凝土產生了膨脹。這種膨脹產生2個作用： (1)在有鋼筋等因素約束下，使混凝凝土內部產生0.2～0.8 MPa的預應力，能有效地補償混 凝土的干縮并防止開裂。 (2)水化硫鋁酸鈣具有填充毛細孔縫作用，使混凝土中孔徑下降，總孔隙減少，大大改善了 混凝土中孔隙結構的分布，使混凝土更加密實，顯著提高混凝土的抗裂防滲性能。HEA防水 劑參與的水化反應如下： 3CA+3CaSO4·2H2O+32H2O→C3A·3CaSO4·32H2O +2(Al2O3·3H2O)
K2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3+13Ca(OH)2+5CaSO4+78H2O→3C3A·2CaSO4· 32H2O+2KOH 
2、 HEA防水劑的化學組成 (見表1)
表１  ＨＥＡ防水劑的化學組成
組成 Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 R2O 
含量 2.64 19.13 18.01 2.62 28.18 1.06 27.22 0.88 

四、HEA防水劑的性能 
      如上所述，HEA防水劑在水化反應后產生大量的水化硫鋁酸鈣，因而使混凝 土具有很好的膨脹性能。在摻量為6%～12%(等量取代水泥)時，14 d限制膨脹率一般在0.0 2%～0.04%。 HEA防水劑由于含有與自身相溶性良好的高效減水成分及其它功能外加劑，故能顯著改善混 凝土的流動性和施工、泵送性能。因此，HEA是一種多功能復合型防水劑。 HEA防水劑具有緩凝作用，能夠延長混凝土凝結時間。普通混凝土初凝、終凝時間分別為6 h 25 min、9 h 10 min，而HEA混凝土分別為8 h、10 h 15 min。凝結時間可根據(jù)工程需要進 行調整，這對商品混凝土及大體積混凝土非常有利。 HEA防水劑由于具有良好的減水效果，故可使混凝土水灰比大為減少，混凝 土密實性提高；加之HEA有少量超高活性材料，對水泥水化起到了強烈激發(fā)作用，從而促 使混凝土強度有較大幅度提高。早期強度及28 d強度較普通混凝土提高10%以上(見表2)，特 別是早期強度的提高，對提高工程結構的安全性及防止混凝土早期膨脹能的損失都是十分有利的。   
表2 摻HEA防水劑的混凝土與普通混凝土強度對比 
水泥用量／(kg/m3) HEA摻量／％ 坍落度／cm 抗壓強度 
７d 28d 
370 0 14.0 21.3 30.1 
370 10 15.0 25.5 34.1 
410 0 13.5 25.7 39.2 
410 10 14.5 37.5 43.7 

    HEA防水劑由于對膨脹源的礦物組成進行了調整，使混凝土的強度和膨 脹發(fā)展非常協(xié) 調，最大限度地保證了有效膨脹能的發(fā)揮及避免由于膨脹內應力的集中產生造成的破壞。 HEA防水劑由于能生成更多的晶體水化硫鋁酸鈣，加上有良好的減水作用而使混凝土更加密 實，混凝土的膨脹回落值極小，其后期體積十分穩(wěn)定，這對于大體積混凝土及超長結構尤其 重要。
    另外，摻HEA的混 凝土抗?jié)B性能非常良好(見表3)。 
表3 摻HEA防水劑混凝土與普通混凝土滲透性對比
HEA摻量／％ 恒壓時間／h 滲透高度/cm 
1.2MPa 1.5MPa 2.0MPa 2.6MPa 3.0MPa 


０ ８ - - - - １２－１４ 
10 8 8 8 8 8 3-7 

 注：水泥用量均為380 kg/m3 
    在配制適當膨脹的大體積混凝土時，利用HEA防水劑緩凝、減水、微膨脹功能，調整其強 度、水化熱及水泥用量，可達到以下目的：一是可以降低水泥用量，降低水泥水化反應的 水化熱而不影響強度 ；二是通過緩凝作用推遲水化熱放熱峰值和收縮起始時間，使混凝土水化熱峰值出現(xiàn)時間由 原來的2～3 d延長到6～7 d，并使放熱峰值降低15～20 ℃；三是HEA混凝土產生適度膨脹， 具有良好的溫差補償效應，這對于大體積混凝土溫差裂縫的控制，無疑將是十分有效的技術 措施。
五、摻HEA防水劑混凝土設計要點
     (1)在結構設計上仍按現(xiàn)行規(guī)范，對混凝土導入的0.2～0.8 MPa預壓應力， 在設計計算中不予考慮。 (2)止水帶的設計要離開混凝土底板或開孔250 mm 以上。 (3)對薄壁構件，配筋分布應盡量均勻，不能過分集中；開孔和角隅附近易出現(xiàn)裂縫， 周邊應加密結構鋼筋。 (4)配合比設計時考慮HEA防水劑的高效減水作用，避免拌合水用量過多造成混凝土離析。 (5)摻HEA防水劑混凝土結構在50 m以內可不設伸縮縫，超過50 m可用摻HEA防水劑混凝土膨 脹加強帶代替伸縮縫，實現(xiàn)連續(xù)無縫施工。 
六、HEA防水劑在實際工程中的應用 
    某地國稅局大樓地下室底板尺寸為：103 m×48 m×0.7 m，混凝土設計強 度為C40，抗?jié)B標號S8，采用HEA混凝土膨脹加強帶進行無縫施工，具體做法如下： (1)膨脹加強帶的混凝土設計強度提高到C45，寬度為2 m，沿長度方向共設2條，帶內增加10 %～15%水平溫度鋼筋，摻13%HEA防水劑。 (2)C40級非膨脹加強帶混凝土內摻9%HEA防水劑。 (3)施工結果：C40非膨脹加強帶混凝土28 d強度達48.4 MPa，抗?jié)B大于S12；C45膨脹加 強帶混凝土28 d強度達54.8 MPa，抗?jié)B大于S12。 
七、結 語 
    在混凝土中摻入適量HEA防水劑，能有效地提高混凝土的抗?jié)B能力，同時由 于HEA防水劑具有高效減 水作用，因而可以大大降低水灰比，提高混凝土密實度，使其早期強度、28 d強度都較普通 混凝土有很大的提高。HEA防水劑是一種比較理想的復合型防水劑，可以預見，隨著高性能 混凝土日益被人們所認識，HEA防水劑定有其廣闊的應用前景。