水性渗透型无机防水剂在混凝土工程中的作用及机理

杨骛远¹  许永彰²

（1. 杭州瑞先化工科技有限公司  2. 福建省宁德市新建工防水材料科技有限公司，）

摘要：介绍了水性渗透型无机防水剂的性能特点，概述了水性渗透型无机防水剂近年来的应用情况及混凝土内部抗渗作用机理研究进展，并对其使用过程中对混凝土界面性质的影响及与其它材料的界面作用机理进行了探讨。

关键词：水性密封防水剂   渗透结晶  络合-沉淀反应 表面能

目前常见的水性密封防水剂可以分为两类：以M 1500水性渗透型密封防水剂和永凝液（DPS）为代表的非憎水型渗透结晶型无机防水剂和以有机硅酸盐（甲基硅酸盐）为代表的成膜型憎水防水剂。其中甲基硅酸盐类防水剂已得到比较普遍认识，而水性渗透型无机防水剂则在上世纪八十年代国内才由浙江大学最早借鉴美国技术结合我国混凝土防水的实际情况研制成功^【1】。这类产品具有很强的渗透性，可渗入水泥混凝土(砂浆 )构筑物 (构件)内部，与水泥拌合物中的碱类物质反应，生成不溶于水的凝胶体，从而堵塞内部空隙，封闭毛细孔通道，增加密实度，形成可靠的**性防水层；同时改善水泥构筑物的机械强度，具有防霉、抗风化、防酸碱侵蚀等功能。然而由于多方面的原因，前期该类产品并没有带来广泛的市场影响。近年来，随着国内对混凝土构筑物抗渗防护的意识的增强，特别是国家相关产品标准«水性渗透型无机防水剂»（JC/T1018-2006）的制订，经过防水界工程技术人员的大力推广，目前已在各类大型混凝土防水工程如建筑屋面、地下室、水塔、蓄水池、桥梁桥面、粮库等水泥混凝土建筑物的内部或外部的密封防水、抗渗、保护和裂纹修复等方面得到多方面的应用^【2-7】。

在加快推广应用的同时，国内相关科研机构针对水性渗透型无机密封防水剂的应用性研究相继展开，通过对水性渗透型无机密封防水剂渗透反应后对混凝土内部微观结构的影响研究，对这类防水剂的作用机理有了进一步认识。

浙江大学方明晖^【8】等针对M1500防水剂的性能进行了抗渗、补强、抗风蚀碳化、防腐蚀性等较为全面的研究，并通过在偏光显微镜下观察喷涂M1500防水剂前后的水泥岩相，观察发现：涂刷防水剂的试片，内部空隙被大量凝胶体充填，可以明显地看到较多的硅酸钙针状晶体，内部组织致密，而未涂防水剂的空白对比试片，内部呈现较多相互连通的孔隙，硅酸钙晶体少。这表明M1500防水剂能加速水泥硬化，产生凝胶，堵塞水泥内部空隙，改善和提高水泥构筑物的密封、抗渗、防水功能。

巩运丽^【9】等运用SEM和XRD等手段对无机水性密封防水剂的作用机理进行了研究。王宗余^【10】等研究了水性渗透型无机防水剂微观分析和作用机理，XRD分析发现采用水性密封防水剂促进混凝土中Ca(OH)₂转化为Ca₂SiO₄晶体，同时发现随着时间的延长，催化活性物质没有消耗，催化反应可以持续进行。因而提出水性渗透型无机防水剂的作用机理更符合渗透结晶型防水材料中关于络合-沉淀反应结晶机理。研究发现在催化剂存在下，催化剂会先与Ca²⁺发生反应生成钙离子络合物，随着催化剂的不断络合、解离及水化硅酸钙的生成，晶体不断长大。在毛细孔压力限制和催化剂的络合、解离限制下，碱硅酸盐与钙离子反应生成的晶体最终充实毛细管通道。另外，当混凝土受到不均匀载荷、地基沉降、外力冲击、温差变化等物理作用产生微裂纹等缺陷时，如果有水分进入，催化剂在获得水环境后，重新溶解并电离，在浓度差的作用下，发生扩散作用。此时，裂缝周围的催化剂扩散到裂缝处与氢氧化钙重新开始二次结晶，生成不溶物堵塞裂缝。

同济大学黄继成^[11]等基于表界面的理论分析，提出的沥青剥离机理同样适用于水性渗透型无机密封防水剂的在公路桥面防水使用过程中的界面粘结机理分析。对喷涂水性渗透型无机密封防水剂后的混凝土桥面与聚合物沥青粘结层之间的界面作用机理有重要的指导意义。在公路特别是高速公路桥面的使用过程中，沥青剥离是造成路面危害的主要因素，造成这种危害的几种关键因素中，高分子乳化沥青粘结层的损坏是比较常见的原因之一，黄继成根据 Young—Dupre方程分析沥青与所粘附材料的粘附功为：W === (1十cosθ)≥0 ，粘附功越大，则沥青的粘结性越好，水越不容易剥离沥青 。据此我们可以看出，在公路桥面防水使用水性渗透型无机密封防水剂处理混凝土基层时，此类材料通过渗透进入混凝土内部，施工后不在混凝土表面成膜。在混凝土内部由于络合-沉淀结晶反应生成的晶体与水泥水化形成的结晶体相近，它们之间不存在相容性的问题，最终与基体融为一体，封闭毛细管通道，增加混凝土密实度，提高混凝土抗渗性。因此施工后不改变混凝土的表面性质，即高分子乳化沥青在混凝土表面铺展时，θ值不变，因此对后续的涂布高分子乳化沥青形成的涂膜与桥面混凝土之间的粘结强度不会造成不良影响。相比较而言，对于水性有机硅类防水剂，由于水性有机硅类是通过与空气中的CO₂反应在混凝土表面形成憎水膜，这种憎水膜的表面能较高，90^o≤θ≤180^o，会导致粘附功变小，在高速冲击及重车超载等因素的作用下可能导致引起沥青涂层与混凝土之间的剥离。因此，采用水性渗透型无机防水剂施工过的各类混凝土工程，由于界面性质不变，在进行二次涂刷装饰的过程中，都不会因界面性质的改变而导致起壳和剥落现象。

  重庆交通大学邢李进等 研究了比较了3类常用的涂料即水泥基渗透结晶型防水材料、水泥基渗透非结晶型防水材料和水性渗透型无机防水剂（M1500水性密封防水剂）对混凝土抗盐冻性的影响，发现3种类型的涂料都可以提高混凝土的抗盐冻性能，其中M1500水性密封防水剂效果**。对于保护我国西北地区混凝土免受盐类侵蚀和冻融循环的双重破坏作用，保障工程安全及使用年限意义重大。

  北京铁路局汉沟工务段 张洪运论文介绍 用M1500密封剂修补圬工梁的微裂纹，从1988年6月开始，先后在津蓟线潮白河大桥和青龙湾大桥23．8m预应力混凝土梁上进行了对圬工梁封闭微裂纹的数次试验。与用环氧树脂浆液封闭圬工梁裂纹进行对比， 用环氧树脂浆液施工复杂， 需重复配制环氧浆液， 效率低、时间长，易曝皮开裂、周期短， 封闭后圬工表面色调与原圬工面不协调， 影响桥梁外观。而采用M1500喷涂封闭裂纹，操作简便，施工时间短， 强度好，效率高， 根据三年多的观测． 嘘涂后， 圬工表面光滑， 清洁无污染， 无灰尘。同时采用M1500水性密封 防水剂比环氧树脂浆液节约节约维修费78．9%.

铁道科学研究院谢永江等，将M1500防水材料，应用在铁路桥梁的表面防护方面也取得显著效果，发现喷涂M1500能提高中低标号新旧混凝土防水抗渗性和抗风蚀碳化性能，可以密闭混凝土表面来贯穿的非结构裂纹。它既可用于具有中低标号混凝土的混凝土梁表面的防水防护处理，梁面有流水经过的部位或裂纹严重 又可作为混凝土表面微裂纹病害的整治材料。

  福建省宁德市新建工防水材料科技有限公司许永彰等对喷涂JG-M1500防水剂的混凝土的耐酸碱性、氯离子扩散系数、混凝土的碳化度及耐高温性能(135℃)进行了研究，发现分别在饱和氢氧化钙溶液中和1％盐酸溶液中浸泡168h后，喷涂前的试块有粉化而喷涂M1500后的试块则无粉化，表明喷涂M1500可以显著提高混凝土的抗酸碱性能；喷涂前后氯离子扩散系数从3．33×10^-12m²／s 下降到1．85×10^-12m²/s，表明在混凝土表面喷涂M1500，可有效抵抗混凝土氯离子渗透的能力，即改善了混凝土耐久性。碳化深度7天和28天测试表明喷涂M1500后碳化度分别降低65%和62.5%。135℃耐高温试验显示， M1500可经受135℃，30min高温灼烫而不影响产品性能，这一创新结果大大拓展了产品的应用范围，特别适用于市政、公路沥青等路面的施工改造。

综上所述，水性渗透型无机防水剂作为一类新型的防水材料，在应用推广和机理研究方面虽然都取得一定进展，但还有待进一步的拓展和深入。水性渗透型无机防水剂与传统的防水材料如表面成膜类防水材料相比，具有靠化学反应进行结晶生成凝胶体从而堵塞混凝土内部的裂缝、空隙的优势；与有机类防水涂料相比，不存在刺激性气味、老化问题，而且具有结晶作用、自动修复功能、透气性以及不改变混凝土界面性质等优点。当然水性渗透型无机防水剂也存在着一定不足，就是在施工验收过程中的不便于现场检验，对施工监理造成一定困惑。这也是此类产品进一步改进的方向^【12】。

尽管如此，水性渗透型无机防水剂在未来混凝土防水工程中具有不可替代的优势，不仅可以解决传统材料难以施工的问题，还可以提高防水工程的工作效率，降低防水工程的成本，在混凝土刚性防水中占有重要的地位，将在混凝土防水中得到更广泛的应用。

参考文献

【1】方明晖 王征  化学建材  1992  No.6

【2】林成 混凝土与水泥制品  2003年第5期

【3】邢李进，姚志华等水利与建筑工程学报   2010，vol.8 ****

【4】邬原心，章庆祥，裴金荣   浙江建筑第24卷第7期2007年7月

【5】张洪运 铁道建筑1991年 第12期

【6】谢永江王石生  铁道建筑 1995 第4期

【7】许永彰，李庆霖许永彤  福建建材 2010，第3期

【8】方明晖，杨骛远 新型建筑材料 2000，第4期

【9】Yinjin Li, Yunli Gong.  Applied Mechanics and Materials, Sept. 2011

【10】王宗余黄洪胜刘保全建筑材料  2013 vol.12  No.8

【11】黄继成，黄彭  石油沥青  2005  vol.19  No4

【12】吴立朋 杨进波  阎培渝 中国港湾建设 2011，No.4