混凝土结构耐久性与防水功能一体化研究的思考

张婵，叶琳昌（.上海东方雨虹防水技术有限责任公司，上海　0044；.中国建筑业协会建筑防水分会，北京　000）



混凝土结构耐久性与防水功能一体化研究的思考

张婵1，叶琳昌2
（1.上海东方雨虹防水技术有限责任公司，上海200442；2.中国建筑业协会建筑防水分会，北京100120）

摘要：当今混凝土结构耐久性问题日益突出，建筑物渗漏水比例居高不下，由此引发的质量事故与经济损失十分惊人，并进而影响到建筑物的使用年限。通过查阅有关文献和考察众多工程实践后认为，混凝土结构与防水中存在的问题，都与水或其它液体（或气体）的侵蚀有关。建议通过混凝土结构耐久性与防水功能一体化的研究，在建立可靠防水屏障的基础上，提高混凝土的耐久性，从而实现满足结构安全和延长建筑物使用年限的目标。

关键词：混凝土耐久性；混凝土结构裂缝；防水功能；内膜防水；外膜防水；一体化研究

Consideration on integration study of durability and waterproofing of concrete structures

ZHANG Chan1，YE Linchang2
（1.Shanghai Oriental Yuhong Waterproof Technology Co.Ltd.，Shanghai 200442，China；2.Building Waterproof Branch of China Construction Industry Association,Beijing 100120，China）

1　问题由来

进入21世纪的今天，混凝土仍然是土木建筑工程中用途最广泛的材料之一，十几年来大量工程实践证明，在各种自然和人为的灾害中，由混凝土结构耐久性问题引起的事故十分突出，造成的经济损失也很惊人。

据《中国房地产报》2010年4月16日报道：“中国每年有20亿m2新建面积，但这些建筑的使用寿命只有25～30年。与此同时，中国30%～70%的建筑工程在3年时间内出现的渗漏水问题也十分突出。造成上述现象除了规划建设没有远见外，还与建设工程的质量密切相关。”混凝土结构质量与房屋渗漏水，已是近年来居民投诉的两大重点，这是需要认真解决的。

混凝土耐久性问题涉及内容较多，影响因素和破坏机理也很复杂，但共同点都与水或其它有害液体（或气体）向其内部侵蚀的难易程度有关。长期以来，在混凝土耐久性方面国内外有许多研究成果；随着新型防水材料的不断问世，建立可靠有效的防水屏障，已成为大家的共识。然而这两个有着密切关系的分项工程，因学科与专业的不同，在研究方向、标准制定与工程作业方法上，却存在诸多矛盾的地方。如何根据实践中发现的问题，在研究方向上有所突破，是本文讨论的重点。

2　混凝土结构耐久性问题日益突出

混凝土结构耐久性问题不仅述及混凝土材料，还包括所处的工程环境、建造方法以及工程结构设计等因素。本文重点讨论由混凝土结构裂缝引起的耐久性问题。

混凝土结构裂缝一直是土木工程界关心和重点研究的课题。当前由于普遍使用早强、高强商品混凝土，因此混凝土结构的开裂越来越普遍，其危害程度不容低估。另外，城市环境污染日甚，气体、雨水中的侵蚀性介质均会加速钢筋的锈蚀，破坏混凝土内部结构，使混凝土开裂时间提早，如不采取有效防范措施，势必影响结构的耐久性。

混凝土（含采用各种外加剂、防水剂）出现裂缝（指宽度在0.2～0.3mm以下的无害裂缝）是不可避免的，并可视为可以接受的事实。由混凝土裂缝引起的各种不利后果中，渗漏水占60%。从物理概念上说，水分子的直径约0.3μm时，可穿过任何肉眼可见的裂缝。所以从理论上讲，任何钢筋混凝土结构工程都要对裂缝进行防治，这也是防水工程的基本要求。

当混凝土发生开裂时，各种不同形态的水就会乘虚而入，随之钢筋发生锈蚀、膨胀、造成混凝土剥离与加速老化现象。当遇到突发荷载时（如结构超载、火灾、地震等），房屋（含建筑物或构筑物，下同）的坍塌就会“不期而遇”（见图1）[1]。另外，长期处于露天、江河湖海等容易引起腐蚀的交通工程，如年久失修引发垮塌事故造成人员伤亡等案例不胜枚举。近年来一些新建大桥的质量问题和引发的交通安全事故也值得关注。

图1　混凝土裂缝影响结构耐久性

从我国长期以来建设工程实践得知，房屋的使用年限与防水工程设防标准及工程质量有对应关系。而房屋渗漏及使用年限的缩短，又与防水材料和主体结构的“结合”条件有关：如一些新型防水材料虽然性能优异，但因不能适应主体结构各种荷载、温度收缩变形和地基不均匀沉降的影响，过早丧失防水功能而提前报废，并造成资源的极大浪费，这与当前“节能减排”的基本国策背道而驰。

3　典型案例分析

3.1屋顶结构倒塌

1983年8月24日，中国台湾省立丰原高中因屋顶长期漏水，久未使用的二楼大礼堂再度启用举行新生开学典礼，当600余名男女新生作整齐一致的起立与坐下的动作时，随即在无任何预警征兆下，发生地震式陷落，作骨牌连锁性、连根拔起似的、令人逃避不及的瞬间倒塌。导致压死座位南面女生26名，轻重伤多达80余名的惨案。倒塌主要关键部位如图2所示[2]。

图2　中国台湾丰原高中二楼礼堂倒塌的主要关键部位

经过现场勘查和取证认为，该屋顶柱子是设计、施工最脆弱节点，其倒塌现场仅限于房屋南面的墙、柱和屋顶约4/5部位，而钢屋架断裂点又不在一般弯矩最大的区间，且有柱子连根拔起的现象。如此特殊倒塌过程和结果，足证混凝土早在数年前已经破裂，而倒塌的主要原因是屋顶长期渗漏水，混凝土开裂导致钢筋日积腐蚀以及屋顶严重超载而造成的。

3.2上海地铁工程

上海地铁1号线上海站建成通车已有20多年，但其渗漏水问题一直没有解决好。2009年11月15～20日，是上海市入冬后的第一次寒潮。期间，大风大雨不止，个别时段气温已降至2℃左右，累计降水量达200mm以上。为了追踪此次寒潮与大雨对地铁车站工程质量的影响，笔者于2009年11月25日傍晚，实地勘查了地铁1号线上海火车站站厅，图3、图4是从众多开裂与渗漏水部位照片中选辑的，有典型意义。

图3　售票口天棚开裂渗漏

图4　通道与站厅间常见的变形开裂

上海地铁1号线车站地下工程底板采用结构自防水，因此难免出现“贯穿性裂缝”。在顶板上虽然设置了柔性防水附加层，由于当时只注意到混凝土强度和抗渗等级，而忽略了防止产生裂缝的各种措施，其结果因水泥用量过多，水化热增高，收缩量加大，导致有害裂缝的产生。不少车站的顶板均出现众多无规则的微细裂缝，特别在顶板和侧墙的交界处。还有不少45°斜裂缝，且伴有严重渗漏水，并呈发展趋势。虽然每年都会采取一些封堵措施，但效果并不明显。每当寒潮来临时，因温差引起的开裂与渗漏水现象，常给营运单位与广大旅客带来诸多不便。

应该谨记，混凝土结构开裂与渗漏水两者互为因果。其中“活”裂缝的处理尤为复杂和困难，而堵漏效果也仅是权宜之计，且难以根治。

3.3台北捷运高架桥梁

据中国台湾《联合报》1993年4～6月间的连续报导，在台北市捷运系统（即轨道交通）工程中，有不少地段在高架桥钢筋混凝土柱顶的横梁上发现贯穿性裂缝，有些裂缝还渗出白色物质（析钙现象），这表明雨水已经渗入到钢筋混凝土结构的内部。渗入横梁裂缝里面的雨水，会引起钢筋的锈蚀，随着时间延长，钢筋的锈蚀会逐渐加快，其结构承载力将显著减小，并影响到整个横梁结构。由于该横梁系支撑电气机车行走的轨道大梁，当机车在轨道大梁上急速行驶时，经过长期荷载及振动的影响，这些裂缝必将进一步扩大，如不及时修补，终有垮桥的危险。

在台北市不少高架快速车道上尚存不少严重漏水和潜伏危机的情形。这些漏水主要是由混凝土材料干缩引起的细小裂缝（龟裂）所造成的。由这些混凝土细小裂缝开始，逐步形成“小裂缝—漏水—渗透—生锈—腐蚀—膨胀—剥落”的恶性循环。因此对这类混凝土的细小裂缝所造成的危害性，也不容忽视。

3.4某桥梁垮塌原因探究

2015年6月19日凌晨，赣粤高速公路河源境内匝道桥梁垮塌。这座设计使用年限100年的桥梁，竟然在投入不到10年就垮塌。联系到多年来不少短命建筑倒塌、人员伤亡以及一些钢筋混凝土桥梁、高架桥等相继发生严重质量安全事故的现实，不得不让人重新思考现代混凝土技术到底还存在什么难解之谜，还有什么死角和盲区等待我们去发现和解决。

出现上述事故涉及到水泥品质和相关标准问题，因为我国现有的水泥是以28 d强度值作为评定基准。以硅酸盐水泥中最大含量的硅酸三钙矿物为例，28 d的水化深度大约是10 μm，相对于颗粒粒径绝大多数在30μm以下的水泥而言，28 d水化已完成90%以上。也就是说，28 d后即使养护条件再好，混凝土强度也没有多少增长的余地。而从始建于1897年的日本小樽港长达百年、6万多试件有关耐久性试验数据证明，不论是置于海水、淡水或大气中的试件，其长期强度的发展趋势是基本一致的。其中，试件在自然的大气环境中存放30～40年强度达到最高，大约提高了100%，然后逐年下降；存放95年强度从最高点下降约40%，但仍然高于28 d强度约20%。当年日本小樽港工程所用的水泥颗粒粒径是200μm方孔筛筛余量小于10%，其平均粒径远大于目前国内标准使用的80μm方孔筛筛余量小于10%的水泥平均粒径。由此得出结论，水泥颗粒粒径的大小对混凝土强度的长期发展起着决定性的作用。这与我国学界长期以来普遍认为混凝土后期强度增长缓慢或少有增长的说法是不尽一致的。

为了与小樽港的数据进行对比，日本海洋工程研究所还进行了相关的对比试验。结果表明，在海洋气候环境条件下，对于比表面积下限在250m2/kg的水泥，混凝土存放5年抗压强度达到最高，增长约40%，然后逐年下降，至10年甚至低于原来的28 d强度。正因为目前我国水泥颗粒粒径大多在30μm以下，所以混凝土强度虽然短期内上升很快，但后期强度却少有增长且有逐年下降的趋势。说明国内多起钢筋混凝土桥梁、高架桥质量事故，大多数发生在使用期达10年这一关键时间节点就不足为奇，关键是结构所处的环境条件。

值得指出，若按日本海洋工程研究所试验用的水泥比表面积进行对比推断，如果国内施工企业在配合比设计时没有大幅度提高混凝土配制强度，那么，实际上长期处于露天和地下工程的混凝土结构，虽然短期强度增长很快，但随后逐年下降，并在服役期不到10年就已经下降至设计值以下，这点不得不让人对相关规范、标准在确保结构安全性上有所质疑。另外，大量的混凝土结构裂缝与楼（屋）面板的渗漏以及连带引起的钢筋腐蚀等问题，多数也与混凝土中矿物掺合料不加限制以及水泥中混合材用量超标有关。这一情况必须引起有关方面高度重视。

4　建议与看法

欲解决混凝土结构耐久性问题，主要应从抑制混凝土开裂宽度与防止水的侵蚀着手，两者不可分离。而从系统工程观点出发，笔者提出开展混凝土结构耐久性与防水功能一体化研究，其中在混凝土之后加上“结构”，而在防水之后增添“功能”，不仅是文字表达方式的不同，更主要是在研究方向上更为宽泛，即既有材料方面的问题，还涵盖了包括设计构造、施工工艺以及管理维修等内容，因而具有前瞻性和现实意义。现就有关问题简述如下。

4.1“内膜防水”研究新动向

在地下建筑工程中，普通的混凝土结构本身是不防水的，这主要因为在混凝土中充满着相互连通的毛细管空隙网络，具有透气性，同时也可让水分渗透穿过；甚至，高性能混凝土也不能避免多孔性这一特征和产生裂缝的缺陷。实践证明，水对混凝土的侵蚀是几十年来地下工程不断渗漏的元凶，同时也是造成混凝土结构劣化、损坏，进而影响到地下工程使用年限的主要原因。

保护混凝土免遭水的侵蚀，传统做法是用薄膜防水层隔离，可称为“外膜防水屏障”，即在混凝土表面涂刷液态防水涂料或粘贴柔性防水卷材。这种方法的弊病是防水材料仅仅附着于混凝土表面，很容易遭到穿刺和剥离，导致防水失效。

据国外有关文献报道：“抵御水对混凝土侵蚀的另一种方法是，在混凝土结构内部设置“内膜防水屏障”，对这一方法的探索与工程实践已有20多年的历史。其核心技术是，通过选择可降低混凝土渗透性的外加剂，在混凝土本体内部创建承受高静水压力的阻水机制，形成“内膜防水屏障”。建立“内膜防水屏障”关键在于结合工程和所处环境条件，选用符合要求的外加剂和相应的渗透结晶工艺，这与晶体结构在混凝土中的发育过程以及形成防水屏障的质量有关。据美国US Amy Corps of Engineers（ACE）CAD C48《混凝土的渗透性》文献称，用渗透结晶材料处理的混凝土可承受123m水头压力（1.2MPa）。

“内膜防水屏障”的形成，主要依赖具有活性化学物质与渗透结晶工艺，通过与水泥、水的化学反应而生成的硅酸钙水合物而堵塞混凝土孔隙，正是这种“虚空无形”的化学反应与结晶发育过程，并充分利用混凝土固有的“多孔性”这一看似“瑕疵”的特征，使防水与结构共融共存，相互补充，最终实现保护混凝土结构免受水的侵入，并获得良好耐久性的目标。

另外，我国台湾一流式防水中心在20世纪80年代开始使用“柏油网喷火技术”发明专利（在美国及中国大陆、台湾都有专利发明权），用于地下防水工程与机场跑道的维修工程，均取得不俗的成绩，其中利用“高压喷火”工艺，使液态的改性沥青通过附着的麻丝牢固地“渗入”于混凝土内部，堵塞混凝土孔隙，同时还对出现的裂缝具有根着性、追踪性、弥补性等功效。这从另一侧面说明，“内膜防水屏障”体系具有多样性，既可选择渗透结晶型无机材料，也可使用具有液态的改性沥青有机材料，以及其它多种材料。

4.2“外膜防水”重点研究课题

“外膜防水”目前仍是防水工程实施的主要手段。根据混凝土结构耐久性与防水功能一体化研究的思路，在防水工程设计、选材、施工和使用的全寿命周期内，减少对天然资源消耗和减轻对生态环境的影响，并应做到“节能、减排、安全、便利、耐久（即延长防水使用年限）以及保护主体结构”的要求。

例如在屋面工程中，“正置式”是经典，但不符合热传导原理，外暴露的防水材料容易破损和老化，使用时间较短，相对维修简单也算优点。“倒置式”屋面（包括目前倡导的种植屋面）功能较好，使用时间长；但对相关材料和施工质量有严格要求，一旦渗漏，维修困难，且代价较高。随着轻质、高强、导热系数低的新型保温材料的问世，以及防水施工工艺的改进，扩大“倒置式”屋面的应用，符合绿色建筑的要求。而地下防水工程则强调全封闭迎水面防水，但因防水材料与基面粘结不良，造成剥离、脱落和窜水现象屡见不鲜，加之细部构造设计不周、密封不严以及地基不均匀沉降等，不仅影响建筑物使用功能，进而危及主体结构安全。为此列出以下几项重点研究课题，可供参考：

（1）不同候区“倒置式”屋面构造优化与技术经济评价；

（2）针对不同候区、不同环境和工况条件下，各类屋面及地下工程细部构造（含变形缝）的防渗漏技术研究（数字化模型实验）；

（3）不同柔性防水材料相容性以及与混凝土结构粘粘性和抗窜水性能研究；

（4）南方地下工程（软土地基）“两墙合一”防水技术的研究；

（5）南方地下工程实施“全封闭”外防水成套技术和抗腐蚀、耐久性研究；

（6）山区岩石地基中地下结构与防水采用滑动层构造的研究；

（7）大体积防水混凝土防止开裂成套设计与施工技术研究；

（8）地下工程渗漏水诊断与数字化注浆堵漏技术研究；

（9）既有建筑屋面改造与防水、节水、节能技术研究。

5　结语

“结构是本，防水是表”，只有把两者合二为一，融为一体，才能构筑可靠持久的防水屏障，这是从大量工程实践中得出的结论。

实现上述目标有2种途径：一种是化学结合，即利用混凝土多孔性这个看似“瑕疵”的特征，选择某些防水材料，通过化学反应或其它工艺手段，渗入到混凝土内部（一定深度）孔隙中。这种具有“填充”防水机理形成的内膜防水屏障，可有效抑制混凝土裂缝的发展，还能进一步提高混凝土的耐久性。另一种是物理结合，即改善防水材料与混凝土结构基面的条件，通过多道（多层）设防及涂抹、铺贴、密封等施工工法，形成全封闭的外膜防水屏障。例如传统的以水密性为主要功能，且有良好粘结性能的沥青防水卷材，只要满足相关施工条件，也能获得良好的防水效果。这种方法可称之为“粘附”防水机理。

笔者认为，上述2种途径都有各自特点与功效，不能以偏概全。对于跨学科多专业的建筑防水工程而言，更要求釆取“产学研”联合方式和市场经济手段攻关解决。只有在科学实验中不断探索，在工程实践中不断完善，相互兼容，通过比较，才能取得更多的创新成果，从而促进我国建筑防水技术不断进步和发展，这是值得期待的。

参考文献：

[1]张婵.建筑防水创新与发展[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[2]叶琳昌.建筑防水工程渗漏实例分析[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

作者简介：张婵，女，1981年生，湖南邵阳人，工程师，主要从事产品应用、技术管理与防水施工技术研究。地址：上海市宝山区大华一路210弄9楼，E-mail：562732337@qq.com。

收稿日期：2015-10-27

中图分类号：TU57

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）01-0059-04