建筑自防水混凝土核心技术研究

赵长才，郭玮

（苏州市姑苏新型建材有限公司，江苏 苏州 215129）

0 前言

长期以来，“刚柔相济”的防水理念为防水业界所共识，但是随着防水要求的提高，特别是GB 55030—2022《建筑与市政工程防水通用规范》关于“地下工程防水设计工作年限不低于结构设计工作年限”要求的提出，混凝土结构自防水提到了全新的高度。

自防水混凝土是通过调整配合比及掺加外加剂、掺合料等方法配制而成，关于防水混凝土的核心性能指标主要是抗渗性能。通过配合比调整或掺外加剂的途径改善孔结构，提高密实度，从而使其混凝土具备一定的抗渗性能（抗渗压力大于0.6 MPa）[1]。但是随着现代大型混凝土结构的浇筑、防水要求的提高，防水混凝土仅满足抗渗性能是不全面的，防水行业将具有抗渗性、抗开裂性、修复性、耐久性等综合性能的混凝土称之为结构自防水混凝土,防水混凝土应满足抗渗等级要求，并且试配混凝土的抗渗等级应比设计要求提高1级（抗渗压力大于0.8 MPa）[2]。

本研究采用活性硅、高效膨胀剂、高效减水剂等多种成分复配，通过大量试验和理论分析，研发一种性能优异的混凝土自防水核心成分。

1 试验

1.1 主要原材料

水泥：P·O42.5，海螺公司；砂：Ⅱ区中砂，细度模数2.6～2.9，含泥量小于1%，市售干燥河砂；标准砂：SiO2含量大于96%，烧失量≤0.4%，含泥量（包括可溶性盐类）≤0.2%；石子：粒径为5～20 mm的碎石，采用二级配，其中，5～10 mm占40%，10～20 mm占60%，满足连续级配要求，针片状物质含量小于10%，含泥量小于0.5%；水：自来水；活性硅：主要成分活性二氧化硅，纳米级，市售；减水剂：聚羧酸减水剂，净浆流动度大于300 mm，市售；膨胀剂：塑性膨胀剂，市售。

1.2 试件的成型、养护条件

先将纳米活性硅采用硅烷偶联剂进行表面处理，烘干后按比例加入膨胀剂、减水剂等其他成分组成核心成分。将水泥、砂、核心成分干拌均匀，加水拌合至要求稠度，测试混凝土时另外加石子。将拌合料按照要求成型，测试其性能。

2 结果与讨论

试验先在水泥砂浆中进行，确定了核心成分的最佳配比后，再在混凝土中进行。

2.1 水泥砂浆试验

2.1.1 基准砂浆

为了体现核心成分的性能及修复效果，试验将基准砂浆抗渗要求确定为0.4 MPa，并进行系列试配，最终确定当m（水泥）∶m（标准砂）=1∶3.5时，抗渗压力为0.3～0.4 MPa，满足基准砂浆的抗渗要求。

2.1.2 防水砂浆试验设计

根据以上基准砂浆比例，再掺加活性硅、膨胀剂、减水剂等核心成分（掺量按占胶凝材料质量计）进行系列试验，配合比及性能测试结果如表1所示。

表1 防水砂浆抗渗性试验配合比及性能测试结果

由表1可见：

（1）在活性硅掺量为1.0%前提下，再设定1#、2#、3#试验在减水剂0.05%，膨胀剂在0.02%～0.04%变动，此时砂浆的透水压力比在125%～150%，抗压强度为33.4～34.7 MPa，较基准砂浆约有10%的增幅。4#、5#、6#试验在减水剂0.10%，膨胀剂在0.02%～0.04%变动范围下，此时砂浆的透水压力比在150%～175%，抗压强度为37.9～39.5 MPa，较基准砂浆约有16%的增幅。对比1#、2#、3#、4#、5#、6#，在活性硅掺量1.0%下，砂浆抗渗性能有25%～75%的提高，并且高效减水剂能提高砂浆的抗渗性。

（2）在活性硅掺量为1.5%前提下，再设定11#、22#、33#试验在减水剂0.05%，膨胀剂在0.02%～0.04%变动，此时砂浆的透水压力比在175%～200%，抗压强度为34.2～35.6 MPa，较基准砂浆约有12%的增幅。44#、55#、66#试验在减水剂0.10%，膨胀剂在0.02%～0.04%范围下，此时砂浆的透水压力比在225%～250%，抗压强度为38.4～42.2 MPa，较基准砂浆约有16%的增幅，并且增幅变化不大。对比11#、22#、33#、44#、55#、66#，在活性硅掺量1.5%下，砂浆抗渗性能有75%～150%的提高，并且高效减水剂能提高砂浆的抗渗性。

（3）在活性硅掺量2.0%前提下，再设定111#、222#、333#试验在减水剂0.05%，膨胀剂在0.02%～0.04%变动，此时砂浆的透水压力比在250%～275%，抗压强度为33.8～35.1 MPa，较基准砂浆约有13%的增幅。444#、555#、666#试验在减水剂0.10%，膨胀剂在0.02%～0.04%范围下，此时砂浆的透水压力比在300%～350%，抗压强度为38.6～41.8 MPa，较基准砂浆约有18%的增幅。对比111#、222#、333#、444#、555#、666#，在活性硅掺量2.0%下，砂浆抗渗性能有150%～275%的提高，并且高效减水剂能提高砂浆的抗渗性。

由上述分析可以看出，活性硅掺量1.0%、1.5%、2.0%前提下，活性硅对砂浆抗渗性能影响较大，其次是减水剂，膨胀剂的影响较小。当活性硅掺量由1.0%增加到2.0%时，抗渗压力从0.6 MPa增加到1.3 MPa，而在活性硅掺量一定时，当减水剂由0.05%增加到0.10%时，抗渗压力提高0.1～0.2 MPa。

减水剂对砂浆的抗压强度和抗折强度有提高作用，抗压、抗折强度较基准砂浆分别提高12%～18%、15%～21%，拌合水的减少提高了砂浆的密实度，有利于抗渗性和抗压、抗折性能的提高。

66#和666#砂浆抗渗试验劈开照片如图1所示（试验时间与基准砂浆透水时间相同）。

图1 66#、666#试验砂浆抗渗劈开照片

由图1可见，添加核心成分对砂浆抗渗效果的影响明显，在基准砂浆完全透水时，66#、666#砂浆试块渗透高度为基准砂浆的20%～30%。

2.1.3 防水砂浆的膨胀性能

砂浆混凝土的开裂特性是其顽症之一，包括塑性开裂、温度开裂、应力开裂等，开裂导致防水性、耐久性减弱或丧失。本研究中活性硅、膨胀剂、减水剂组成的核心成分对防治或修复混凝土开裂有针对性。减水剂减少拌合水的用量，减少早期塑性收缩；膨胀剂参与早期砂浆混凝土水泥的水化进程，一定幅度的膨胀防止塑性收缩开裂；活性硅早期水化物填充水分挥发形成的空隙，密实混凝土，其次，后期在混凝土裂纹处有水分渗入时继续水化，产生水化硅酸钙凝胶，修补裂纹，提高抗渗效果[3]。

研究测试了66#和666#核心成分对砂浆的膨胀效果。按照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行收缩试验，结果如表2所示。

表2 砂浆的收缩试验结果

由表2可见，空白砂浆样品1的7、14、28 d收缩值分别为0.16、0.14、0.13 mm，7 d到28 d收缩达到0.03 mm，并且7 d到14 d的收缩大于14 d到28 d的收缩，收缩趋缓，空白组样品2、样品3表现出同样的结果。

66#砂浆样品1的7、14、28 d收缩值分别为0.95、0.94、0.94 mm，7 d到28 d收缩为0.01 mm，并且14 d到28 d的收缩为0，说明砂浆后期稳定，样品2、样品3表现出同样的结果。

666#砂浆样品1的7、14、28 d的收缩值分别为0.74、0.73、0.73 mm，7 d到28 d收缩为0.01 mm，并且14 d到28 d的收缩为0，说明砂浆后期稳定，而样品2、样品3的7 d到28 d收缩无变化，总体情况与66#砂浆相近，分析认为，主要是核心成分中膨胀剂起到的效果，在66#和666#砂浆中，膨胀剂掺量均为0.04%。

为了考察砂浆早期的体积变化，按照JC/T 986—2018《水泥基灌浆材料》测试了标准环境下养护3 h以及3～24 h的收缩，结果见表3。

表3 砂浆的早期收缩的试验结果

由表3可见，空白砂浆收缩非常明显，由于是标准养护，环境相对湿度为50%～70%，水分蒸发较快，3 h内收缩率0.2%左右，3～24 h收缩率达到1.4%左右。66#、666#砂浆内因为掺0.04%高效膨胀剂，有微膨胀效果，3～24 h膨胀率在0.08%左右，对控制砂浆混凝土早期的塑性开裂有益。

2.2 混凝土试验

按照砂浆试验情况，筛选了66#和666#中核心成分（见表1）继续进行了混凝土试验。

2.2.1 基准混凝土

按照GB 18445—2012《水泥基渗透结晶型防水材料》要求，将基准混凝土抗渗要求确定为0.4 MPa，并进行了系列试验，最终确定m（水泥）∶m（砂）∶m（石）=1∶2.5∶4.0。

2.2.2 自防水混凝土试验

（1）28 d抗渗性能：按照GB 18445—2012试验方法进行，在基准混凝土中按照表1掺加66#和666#核心成分，测试混凝土28 d抗渗性影响。

（2）56 d抗渗性能

按照GB 18445—2012试验方法进行，在28 d进行第一次抗渗试验基础上，防水混凝土试件全部透水后，按标准继续养护28 d后进行二次抗渗试验，测试试件的自修复性。

抗渗试验结果如表4所示。

表4 混凝土的抗渗性能

由表4可见，掺66#与666#核心成分的混凝土抗渗性差异明显。66#与666#配比的差别为活性硅添加比例不同，66#活性硅掺量为1.5%，666#活性硅掺量为2.0%，666#活性硅掺量多，修复性能明显提高，二次抗渗后抗渗压力仍能达到0.9 MPa，防水效果显著，这个结果也与上述砂浆的抗渗结果相符，进一步表明了混凝土抗渗性能的提高主要依赖于活性硅成分。

（3）抗压试验：考察了活性成分对混凝土抗压强度的影响，并与基准混凝土进行对比，试验结果如表5所示。

表5 混凝土的抗压强度

由表5可见，掺加核心成分的自防水混凝土7、28 d抗压强度较空白混凝土均有提高，分析认为，主要源于高效减水剂和活性硅的作用。试验发现，达到同样的坍落度，掺加核心成分的自防水混凝土用水量只有基准混凝土的80%～85%，其次，活性硅水化后生成的硅化物填充混凝土孔隙，使结构更均匀和密实化，有利于提高混凝土的强度。

（4）渗透高度比：采用坍落度为（180±10）mm的混凝土测试，根据上述测试混凝土抗渗性能，试验在0.4 MPa下进行，以基准混凝土压穿透水时间（约4 h）作为掺66#和666#核心成分混凝土试验时间，试验后劈开试件见图2。

图2 抗渗试验劈开试块后的截面

由图8可见，66#试件渗透高度比约30%，666#试件渗透高度比约20%，均达到JC/T 474—2008一等品要求。

3 配方确定

由上述砂浆、混凝土系统研究分析，确定了结构自防水混凝土核心成分的组成如表6所示。

表6 自防水混凝土核心成分的配方

确定核心成分掺量为胶凝材料总质量的1.58%～2.15%。

经苏州市建设工程质量检测中心检测，研制的核心成分按照胶凝材料质量的2.0%掺加，配制的结构自防水混凝土达到了JC/T 474—2008和GB 18445—2012要求（见表7）。

表7 混凝土抗渗及自修复性能

4 结语

（1）研制了一种混凝土结构自防水核心成分，主要由活性硅、高效膨胀剂、高效减水剂等成分组成。合理的复配技术，解决了自防水混凝土抗渗性、抗开裂性、修复性、耐久性等要求。高效膨胀剂使得混凝土早期具有微量膨胀效果，避免塑性开裂；活性硅有利于后期混凝土裂纹的修复；高效减水剂有利于混凝土的自密实。

（2）与传统防水剂不同的是，本研制的核心成分具有自修复效果，与渗透结晶型防水剂相比，核心成分具有微膨胀、适量减水等效果，在提高自防水的同时，有效地防止混凝土结构的开裂，符合结构自防水的要求。

（3）在核心成分掺量为1.58%～2.15%时，自防水混凝土抗渗压力超过0.8 MPa，符合自防水混凝土抗渗等级最低标准要求。活性硅对混凝土抗渗性能影响比减水剂、膨胀剂大，当活性硅掺量由1.5%增加到2.0%时，抗渗压力从0.8 MPa提高到1.1 MPa，抗渗压力比分别为200%和275%，二次抗渗压力比分别为150%和225%。

（4）采用硅烷偶联剂对纳米活性硅进行表面处理，避免纳米活性硅二次成团，施工中按照一定比例量掺加核心成分，与混凝土搅拌均匀即可，使用方便。