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    渗透结晶防水涂料对混凝土自修复性的局限性

    2020/4/22 8:17:41??????点击:
    渗透结晶防水涂料对混凝土自修复性的局限性
         我己经介绍混凝土的组成部分,拌合物中骨料是不参与反应的,我们主要考虑的是胶凝材料水泥以及矿物外加剂主要成分是:硅酸三钙(3CaO·SiO2,简式C3S),硅酸二钙(2CaO·SiO2,简式C2S),铝酸三钙(3CaO·Al2O3,简式C3A),铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3,简式C4AF),氧化钙CaO,二氧化硅SiO2,三氧化二铁Fe2O3,三氧化二铝Al2O3等等,当混凝土加水搅拌时,会出现浆体溶液,主要含有:Ca2+ 、OH-、SO42-、Mg2+、 K+、Na+?;炷帘旧砭陀幸欢ㄗ孕薷葱?,主要是通过普通硅酸盐水泥来实现的,混凝土持续的水化作用,只修复0.6μm的裂缝, 水泥在水化过程中,主要是硅酸三钙(C3S),硅酸二钙(C2S)参与反应,生成硅酸钙凝胶(CSH)和氢氧化钙,反应式如下:
    ①3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3-x)Ca(OH)2 
    ②2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2-x)Ca(OH)2
    硅酸三钙的反应速度较快,通常在水泥生产过程中,会加入 CaSO4(二水石膏)作为缓凝剂控制水泥的水化速度,铝酸三钙与石膏反应如下:
    3CaO.Al2O3+3(CaSO4.2H2O)+26H2O=3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O
    生成的高硫型水化硫铝酸钙,又称钙矾石,是难溶于睡的针状晶体,包围在孰料颗粒周围,形成”?;つぁ?,延缓水化,避免水泥熟料产生水化产生闪凝现象,这导致混凝土中几十年一直有没有水化水泥颗粒存在,这就是混凝土持续性水化的依据。
       1、早期常见的自修复防水材料
      一些研究人员把形状记忆嵌入混凝土结构中,利用形状记忆材料有限记忆混凝土结构的特点,在混凝土变形时产生的收缩力,实现混凝土的自愈合,但是所花费的成本过高,而且在混凝土受热过程中,自愈合功能难以保证,还有研究者通过往混凝土结构中引入些细菌来达到混凝土自修性的目的,当混凝土产生裂缝时,这些细菌通过代谢作用,在细胞表面产生碳酸钙钙沉淀来堵塞裂缝,但是通过细菌达到混凝土自修复的效果,需要具备很多条件,并且混凝土细菌要得到妥善的?;?,在水工建筑中引入细菌会带来环境污染。为此,研发一款好的自修复性材料并且和水泥基体有很好的相融和结合,施工简单,不污染环境,更能适应人民美好生活的需要,是研发者刻不容缓的责任和义务。
      2、水泥基渗透结晶材料提出的背景
      混凝土是现代土木建筑工程中用量最大、用途最广的一种建筑材料, 其建造的工程大多是永久性的。从一般理论而言,混凝土工程的使用寿命可以达到100年以上,但上世纪建造的混凝土结构物,由于种种原因例如温变收缩、干缩、冻融循环、钢筋锈蚀、碱骨料反应和硫酸盐侵蚀等,使用寿命大多达不到100年。据综合估计, 我国的某些混凝土结构, 如混凝土坝的平均寿命仅约为30~50年左右。
    导致混凝土使用寿命降低的因素是多方面的,其中混凝土的渗透性与其耐久性有极其密切的关系。通常来说, 抗渗性好的混凝土, 其密实性高, 混凝土的耐久性也较好。这是因为许多有害物质是随水介质渗透到混凝土内部而起破坏作用的。例如冻融损坏、钢筋锈蚀都是由于水及腐蚀性物质渗入到混凝土内部对混凝土产生破坏作用。所以解决混凝土工程的渗漏,提高混凝土的抗渗性, 是提高建筑物结构的耐久性和可靠性的关键问题。
    建筑工程的渗漏主要是因混凝土的硬化收缩、碱骨料反应或者盐碱化等原因,从而产生各种裂纹和龟裂造成漏水。在地下结构工程中,由于不均匀沉降、热胀能缩导致的开裂、对于这些漏水情况,传统施工常采用防水卷材、有机防水涂膜作或有机化学灌浆为防水层,以抵抗水对建筑物的侵害。但是这些材料一般都有寿命短、易老化的缺点,而且由于这些材料与混凝土材质的特性完全不同,所以在接合部?;嵊邪胪崖涞南窒蟪鱿?,不能根本上解决混凝土工程渗漏的问题。至于一般防水砂浆材料,抗裂性差又是其致命弱点。因此,研制开发长久、高效的混凝土防水材料一直是建筑行业的重要课题。
      3、国内外渗透结晶防水材料的现状
    众所周知,混凝土是一种非均质的多孔材料,其内部存在着大量的孔隙和裂缝,这些微观缺陷都将成为后期混凝土的渗水通道。由于孔隙和裂缝的形成主要是混凝土组分的物理化学性质及结构缺陷所形成的,是混凝土自身无法克服的缺陷,混凝土的渗水成为其自身难以解决的问题。渗漏本身已成为一个问题,而渗漏水还通过吸湿作用、毛细作用、化学侵蚀作用、渗透作用和冻融作用对建筑物进行侵害,这些侵害都会对建筑工程的耐久性有严重的影响,大大缩短混凝土工程的使用寿命。因此,解决混凝土工程的渗漏一直是科研工作者与工程技术人员所努力追求的目标。
    随着科学的进步,混凝土建筑工程的防水已经经历了几个阶段。最早的混凝土防水,我在前文中已经介绍主要是混凝土结构自防水,如采用富砂浆混凝土、集料连续级配混凝土等,其基本原理是通过提高混凝土自身的密实度、减小孔隙率来提高其防水能力。由于这些方法会增大施工的难度,且无法从本质上提高水泥混凝土的抗裂能力,故现在应用较少。
    1988年混凝土外加剂应用技术规范的颁发,出现了外加剂防水混凝土,主要有两种方式:(1)在混凝土中加入各种外加剂,通过外加剂与水泥中CaO、MgO、SiO2等反应形成不溶性的胶体化合物来堵塞空隙,达到防水的目的。(2)在混凝土中加入膨胀剂,即补偿收缩混凝土。这种混凝土能够在水泥水化早期产生适量体积膨胀,受钢筋和邻位限制,在混凝土中产生预应力,从而抵消部分或全部由干缩、冷缩引起的拉应力。然而,这两种方法都只能解决混凝土早期渗漏的问题,而不能解决混凝土后期由于种种原因出现裂缝而引起的渗漏。
    20世纪50年代以后,各种新型的防水材料不断出现,为现代化混凝土工程防水提供了新材料、新技术。防水材料主要分为两大类:柔性材料防水和刚性材料防水。柔性材料主要是利用有机高分子材料在混凝土表面形成一层憎水的柔性?;げ?,封闭混凝土表面,阻止水的渗入,如各种聚合物防水卷材和涂料。但柔性材料都有寿命短、易老化的缺点,而且与混凝土材质的特性完全不同,在接合部?;嵊邪胪崖涞南窒蟪鱿?,故不能从根本上解决混凝土工程渗漏的问题。刚性材料则是以水泥、砂等为原材料,掺加少量有机或无机外加剂,当以一定的配合比与水混合后,即可形成胶凝性很强的浆体,在混凝土表面形成致密的有一定强度的?;げ?,弥合结构缺陷,增强混凝土的防水抗渗性能。如美国国防部开发的COPROX。但这类材料仅限于表面处理,仅在表面形成憎水的膜层,因此对基体的修补增强作用较弱,对混凝土内部存在的缺陷无能为力,对于一些连通孔隙、裂缝治标难治本,涂层受到损伤就会严重影响抗渗性能;而且,这类材料由于封闭了基体表面,在堵塞水的通道的同时,也阻碍了水蒸气的通过。当建筑物湿含量过大而水蒸气无法逸出时,仍将造成混凝土的水含量过高,破坏建筑物的内部结构。
        近几十年来,在无机刚性材料研究的基础上,国外研究开发了对基体渗透性好,有反应活性的水泥基渗透结晶型防水材料。水泥基渗透结晶型防水材料是以硅酸盐水泥、石英砂等为基材,掺入活性化学物质组成的一种新型刚性防水材料,可以通过涂层或直接作为防水剂掺入混凝土中的方式,增强混凝土的抗渗性能。其作用机理是防水材料中含有的活性化学物质向混凝土内部渗透,与混凝土中未反应的水泥发生反应,生成一些不溶性纤维状的结晶物,遍布在混凝土中的微孔和毛细管道中。由于它和水有良好的亲和性,可以在施工后乃至很长的一段时间里,沿着混凝土基层的微细裂缝和毛细孔道中的渗透水向内层反应发展,用生成的枝蔓状结晶体填塞细小的渗漏水通道,从而起到提高混凝土强度和堵水防水的作用。由于是借助化学反应,改善了整个基体的防水性能,不仅使得防水性能容易长期保持,同时也提高了基体混凝土的强度和密实程度。
    水泥基渗透结晶型防水材料最早由德国化学家路易斯·杰逊(Lauritz Jensen)发明的,主要用于地下混凝土结构的外表面防水。由于其抗渗性能和自修复性好,粘结力强,防钢筋锈蚀且对人体无害,易于施工等,水泥基渗透结晶型防水材料现已在欧洲、美国、日本、澳大利亚、新加坡、俄罗斯等众多国家与地区得到推广使用,主要用于地下工程、水利工程、水池、污水处理等结构防水中,获得了良好的防水效果。日本硅酸质系防水涂料协议会会长小新井治美先生在《2001年防水界展望》文章中称赞水泥基渗透结晶型防水材料是对环境?;?、对人类生存都有益处的防水材料,是日本应用最多的无机防水材料。但国外对这一材料的核心技术严加保密,迄今未申请任何专利。目前仅德国、美国、加拿大、瑞典、法国、日本、澳大利亚等国家的少数公司掌握这一材料的核心技术(不同公司的核心技术可能并不相同)。
    我国于上世纪80年代从国外进口水泥基渗透结晶型防水材料,开始应用于上海地铁工程。90年代以后除直接进口国外产品外,部分代理商开始从国外引进活性化学物质(母料)国内生产(国外公司只提供母料,不提供生产技术),目前的市场产值约为10亿元/年。由于水泥基渗透结晶型防水材料价格很高,使这一材料在我国的应用受到很大限制,目前仅在一些重点工程,如上海地铁、北京复八线地铁、黄河小浪底发电站、三峡大坝、北京高碑店污水厂沉淀水池、中华世纪坛、首都图书馆、中国银行总行大厦等工程,得到应用,获得良好的防水效果。
       

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