混凝土结构耐久牲与防水功能一体化研究的思考.pdf

全国中文核心期刊 钎 癯 中 国 科 技 核 心 期 -T1 混凝士结构耐久牲与防水功能一体化 研究的思考 张婵 ， 叶琳 昌 z 1 ．上海 东方 雨虹 防水 技术有 限责任 公司 ， 上海2 0 0 4 4 2 ； 2 ． 中国建筑业协会建筑 防水分会 ， 北京1 0 0 1 2 0 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 中图分类号 T U 5 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 7 0 2 X 2 0 1 6 0 1 0 0 5 9 o 4 Co n s i d e r a t i o n o n i n t e g r a t i o n s t u d y o f d u r a b i l i t y a n d wa t e r p r o o fi n g o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s Z H A N G C h a rt ， Y E L i n c h a n 1 ． S h a n g h a i O r i e n t a l Y u h o n g Wa t e r p r o o f T e c h n o l o g y C o ．L t d ． ， S h angha i 2 0 0 4 4 2 ， C h i n a 2 ．B u i l d i n g Wa t e rpr o o f B r a n c h o f C h i n a C o n s t r u c ti o n I n d u s t r y A s s o c i a t i o n ． B e ij i n g 1 0 0 1 2 0 ， C h i n a l 问题由来 进入2 1 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 2 0 1 0 年4月 1 6日 报道 “ 中国每年有 2 0亿m 2 新建面积， 但这些建筑的使用寿命只有2 5 3 O年。 与 此同时， 中国3 0 ％ 7 O ％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 收稿 日期 2 0 1 5 1 o ． 2 7 作者 简介 张婵 ， 女， 1 9 8 1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 2 1 0弄 9楼， E - ma i h 5 6 2 7 3 2 3 3 7 q q ． c o m o 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 ． 3 m m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 6 0 ％。 从物理概念上说， 水分子的直径约O - 3 u lm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 o J 。另外， NE W BUI L DI NG MAT E Rf AL S 5 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张婵， 等 混凝土结构耐久性与防水功能一体化研究的思考 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 1 9 9 3 年 4 6 月问的连续报导， 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 裂缝漏水一渗透一生锈腐蚀膨胀一剥落”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 2 0 1 5 年6 月1 9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1 0 0 年的桥梁， 竟然在投入不到 1 0 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2 8 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， 2 8 d 的水化深度大约是 1 0 m ， 相对于颗粒粒径绝大多数在3 0 m以下的水泥而言， 2 8 d 水化已完成9 0 ％以上。也就是说， 2 8 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 1 8 9 7 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 3 0 4 0 年强度达到最高， 大约提高了1 0 0 ％， 然后逐年下降； 存 放9 5 年强度从最高点下降约4 0 ％，但仍然高于2 8 d 强度约 2 0 ％。 当年日 本小樽港工程所用的水泥颗粒粒径是2 0 0 Ix m方 孔筛筛余量小于 1 0 ％， 其平均粒径远大于目 前国内标准使用 的8 0 u m方孔筛筛余量小于1 0 ％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2 5 0 m 2 ／ k g 的水泥， 混凝土存放5 年抗压 强度达到最高， 增长约 4 0 ％， 然后逐年下降， 至 1 0 年甚至低 于原来的2 8 d 强度。正因为目前我国水泥颗粒粒径大多在 3 0 m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 1 0 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 1 0 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 N E W BUI L DI NG M AT E RI AL 5 61 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张婵， 等 混凝土结构耐久性与防水功能一体化研究的思考 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2 0 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U S A m y C o r p s o f E n g i n e e r s A C E C A D C 4 8 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1 2 3 r t l 水头压力 1 ． 2 M P a 。 “ 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2 O 世纪8 0 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’ 惺面的应用， 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 6 2 新型建筑材料 2 0 1 6 ． 1 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’ 仂水技术的 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～， 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，更要求采取 “ 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 ] E 京 中国建筑工业出版社， 2 0 1 1 ． [ 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， 2 0 0 0 ． A 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m