防水混凝土
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《现代工程材料实用手册》第179页（12260字）
防水混凝土是以调整混凝土配合比、掺加化学外加剂或使用特殊水泥等方法，提高混凝土自身的密实性、憎水性和抗渗性，使其满足抗渗等级大于0．6MPa的一种不透水性混凝土。
防水混凝土按照其组成材料不同，可分为普通防水混凝土、外加剂防水混凝土(如加气剂防水混凝土、减水剂防水混凝土、三乙醇胺防水混凝土和氯化铁防水混凝土)和膨胀水泥防水混凝土。防水混凝土的适用范围很广，主要用于工业建筑、民用与公共建筑的地下防水工程(地下室、地坑、通廊、转运站、水泵房、设备基础等)，储水构筑物(如水池、水塔)和江心、河心的取水构筑物以及处于干湿交替作用或冻融交替作用的工程(如桥墩、海港、码头、水坝等)。此外，也可以用于屋面工程、墙体工程及其他防水工程。
由于防水混凝土兼有防水和承重两种功能，所以防水混凝土既要满足抗渗要求，又要满足力学性能的要求。防水混凝土的抗渗等级选择，可参照水工混凝土抗渗等级的有关规定确定。一般根据最大计算水头(最高水位高于地下室底面的距离)与混凝土的壁厚的比值来制定，参见表5－103。
表5－103 防水混凝土抗渗等级选择(作用水头)
由于采用防水混凝土不允许出现渗漏，所以其抗渗等级一般最低定为P6(即在0．6MPa水压力作用下不产生渗漏)。对于抗渗性要求高的重要工程，其抗渗等级可为P8～P20。如果按水力梯度(m)来选择抗渗等级，则可按表5－104中进行。
表5－104 防水混凝土抗渗等级选择(水力梯度)
(一)普通防水混凝土的主要物理力学性能
普通防水混凝土的主要力学性能，与普通混凝土基本接近，但物理性能有较大的区别，主要表现在抗渗性方面。
1．抗渗性
抗渗性是普通防水混凝土的主要技术指标。在一般情况下，普通防水混凝土的抗渗能力是在实验室内通过短期试验进行确定的，而在实际工程中，防水混凝土常年经受水的浸泡，或干湿交替作用，在这种情况下，防水混凝土的抗渗性能，与实验室所得结果有所不同。
试验证明，普通防水混凝土的抗渗能力，与压力水作用时间的长短关系不大。在一定压力水的作用下，当外部压力与混凝土内部的阻力已经平衡，或渗水量等于蒸发量时，透水高度并不随着时间的延长而增加。实际上，普通防水混凝土在长期压力水和水位变动的作用下，不仅不降低其抗渗性，甚至还会有所提高。这是因为水泥石在受水浸泡后，体积膨胀而将混凝土中的毛细管路堵塞的缘故。
此外，在普通防水混凝土中出现的细微裂缝，有时会产生自己愈合的沉淀现象。这是由于细微裂缝渗水处，混凝土内部游离的氢氧化钙会被溶出，随着浓度的不断增大，逐渐转变成为氢氧化钙结晶。当氢氧化钙与空气中的二氧化碳接触时，产生碳化作用，生成碳酸钙晶体。氢氧化钙晶体和碳酸钙晶体都能封堵混凝土的细微裂缝，逐渐使其产生愈合。
2．强度
普通防水混凝土的强度与普通水泥混凝土的基本相同。当水泥用量和砂率不变时，其抗压强度随着水灰比的减小而增加，而抗拉强度又随其抗压强度的提高而增长，二者的比值波动在1／10～1／8之间。
3．弹性模量
弹性模量是反映混凝土变形性质的一项主要指标，与混凝土的组成材料的变形性质有关。由于普通防水混凝土的组成材料与普通混凝土基本相同，所以普通防水混凝土的弹性模量略低于普通水泥混凝土。
4．耐热性
在常温下具有较高抗渗性的普通防水混凝土，而当加热温度至100℃后，其抗渗性会明显降低。当温度超过250℃时，混凝土的抗渗能力急剧下降，如表5－105所示。因此，普通防水混凝土的使用温度不宜超过100℃。
表5－105 温度对防水混凝土抗渗性的影响
(二)普通防水混凝土
1．普通防水混凝土配合比设计的原则
设计普通防水混凝土的配合比时，首先应考虑到如何提高水泥砂浆的不透水性。通过增大石子的拨开系数(砂浆体积／石子的空隙体积)，并在混凝土粗骨料周边形成一定数量和质量良好的砂浆包裹层，来提高水泥砂浆的抗渗性，同时使粗骨料彼此隔离。有效地阻隔沿粗骨料互相连通的渗水孔网是混凝土防水的关键，也是普通防水混凝土配合比设计的总原则。
普通防水混凝土配合比设计，与普通水泥混凝土相同，一般采用绝对体积法。在设计时，应考虑以下原则：
(1)首先应满足混凝土抗渗性要求，这是进行防水混凝土配合比设计的前提。根据工程实际要求，如混凝土抗渗性、耐久性、使用条件及材料情况确定水泥品种；由混凝土的强度确定水泥的强度，并根据施工性能，适当提高水泥用量。
(2)合理选用混凝土的组成材料，对于砂石一般优先选用当地的材料，适当提高砂率及灰砂比。
(3)水灰比的选择，主要依据工程要求的抗渗性和施工最佳和易性来确定。施工和易性主要由结构条件和施工方法综合考虑决定。
2．普通防水混凝土配合比设计的步骤
(1)确定水灰比、拌合水用量
根据工程设计要求的抗渗指标、强度和施工条件，选定混凝土拌合物的坍落度、水灰比、用水量，并计算水泥用量。为确保防水混凝土的抗渗性，普通防水混凝土的最大水灰比应符合表5－106的规定。
表5－106 普通防水混凝土最大水灰比
普通防水混凝土拌合水用量与砂石材料、搅拌条件等因素有关，在确定拌合水用量时，可根据混凝土拌合物的坍落度、砂率，参见表5－107选择。最后根据混凝土的试配结果确定。
表5－107 普通防水混凝土拌合用水量
注：1．表中石子的粒径为5～20mm，若石子最大粒径为40mm时，用水量减少5～10kg／m3。表中石子按卵石考虑，若采用碎石时，用水量增加5～10kg／m3。
2．表中采用火山灰质硅酸盐水泥，若采用普通硅酸盐水泥时，则用水量增加5～10kg／m3。
(2)选择砂率
普通防水混凝土的砂率比普通水泥混凝土稍高，可根据石子的空隙率和砂子的平均粒径，按表5－108中选用。
表5－108 普通防水混凝土的砂率选用表
注：石子空隙率=(1－石子松堆密度／石子表观密度)×100%。
(3)计算砂石用量
普通防水混凝土的砂石用量，可按绝对体积法或假定表观密度法确定，或按以下方法进行确定：
①根据选用的砂率，按下式计算砂石的混合密度：
ρ砂石=ρ砂·SP+ρ石(1－SP) (5－63)
式中 SP——混凝土的砂率(%)；
ρ砂石——砂石的混合密度(kg／m3)；ρ砂，ρ石——分别为砂、石的密度(kg／m3)。
②按照下式计算砂石混合用量：
式中 a——混凝土中砂石的混合用量(kg／m3)；
mw，mc——分别为水和水泥的用量(kg)；
ρw，ρc——分别为水和水泥的密度(kg／m3)。
③按下式计算砂子和石子的用量：
ms=SP·a (5－65)
式中 ms——砂的用量(kg)。
mg=a－ms (5－66)
式中 mg——石子的用量(kg)。
根据上述计算的各种材料的用量，初步确定其配合比进行试配，如果与工程要求不符，则应进行适当调整，直至满足设计所提出的所有要求。
对于普通防水混凝土配合比设计，应增加混凝土的抗渗性能试验，试验结果应符合下列规定：
1)试配要求的抗渗水压值应比设计值提高0．2MPa；
2)试配时应采用水灰比最大的配合比进行抗渗性能试验，其试验结果应符合下式的要求：
式中 Pt——6个试件中4个试件未出现渗水时的最大水压值(MPa)；
P——混凝土设计要求的抗渗等级(MPa)。
3)掺加引气剂的混凝土还应进行含气量试验，普通防水混凝土的含气量宜控制在3%～5%范围内。
(三)减水剂防水混凝土
1．减水剂适宜掺量的选择
在采用减水剂防水混凝土施工中，应根据结构要求、施工工艺、施工温度以及混凝土原材料的组成、特性等因素，正确地选择减水剂的品种。对所选用的减水剂，应经过试验复核产品说明书所列技术指标，不能完全依赖说明书推荐的“最佳掺量”，应以实际所用材料和施工条件，进行模拟试验，求得减水剂的适宜掺量。各类减水剂适宜掺量可参考表5－109。
表5－109 各类减水剂适宜掺量参考表
(1)NNO减水剂是一种高效能分散剂，其减水率为12%～20%，增强率为15%～30%；早期(3d和7d)增强作用非常明显，并可使混凝土的抗渗性提高1倍以上，但是其价格较高，应用不太广泛。
(2)MF减水剂是一种兼有引气作用的高效能分散剂，其减水和增强作用可以与NNO减水剂媲美，其抗渗性和抗冻性的效果还优于NNO减水剂。如果施工中不加强振捣，会降低混凝土的强度，所以使用时应用高频振动器排出混凝土中的大气泡。
(3)木钙减水剂也是一种兼有引气作用的减水剂，但其分散作用不如MF和NNO减水剂，一般可减水10%～15%，增强10%～20%；对混凝土抗渗性能的提高特别明显，且具有一定的缓凝作用，适宜夏季混凝土施工。缺点是当温度较低时，强度发展比较缓慢，需要与早强剂复合使用。木钙减水剂价格低廉，在工程中应用最广泛。
(4)糖蜜减水剂是一种与木钙减水剂基本相同的减水剂，其性能也与木钙相似，优点是比木钙的掺量少，但材料来源不如木钙广泛。
2．减水剂防水混凝土的配制要求
减水剂防水混凝土的配制，除了应遵循普通防水混凝土的规定外，还应注意以下技术要求：
(1)根据工程需要调节水灰比。当工程需要混凝土的拌合物坍落度80～100mm时，可不减少或稍减少拌合用水量；当要求坍落度30～50mm时，可大大减少拌合用水量。
(2)由于减水剂能增大混凝土拌合物的流动性，所以掺加减水剂的防水混凝土，其最大施工坍落度可不受50mm的限制，但也不宜过大，以50～100mm为宜。
(3)混凝土拌合物泌水率大小对硬化后混凝土的抗渗性有很大影响。由于加入不同品种的减水剂后，均能获得降低泌水率的良好效果，一般有引气作用的减水剂(如MF、木钙等)效果更为显着，故可采用矿渣硅酸盐水泥配制防水混凝土。
(4)减水剂的掺量必须严格控制，其适宜掺量参考表5－109。
3．减水剂防水混凝土的配制和施工要点
(1)进行配合比设计
混凝土配合比，可以参考普通防水混凝土各项技术参数，但应注意控制水灰比，充分发挥减水剂的优越性，并应在试配过程中，特别注意所用水泥是否与所选减水剂相适应，在有条件的情况下，宜对水泥和减水剂进行多品种比较，不宜在单一的狭隘范围内寻求“最佳掺量”。此步骤应结合经济效益一并分析考虑。
(2)严格计量和掺加方法
施工中，应严格控制减水剂掺量，误差宜控制在1%以内。如减水剂为干粉状，宜在使用前，先将干粉倒入60℃左右的热水中搅匀，配制成20%浓度的溶液(以比重计控制溶液浓度)，再根据实际情况决定减水剂的掺加方法(先加法或后加法)。严禁将减水剂干粉倒入混凝土搅拌机内拌合。
(3)其他注意事项
1)若以粉煤灰为粉细料掺入混凝土，由于粉煤灰含有一定量的碳，可降低减水效果，应调整减水剂的用量。
2)使用引气型减水剂，为消除过多的有害气泡，可采取高频振动、插入振动或与消泡剂复合使用等方法，以增加混凝土的密实性。
3)注意养护，特别是潮湿养护。
(四)引气剂防水混凝土
引气剂防水混凝土是在普通混凝土中掺入微量的引气剂配制而成的，这种防水混凝土具有良好的和易性、抗渗性、抗冻性和耐久性，且具有较好的技术经济效果，国内外应用较普遍。目前，国内常用的引气剂是松香热聚物和松香酸钠，此外还有烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠、松香皂和氯化钙复合外加剂。
1．引气剂防水混凝土的主要特性
(1)引气剂防水混凝土中含有适宜的气泡组织，是提高混凝土抗渗性和耐久性的主要因素。只有当水泥用量较低而含气量适宜时，引气剂防水混凝土的抗渗标号才能得到提高。
(2)由于引气剂防水混凝土抗渗能力较高，水分不易渗入，从而减少了混凝土冻胀破坏的可能。更主要的是混凝土中引入了无数微小的密闭气孔，提高了混凝土的变形能力，吸收和减少了由于干湿、冻融交替作用所产生的体积变化和内应力，提高了混凝土的抗冻胀破坏的性能。引气防水混凝土的抗冻性最高可为普通混凝土的3～4倍。所以，在寒冷地区的防水混凝土工程及遭受冻害的水利、港口、道路、桥梁等混凝土工程，使用引气剂防水混凝土是最适宜的。
(3)引气剂防水混凝土的早期强度增长比较缓慢，7d后强度增长比较正常。这种引气混凝土的抗压强度随着含气量的增加而降低，一般含气量每增加1%，28d强度约下降3%～5%，但引气剂改善了混凝土的和易性，在保持和易性不变的情况下可减少拌合用水量，从而可以补偿部分强度损失。通常每增加1%的含气量，水灰比可降低0．01～0．02。在调整水灰比及砂率后，抗压强度值从原来的3%～5%减少到2%左右。在这种混凝土中，强度可不降低或稍有降低。
(4)加入引气剂后，混凝土的弹性模量稍有降低。含气量每增加1%，其弹性模量大约下降3%左右。
从以上性能分析可知，引气剂防水混凝土适用于抗渗性、抗冻性要求较高的防水混凝土工程，特别适用于恶劣自然环境工程。
2．影响引气剂防水混凝土性能的主要因素
影响引气剂防水混凝土性能的因素很多，主要分为两类：一类是原材料方面的因素；另一类是工艺方面的因素。这些影响因素除养护外，都是通过影响含气量而影响混凝土性能的。
(1)引气剂掺量
引气剂防水混凝土含气量是影响混凝土防水效果的决定性因素，而含气量的多少直接影响着混凝土的强度和抗渗性，如表5－110所示。混凝土掺用加气剂虽有提高抗渗性的作用，但也有降低强度的作用。经验证明，混凝土中含气量在3%～6%，其全面性能优良，在此条件下混凝土的密度降低不超过6%，混凝土强度降低不超过25%，而抗渗性最好。
表5－110 引气剂掺量对混凝土抗渗性能的影响
注：水泥用量为280kg／m3，水灰比为0．55。
从提高抗渗性、改善混凝土内部结构及保持应有的混凝土强度出发，对加气剂防水混凝土中的含气量要进行控制，使其含气量达到适量。我国对引气剂混凝土含气量要求控制在3%～5%以内。因此，松香酸钠的掺量(水泥质量的)为万分之一到万分之三，松香热聚物的掺量约万分之一。
(2)水灰比
引气剂防水混凝土气泡的形成与混凝土拌合物的稠度有密切关系。水灰比较小时，混凝土拌合物的稠度大，不利于气泡的形成，使混凝土中的含气量降低；水灰比较大时，虽然引气剂掺量不变，但拌合物的稠度较小，有利于气泡的生成，含气量会提高。因此，水灰比不仅决定着混凝土内部毛细管数量和大小，还影响气泡的数量和特性，而且它们对引气剂防水混凝土抗渗性的影响比普通混凝土显着。
为了使混凝土中的含气量不超过6%，以保证混凝土的抗渗性和强度，在不同水灰比情况下，引气剂的极限掺量如表5－111所示。
表5－111 引气剂掺量与水灰比的关系
(3)灰砂比
灰砂比的大小直接影响混凝土的黏滞性。混凝土的灰砂比愈大，混凝土黏滞性愈大，含气量愈小，为了获得一定的含气量，就需要增加引气剂的掺量；反之，灰砂比小，混凝土含气量上升，就应减少引气量的掺量。
(4)砂的细度
砂的粒径大小影响气泡的大小。试验证明，砂子愈粗，气泡愈大，混凝土的结构不均匀，抗渗性较差；砂子愈细，气泡愈细小均匀，对混凝土的抗渗性有利，如表5－112所示；但采用细砂需要增加用水量和水泥用量，其收缩性也增大。因此，在工程中可因地制宜，采用细砂和中砂，尤以细度模数为2．6左右的砂为好。
表5－112 砂的细度对混凝土抗渗性的影响
注：水灰比为0．55；水泥用量为280kg／m3；砂率为28%；引气剂掺量为0．5%。
(5)搅拌时间
搅拌时间对混凝土的含气量有明显的影响。一般是含气量随着搅拌时间的增加而加大，搅拌2～3min时含气量达到最大值，如果再继续搅拌，则含气量就开始下降。这是因为随着搅拌时间的增加，混凝土拌合物中的氢氧化钙不断与引气剂钠皂反应，生成难溶于水的钙皂，使继续形成气泡变得越来越困难。同时，随着混凝土中含气量的增加，混凝土拌合物变得越来越黏稠，生成气泡也越来越困难，而最初形成的气泡却在搅拌中不断被搅拌力破坏，使混凝土中消失的气泡多于增加的气泡，因而使混凝土中的含气量降低。
由于混凝土的组成不同和掺加的引气剂品种不同，所以合适的搅拌时间应通过试验确定，一般情况下较普通混凝土稍长一些，以2～3min为宜。
(6)混凝土养护
养护条件如何对引气剂防水混凝土的抗渗性影响很大，当混凝土浇筑完毕后，要求在一定的温度和湿度下进行养护，养护条件不同对混凝土的抗渗性影响也不相同，如表5－113所示。低温养护对引气剂防水混凝土尤其不利，因为引气剂吸附于水泥颗粒的表面，妨碍水泥的水化作用，所以在冬期施工引气剂防水混凝土时应特别注意。
表5－113 养护条件对混凝土抗渗性的影响
试验结果表明，养护时的温度愈高，对提高混凝土的抗渗性越有利。如在合适温度的水中养护，则其抗渗性更好。
(7)混凝土振捣
不同的振捣机械具有不同的振动力，但皆会因振捣而降低混凝土中的含气量，用振动台和平板振捣器捣实，空气含量的下降幅度要比插入式振动器小。振动的时间越长，含气量的损失也越大。
为了保证混凝土中具有一定的含气量，振捣时间不宜过长，当采用插入式振捣器时，其振动时间一般不宜超过20s。工程实践证明，采用高频振动器，不仅捣实效果好，气泡直径较小且均匀，而且混凝土强度较高，抗渗性能也较好。
3．引气剂防水混凝土的配制要点
根据试验和施工实践经验，加气剂防水混凝土的配制应注意以下几点：
(1)引气剂掺量
松香酸钠加气剂掺量一般为水泥重量的0．03%，掺入搅拌均匀后再加入0．075%(占水泥重量)的氯化钙。松香热聚物加气剂掺量为水泥重量的0．005%～0．015%。
(2)水灰比与水泥用量
水灰比宜在0．50～0．60之间，最大不宜超过0．65，水泥用量一般为250～300kg／m3，最小水泥用量不低于250kg／m3。
(3)砂率
引气剂防水混凝土由于产生许多微小的气泡，所以其用砂量不如减水剂防水混凝土多，在一般情况下砂率宜在28%～35%之间。
(4)含气量
由于混凝土中有微小气泡的存在，会提高混凝土的抗冻性和抗渗性，但如果含气量过大会严重降低混凝土的强度，所以，经试验证明混凝土的含气量宜控制在3%～6%之间，根据我国的实际以3%～5%为宜。
(5)砂石级配、坍落度
引气剂防水混凝土的砂石骨料级配和混凝土拌合物的坍落度，与普通防水混凝土相同。
(五)三乙醇胺防水混凝土
三乙醇胺防水混凝土，是在混凝土中随拌合水掺入一定量的三乙醇胺防水剂配制而成的。具有防水、早强和增强的多种作用，特别适用于需要早强的防水工程，是一种良好的防水混凝土。广泛用于水塔、水池、地下室、泵房、地沟、设备基础等。
1．三乙醇胺防水混凝土的配制
(1)严格按配方配制防水剂溶液，并应充分搅拌至完全溶解。防止氯化钠和亚硝酸钠溶解不充分，或三乙醇胺分布不均而造成不良后果。
(2)三乙醇胺对不同的水泥作用不同，若调换水泥品种，则应重新进行试验。
(3)严格掌握三乙醇胺的掺量，并且不得将防水剂材料直接投入搅拌机内，致使拌合不均匀而影响混凝土的质量。配好的防水剂应和拌合用水掺合均匀使用。
(4)工程中常用的三乙醇胺防水剂，一般有三种配方见表5－114。但靠近高压电源和大型直流电源的防水工程，宜采用1号配方来配制防水混凝土，不宜采用2号或3号配方。
表5－114 三乙醇胺防水剂常用配方
注：1．表中的百分数为水泥重量的百分数。
2．1号配方适用于常温和夏期施工，2、3号配方适用于冬期施工。
3．表中资料分子为采用100%纯度三乙醇胺的量，分母为采用75%工业品三乙醇胺的用量。
(5)在冬期施工时，除了掺入占水泥重量0．05%的三乙醇胺外，再加入0．5%的氯化钠及1%的亚硝酸钠，其防水效果更好。
(6)配制三乙醇胺防水混凝土必经严格控制水泥用量，当设计抗渗压力在0．8～1．2MPa时，水泥用量以300kg／m3为宜。
(7)配制三乙醇胺防水混凝土，砂率必须随水泥用量的降低而相应提高，使混凝土中有足够的砂浆量，以确保混凝土的密实性，从而提高混凝土的抗渗性。当水泥用量为280～300kg／m3时，砂率以40%左右为宜。掺三乙醇胺早强防水剂后，灰砂比可以小于普通防水混凝土1∶2．5的限值。
(8)三乙醇胺防水混凝土对石子级配无特殊要求，只要在一定水泥用量范围内，并且保证有足够的砂率，无论采用何种级配的石子，都可以使混凝土具有良好的密实度和抗渗性。
(9)三乙醇胺防水剂对不同品种水泥均有较强的适应性，特别是能够改善矿渣硅酸盐水泥的泌水性和黏滞性，提高其抗渗性。对要求低水化热的防水工程，以选用矿渣水泥为宜。
2．三乙醇胺防水混凝土的参考配合比
三乙醇胺防水混凝土的参考配合比见表5－115。
表5－115 三乙醇胺防水混凝土参考配合比
3．三乙醇胺防水混凝土的施工要点
三乙醇胺防水混凝土在施工过程中，除按照普通混凝土施工有关规定外，还要严格遵循以下施工要点：
(1)要求严格按照设计的配方配制三乙醇胺防水剂溶液，并充分进行搅拌，防止氯化钠和亚硝酸钠溶解不充分，或三乙醇胺在溶液中分布不均匀，而影响三乙醇胺防水混凝土的质量。
(2)配制好的防水剂溶液应与拌合水混合均匀后使用，不得将防水材料直接投入混凝土搅拌机中，以防拌合不均匀，影响混凝土拌合物的质量。
(3)靠近高压电源的防水工程，如果采用三乙醇胺防水混凝土，只允许单掺三乙醇胺防水剂，不能掺加氯化钠和亚硝酸钠。