防水混凝土结构
出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《建筑工程施工实用技术手册》第503页（11082字）
防水混凝土结构是指以本身的密实性而具有一定防水能力的整体式混凝土或钢筋混凝土结构。防水混凝土结构兼有承重、围护和抗渗的功能，还能满足一定的耐冻融及耐侵蚀的要求。与卷材防水层等相比，防水混凝土结构具有材料来源广泛、工艺操作简便、改善劳动条件、缩短施工工期、降低工程造价、检查维修方便等优点。
地下防水混凝土结构适用于一般工业与民用建筑的地下室、地下水泵房、水池、水塔、大型设备基础、沉箱等防水建筑，以及地下通廊、桥墩、码头、水坝等构筑物。
防水混凝土结构常采用普通防水混凝土和外加剂防水混凝土。
(一)普通防水混凝土
普通防水混凝土是通过采用较小的水灰比，适当增加水泥用量和砂率，提高灰砂比，采用较小的集料粒径，严格控制施工质量等技术措施，从材料和施工两个方面抑制和减少混凝土内部孔隙的形成，特别是抑制孔隙间的连通，堵塞渗透水的通道，靠混凝土本身的密实性和抗渗性达到防水要求的混凝土。
工程实践证明，普通防水混凝土具有材料来源广泛、施工非常简便、技术比较成熟、加快工程进度、缩短施工工期等优点，有明显的经济效益和实用价值。
1．提高混凝土抗渗性的措施
孔隙和裂缝是造成普通混凝土渗漏的主要原因，抑制孔隙、减少裂缝、提高混凝土的密实度，采用控制混凝土配合比各项技术参数的措施，通过试配求得符合设计要求的防水混凝土最佳配合比，是提高混凝土抗渗性的关键所在。
(1)水灰比
拌合普通混凝土的用水量，一部分为水泥水化所需，另一部分为改善施工和易性所需。在水泥用量一定的前提下，应予调整用水量控制水灰比。试验证明：水灰比过大或过小，均不利于防水混凝土的抗渗性。若用水量过多，水灰比过大，混凝土硬化后其多余的水分逐渐蒸发出来，使混凝土内部形成孔隙和毛细管通路，降低混凝土的抗渗性；若用水量过少，水灰比过小，则混凝土施工和易性差，会造成混凝土密实度较小，同样降低混凝土的抗渗性。
因此，只有选择适宜的水灰比值，才能使普通防水混凝土获得良好的和易性、抗渗性和耐久性。普通防水混凝土水灰比允许值，可参考表8－19。
表8－19 普通防水混凝土水灰比允许值
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8－20选择。最后根据混凝土的试配结果确定。
表8－20 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。
但是，工程实践和试验证明，如果混凝土的水灰比大于0．60，混凝土耐久性重要指标抗冻性则明显下降，则其抗渗性也相应降低。因此，对于抗渗性要求较高的混凝土，其水灰比一般应控制在0．55以下。
(2)水泥用量
当混凝土的水灰比确定之后，水泥用量直接影响着混凝土的抗渗性。足够的水泥用量是保证混凝土中水泥砂浆数量和能否提高密实度的关键。在砂率固定的条件下，若水泥用量过小，则水泥不能充分包裹砂的表面，不仅使混凝土拌合物干涩，而且会使混凝土内部产生孔隙，从而降低密实度，导致抗渗性下降。因此，对于普通防水混凝土，无论从强度还是抗渗性要求，均应有一个水泥最小用量。
在普通混凝土中加入粉细料可以改善砂的级配，填充一部分砂粒之间的微小空隙，间接地降低混凝土的水灰比，使混凝土的密实度和抗渗性有一定提高，粉细料一般采用粉煤灰、火山灰、石粉和磨细砂等。
在实际工程中，在选定普通防水混凝土配合比时，对于不掺粉细料的，水泥用量不得少于300kg／m3；对于掺活性粉细料的，水泥用量不得少于280kg／m3。
(3)砂率
在混凝土的水灰比和水泥用量选定之后，应选择适宜的砂率，以保证混凝土中水泥砂浆的数量和质量，减少和改变混凝土的孔隙结构，增加混凝土的密实度，提高抗渗性。试验证明，砂率对混凝土的抗压强度和抗渗性均有很大影响，其影响程度如表8－21所示。防水混凝土的砂率以35%～45%为宜。
表8－21 砂率对混凝土抗压强度和抗渗性的影响
(4)灰砂比
灰砂比是普通防水混凝土配合比中的一个重要技术参数。灰砂比直接表明水泥砂浆的浓度和水泥包裹砂粒的情况，是衡量填充石子空隙的水泥砂浆质量的标准。因此，在确定水泥用量的前提下，灰砂比将直接影响着混凝土的抗渗性。灰砂比过大或过小，对混凝土的抗渗性均有不良影响。根据工程经验，普通防水混凝土的灰砂比宜控制在1∶2．0～1∶2．5范围内为宜。
(5)坍落度
在适宜的水灰比和砂率均固定的条件下，拌合物的坍落度与混凝土抗渗性有密切关系。坍落度越大，集料的沉降越剧烈，较重的粗集料快速下沉，当粗集料下沉趋于稳定后，其间的水泥砂浆还在继续沉降，而一部分游离水却上升到混凝土拌合物的表面，另一部分水积聚在粗集料的下面成为一层水膜，从而形成外部和内部泌水。
在混凝土硬化过程中，这些多余的游离水逐渐蒸发，使混凝土内部形成毛细孔道，使抗渗性下降。因此，在选定合适的水灰比、砂率和水泥用量的同时，还应控制混凝土拌合物的坍落度。普通防水混凝土拌合物的坍落度以30～50mm为宜，对于掺加外加剂或采用泵送工艺的防水混凝土可不受此限制。
2．防水混凝土对材料的要求
(1)水泥
防水混凝土中水泥的品种应按工程特点和设计要求选用。在受冻融作用的条件下，应优先选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥；在不受侵蚀性介质和冻融作用的条件下，宜采用火山灰质硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥；在受硫酸盐侵蚀介质作用的条件下，可采用火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和抗硫酸盐硅酸盐水泥；在掺加适当品种外加剂的情况下，也可采用矿渣硅酸盐水泥。
严禁采用过期的水泥、受潮水泥和混入杂质的水泥，不同品种或不同强度等级的水泥不得混用。水泥的强度等级一般不宜低于42．5。
(2)砂石
防水混凝土所用的砂石材料，除应符合现行标准《建筑用砂》(GB／T 14684—2001)和《建筑用卵石、碎石》(GB／T14685－2001)中的有关规定外，石子最大粒径不宜大于40mm，含泥量不得大于1%，泥块含量不得大于0．5%，石子的吸水率不大于1．5%；砂宜采用粗砂和中砂，其平均粒径为0．4mm左右，砂的含泥量不得大于3%，泥块含量不得大于1%。
(3)水
防水混凝土所用的拌合水，应采用不含有害物质的洁净水，要求水中不含影响水泥正常硬化的有害杂质，如油脂、糖类等，一般饮用水或天然洁净水均可。
(二)外加剂防水混凝土
外加剂防水混凝土是指在普通混凝土中掺入适量外加剂，以改善混凝土的性能和结构组成，提高其密实度和抗渗性，从而达到防水要求的混凝土。
混凝土外加剂的种类很多，主要是以吸附、分散、引气、催化等物理、化学作用，使混凝土得到一定的改性。不同品种的外加剂，具有不同的性能和作用，应根据工程结构和施工工艺等，以及对防水混凝土的具体要求，选择适宜的外加剂。
常用的外加剂防水混凝土有减水剂防水混凝土、引气剂防水混凝土、补偿收缩防水混凝土和聚合物水泥混凝土等。
1．减水剂防水混凝土
减水剂防水混凝土是在混凝土中掺入适量的减水剂配制而成，凡以各种减水剂配制而成的混凝土，统称为减水剂防水混凝土。减水剂的种类很多，主要有：木质素磺酸钙、MF(次甲基萘磺酸钠)、糖蜜、NNO(亚甲基二萘磺酸钠)等。
(1)减水剂防水混凝土减水剂的选择
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8－22。
表8－22 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。
4)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8－22。
2．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集料级配和混凝土拌合物的坍落度，与普通防水混凝土基本相同。
(2)引气剂防水混凝土施工注意事项
1)引气剂防水混凝土宜采用机械搅拌。搅拌时首先将砂、石、水泥倒入混凝土搅拌机，引气剂预先加入混凝土拌合水中搅拌均匀溶解后，再加入搅拌机内。引气剂不得直接加入搅拌机，以免气泡集中而影响混凝土质量。
2)在搅拌过程中，应按规定检查混凝土拌合物的和易性(坍落度)和含气量，使其严格控制在规定的范围内。
3)引气剂防水混凝土宜采用高频振捣器振捣，以排除混凝土中的大气泡，保证混凝土的抗冻性。
4)养护的温度和湿度对引气剂防水混凝土的抗渗性有很大影响。如果在5℃条件下养护，混凝土几乎完全失去抗渗能力，因此冬期施工必须特别注意温度影响。养护湿度越高，对提高防水混凝土的抗渗性越有利。
3．三乙醇胺防水混凝土
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和均匀使用。
4)工程中常用的三乙醇胺防水剂，一般有三种配方，见表8－23。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8－23 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季施工，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，以便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粘滞性，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)三乙醇胺防水混凝土的参考配合比见表8－24。
表8－24 三乙醇胺防水混凝土参考配合比
2)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。
3)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。
4)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。
4．补偿收缩防水混凝土
补偿收缩防水混凝土是用膨胀水泥，或在普通混凝土中掺入适量的膨胀剂配制而成的一种微膨胀混凝土。补偿收缩防水混凝土，适用于一般的工业和民用建筑的地下防水结构、水池、水塔等构筑物、人防、洞库以及修补堵漏、压力灌浆、混凝土后浇缝等。
补偿收缩混凝土是依靠水泥本身水化过程中形成(或掺入微量膨胀剂)大量膨胀性柱状或针状的结晶水化物——钙矾石。钙矾石在生成的过程中，不断填充、堵塞、切断连通的毛细孔道，改善了混凝土的孔隙结构，使大孔减少，孔隙率降低，抗渗性提高。
(1)补偿收缩混凝土对材料的要求
1)水泥。水泥是补偿收缩混凝土中的主要材料，水泥的质量应符合设计要求或国家规定的标准，严禁使用受潮、变质的水泥，水泥的储存期若超过三个月，应根据测试的膨胀率确定能否使用。
2)集料。石子应符合《普通混凝土碎石或卵石质量标准及检验方法》规定，石子最大粒径不大于40mm，含泥量不得大于1%，吸水率不应大于1．5%，砂岩集料不宜采用。
砂应符合《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》的规定，砂的含泥量不应大于3%，砂中云母含量不应大于1%，海砂不宜采用。
3)拌合水。饮用水、洁净的天然水均可用于混凝土。含有害杂质的水，pH值小于4的酸性水，pH值大于9的碱性水，硫酸盐含量超过水重量1%的水及海水、工业废水不得使用。
4)外加剂。外加剂要有出厂合格证，并应符合有关产品质量标准要求。
(2)补偿收缩混凝土的配制方法
补偿收缩混凝土的配合比，首先可按普通防水混凝土的技术参数进行试配，初步选定出水灰比、水泥用量和用水量，然后按所确定的砂率计算出每立方米混凝土的砂、石用量，求出初步配合比。一般采用膨胀水泥防水混凝土的配制要求见表8－25。
表8－25 膨胀水泥防水混凝土的配制要求
按表8－25配制要求拌制的混凝土(或采用膨胀剂拌制的混凝土)，需制作强度试件和膨胀试件(包括自由膨胀试件和限制膨胀试件)，以检验其是否满足设计要求。当满足设计要求即可在施工现场试拌，考虑砂石的含水率，计算出施工配合比。使用UEA混凝土膨胀剂拌制的混凝土参考配合比见表8－26。
表8－26 UEA补偿收缩混凝土配合比参考表
使用膨胀水泥或膨胀剂必须称量准确，膨胀水泥的掺量误差不得大于1%，膨胀剂的掺量误差不得大于0．5%。
(3)补偿收缩防水混凝土的施工
1)浇筑前，应检查模板的坚固性、稳定性，使模板所有接缝严密，不得漏浆，并宜将模板及与混凝土接触的表面先行湿润或保潮，且保持清洁。
2)严格掌握补偿收缩防水混凝土的配合比，并依据施工现场的情况变化，及时正确地调整其用量。
3)补偿收缩防水混凝土的坍落度损失较大，如现场施工温度超过30℃，或混凝土运输、停放时间超过30～40min，应在拌合前加大混凝土坍落度的措施。
4)补偿收缩防水混凝土拌制宜采用机械搅拌，搅拌时间要比普通混凝土时间适当延长。当采用UEA补偿收缩防水混凝土时，采用强制式搅拌机搅拌，时间要比普通混凝土延长30s以上；采用自落式搅拌机搅拌，时间要延长1min以上。搅拌时间的长短，以拌合均匀为准。
5)补偿收缩防水混凝土无泌水现象，适用于泵送工艺，但应注意早期保养，并采取挡风、遮阳、喷雾等措施，以防产生塑性收缩裂缝。
6)若因客观因素导致停工间歇时间过长，应按规定留设施工缝。
7)补偿收缩防水混凝土浇筑温度不宜超过35℃，亦不宜低于5℃；当施工温度低于5℃时，应采取保温措施。使用UEA混凝土不能用于长期处于温度80℃以上的工程，否则会因钙矾石晶体转变而使强度下降。
8)刚刚浇筑完毕的混凝土，应避免阳光直射，及时用草袋等覆盖，注意加强养护，特别要注意早期养护。常温下，浇筑后8～12h，即可覆盖浇水，并应保持湿润养护至少14d，使混凝土经常保持湿润状态。也可用塑料薄膜覆盖，或喷涂养护剂养护。