浅谈防水混凝土的防水机理和配合比设计
浅谈防水混凝土的防水机理和配合比设计
混凝土是应用最广的材料之一，广泛应用于桥梁、大坝、管道、地上和地下建筑。虽然混凝土是密实和坚硬的，但是其内部是有孔隙的。所以当其暴露于潮湿的环境中，水将会渗入到混凝土中，从而导致混凝土的破坏和恶化。如果将混凝土样品置于显微镜下观察，可以发现有很多适合水的渗流路径。当然，混凝土在一段时间之后，其渗流路径会被关闭，从而导致其透水性急剧降低。根据国外学者Myron H.的研究表明：混凝土露天建筑在3～12年后可变成防水的。现代混凝土防水技术主要分为刚性防水材料和柔性防水材料。相对于后者，前者尤其是防水混凝土，具有防水和承重双重功能，同时又能加快施工进度、降低工程造价、改善作业条件等特点，还可满足一定的耐久性要求。防水混凝土在地下室、蓄水池、水泵房、水塔等防水建筑中已得到了广泛的应用。
防水混凝土的防水机理及分类
根据Darcy定律，水的渗透是毛细孔吸水饱和与压力水透过的连续过程，其快慢与混凝土孔隙率及其组分的比表面积相关。虽然混凝土是密实和坚硬的，普通混凝土作为一种均质多孔材料，其内部有各种毛细管裂缝和孔隙随机分布并相互连通，形成一个孔隙网络贯穿整个空间，从而形成诸多渗水通道。而防水混凝土就是通过适当的措施、减少混凝土内部毛细孔的生成，削弱界面过渡区的连通性，抑制硬化浆体中微裂缝的产生，抑制混凝土内部孔隙网络的发育，削弱混凝土内部的渗水通路，从而使混凝土具备防水功能或减小孔隙率，空隙内胶体堵塞和空隙因受压迫减少等使防水混凝土孔隙结构得到改善，较大程度地提高了混凝土的密实度和抗渗性。归根到底，防水混凝土区别于普通混凝土的根本原因在于其密实和空隙结构的改变。
根据配制方法的不同，防水混凝土可以分为普通防水混凝土、外加剂防水混凝土和膨胀水泥防水混凝土。普通防水混凝土是以调整配合比的方法来提高自身密实度和抗渗性的。通过保证一定数量和质量的水泥砂浆，在粗骨料周围形成一定厚度的砂浆包裹层，把粗骨料彼此隔开以堵塞粗骨料之间的渗水通道，从而提高混凝土的抗渗能力。外加剂防水混凝土是在混凝土中掺入适当品种和数量的外加剂隔断或堵塞混凝土中的各种孔隙、裂缝及渗水通路以提高抗渗性能。膨胀水泥防水混凝土是由于膨胀水泥在水化过程中体积膨胀，从而降低孔隙率，提高混凝土的抗渗性。
防水混凝土配合比设计技术要求
与普通混凝土类似，防水混凝土的配合比设计关键也在于水胶比、水泥用量、胶凝材料用量、砂率、灰砂比等参数。
水胶比
混凝土拌合物的水胶比对硬化后混凝土孔隙率的大小、数量起决定作用，直接影响混凝土的密实性。一般来说，在满足水泥水化及润湿砂石所用水量情况下，混凝土的水胶比越小，强度越高，则混凝土密实性越好，混凝土的抗渗性能愈好。杨钱荣对不同水胶比的水泥混凝土试件进行了研究，分别测得水化程度达到93％的水泥石渗透系数和水胶比的关系（如图1所示）。可以明显发现，随着水胶比的不断增加，渗透系数随之增加。当水胶比大于0.55之后，渗透系数呈现急剧上升的趋势，故在考虑一定实验误差的条件下，水胶比不得大于0.5。
水泥用量及胶凝材料用量
随着混凝土技术的发展，包括防水混凝土在内的混凝土原材料组成也在变化。水泥虽仍占主导地位，但其他胶凝材料的用量在大幅上升。然而，水泥用量也不宜过低。
通过图2可以发现，强度与渗透性之间有较好的线性相关性。如水泥用量过低，则水泥浆不足以包裹沙子表面，混凝土不密实，从而致使其抗渗性降低。如水泥用量过多，除了造价增加外，还会由于水泥产生大量的水化热使混凝土开裂，反而降低防水混凝土的抗渗性能。为此在满足混凝土抗渗等级、强度等级和耐久性条件下，水泥用量不宜小于260kg/m3，胶凝材料总用量不宜小于320kg/m3。
砂率
砂率的变动，会使骨料的空隙率和总表面积有很大变化，也会对混凝土的抗渗性有一定影响。在水泥浆一定时，砂率过大，骨料的总表面积及空隙率都会增大，降低抗渗性能。砂率过小，不能保证在粗骨料之间有足够的砂浆层，导致石子间形成孔隙，形成渗透通道。所以，防水混凝土中的砂优先选用中砂，且砂率宜为35%～40%，泵送时可增至45%。
灰砂比
灰砂比也是防水混凝土配合比中一个重要的参数，在已确定水泥用量和砂率的条件下，还需对灰砂比进行验证。灰砂比是直接反映水泥砂浆的浓度以及水泥包裹砂粒状况的重要指标。若灰砂比过大，混凝土强度过小，抗渗性能也随之降低；若灰砂比过小，水泥砂浆不足以形成包裹层以隔断渗水孔隙，使抗渗性能降低。防水混凝土灰砂比以1∶（1.5～2.5）为宜。
防水混凝土配制技术要求见表1。
防水混凝土材料要求
材料及其掺量的选择对于防水混凝土满足其设计要求同样具有重要作用。
水泥
由于矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥及粉煤灰硅酸盐水泥生产时均用大量的矿物掺和料取代相应的硅酸盐熟料，且所掺入的矿物掺和料品种、数量、质量差异很大，导致生产出的水泥性能有很大差异。故配制防水混凝土仅建议采用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。
骨料
由于防水混凝土水泥含量较高，使用粉细砂更易产生裂缝，因此宜选用坚硬、抗风化性强、洁净的中粗砂，不宜使用海砂。
外加剂
外加剂防水混凝土是在混凝土中掺入适当品种和数量的外加剂，如引气剂、减水剂、膨胀剂、密实剂等，隔断或堵塞混凝土中的各种孔隙、裂缝及渗水路径以提高抗渗性能。针对不同的使用条件，可以选择合适的外加剂品种和掺量，达到制备相应类型防水混凝土的目的。
掺和料
用于配制防水混凝土的矿物掺和料主要是粉煤灰、硅粉及粒化高炉矿渣粉。刘伟曾做过粉煤灰和硅灰对混凝土孔隙率影响的研究（如图3及图4所示）。从图3可以看出，随着粉煤灰掺量的增加，混凝土孔隙率降低，但当掺量增加至30%以上时，孔隙率反而增高，同时粉煤灰对混凝土强度有影响，故掺量以20%～30%为宜。掺入硅粉也可明显提高混凝土强度及抗渗性，图4表明硅粉掺量的增加会使混凝土体积孔隙率明显降低，但当掺量大于8%时强度会降低，因此掺量不宜过高，以2%～5%为宜。
结语
在配制自防水混凝土时，不仅需要通过控制水胶比、水泥用量、胶凝材料用量、石子粒径、砂率、灰砂比等配合比参数的取值，同时也要注意材料的选用及掺量，抑制混凝土内部孔隙网络的发育，削弱混凝土内部的渗水通路，从而使防水混凝土孔隙结构得到改善，配制具有较高抗渗性能的防水混凝土。