防水混凝土配合比的设计

曹　昱

地下混凝土构筑物,长期受地下水的浸透作用和渗透作用,防水效能直接影响结构的安全使用功能和整个建筑物的耐久性,还有其他一些地下构筑物如排水方渠、排水管线,若防水效能不佳,它自身的渗漏将污染环境,直接影响人民的生活。因此在进行具有防水要求的混凝土构筑物施工时,必须设法保证它的防水效能,笔者仅就此问题从配合比设计上谈一些看法。

一、一般情况下,设计时不要过多地顾及防水混凝土的强度标号。因为在规范中已规定了防水混凝土的最少水泥用量不低于320kg/m3,水泥标号不低于425#,最大水灰比为0.6,而防水混凝土的设计标号一般为20Mpa,在这种条件下是能够达到的。因而设计时应注重采取各种措施,增加混凝土的密实性,隔断渗水通道,尽可能提高混凝土的抗渗性能。主要措施有以下几种:

1.严格控制水灰比。水灰比除了影响防水混凝土结构的抗压强度及抗渗性能外,还影响混凝土结构的抗冻性及耐久性。在满足水泥完全水化及浸润砂石表面所需要的水灰比仅为0.2～0.25,但考虑到施工和易性要求及其他因素,水灰比都取的较大。例如对塑性混凝土来说,水灰比在0.4～0.7,水灰比小于0.4的混凝土属于干硬性或半干硬性混凝土。水灰比过小时,混凝土的和易性不好,施工操作困难,影响混凝土的密实度和抗渗性;水灰比过大时,用水量太多,混凝土在施工时泌水现象严重。水泥在水化过程中,混凝土中的游离水蒸发,不可避免地在混凝土内部留下大量孔隙,这些孔隙相互贯通,形成开放性毛细管通道,使混凝土结构抗渗性能大为降低,透水性增高。水灰比越大,硬化后的混凝土的毛细管孔径越大,泌水现象越严重。因此水灰比是影响混凝土抗渗性能的一个重要因素,只有最适宜的水灰比才能使混凝土的防水性能达到最佳状态。据有关试验数据表明,当水灰比大于0.65以后,混凝土的抗渗性能急剧下降。因此国内外对防水混凝土的水灰比都规定了一定限值,有的国家还以水灰比来控制防水混凝土的防水等级。

2.选择最佳砂率。砂率表示1m3混凝土中水泥砂浆的体积。在相同水泥用量情况下,砂率的大小影响混凝土的抗渗性能,与普通混凝土相比,防水混凝土采用富砂率。因为水泥砂浆不仅起黏结填充作用,还要形成一定厚度的砂浆保护层,这层砂浆保护层包裹在粗骨料的表面,并使这些粗骨料颗粒相互离开一定距离。这样一方面使混凝土达到了最大密实度,另一方面又能切断混凝土内部的毛细管首,从面提高了抗渗性。粗细骨料要有良好的级配,各组粒径要在筛分曲线范围内。砂率选择要得当。当砂率过大时,由于砂子用量过多,水泥浆不能包裹砂子表面,使结构不密实,降低了混凝土的抗渗性和抗压强度。同时,砂率过大也必然要增加水泥用量和用水量,由此可导致混凝土的流动性增大。混凝土在施工振捣时,粗骨料产生不均匀下沉,混凝土各部分离析,导致硬化后混凝土匀质性变差,结构上部产生收缩裂缝,下部稀疏空洞,同样降低结构的抗渗性和强度。所以,在设计防水混凝土配合比时选择最佳砂率对提高抗渗性至关重要。根据实际施工经验,在满足规范要求条件下,砂率一般在0.36左右较为理想。

3.选择最挂灰砂比。防水混凝土是一种富砂混凝土,拨开系数通常取得较大。粗骨料之间的水泥砂浆是非常饱满的,灰砂比表明了水泥砂浆中水泥的浓度及水泥砂浆包裹砂粒的数量,这与砂率所表明的概念不同,前者表明水泥砂浆的数量,后者表明水泥砂浆的质量。灰砂比选择得当,就能得到密实度较高,符合设计要求的混凝土。当灰砂比偏大时,水泥和水的用量偏大,容易发生不密、不均匀和收缩大等现象,使混凝土抗渗性能下降;当灰砂比偏小时,水泥和水用量偏小,混凝土拌合物易出现干涩和黏结力不好等现象,使施工和易性变差,降低了密实度,导致抗渗性能下降。

4.合理选择外加剂。混凝土在搅拌过程中所使用的水远远超过水泥水化所需要的水,多余的水使混凝土的抗渗性下降。所以减水是抗渗的重要方法之一。此外,设法堵塞渗水通道,使混凝土结构致密等也是提高抗渗的重要方面,因此合理选择外加剂,从而改善混凝土某些预期性能是防水混凝土配合比设计的重要内容之一。

这一类外加剂种类很多,有为引气使用的松香酸钠和松香热聚物,微沫剂属于此类产品;有加快水泥水化作用并使用结晶致密的三乙醇胺;有能与水泥水化生成物反应而生成胶体的氯化铁等。在设计抗渗标号要求不高时,也可采用普通减水剂。

(1)松香酸钠和松香热聚物属于引气型外加剂,加入混凝土中以后,混凝土中将产生大量微小而均匀的气泡,使混凝土黏滞性增大,不易松散离析,抑制沉降和泌水作用。这些气泡是非开放性的,由于它们的存在,使毛细管性质发生了改变,有效地提高了抗渗,抗冻性也有所提高,但使用时应严格控制用量,否则将显著降低强度。在试配时应适当提高试配标号,以弥补强度损失。

(2)水泥在水化过程中生成氢氧化钙,加入氯化铁防水剂后,则生成难溶于水的氢氧化铁胶体,这种胶体充满混凝土或砂浆中的毛细孔道,从而堵塞渗水通道,增加了密实性,提高了抗渗性,达到防水目的,掺量为水泥重量的3%较为适宜。

(3)三乙醇胺防水剂对水泥水化有加强作用,因而可作为常温下的早强剂。另外三乙醇胺能使水泥水化生成物增多,水泥石结晶变细,因而混凝土更趋密实,提高了结构的抗渗性能。三乙醇胺防水剂在常温下可掺入水用量0.05%,其掺量少,施工工艺简单,应用中不损伤机具,一般都使用此方法。

二、各种因素对防水混凝土的质量影响是互相牵制的,不能孤立地强调某一因素而忽视另一因素。例如:为了保证一定的施工和易性要确定一个适宜的坍落度,坍落度的选择要依据结构部位、一次浇注高度和施工季节而定。对于壁板结构来说,通常选用4～6cm。坍落度的大小与用水量有直接关系,而用水量的确定又与所使用的粗骨料的最大颗粒径和水泥用量有关,还与水泥的品种有关。例如:使用火山灰水泥就比使用普通水泥用量多5kg/m3左右,当掺用外用剂时用水量将在一定范围内波动,水灰比和水泥用量依据所采用的水泥品种和标号以及设计所要求的抗压强度的抗渗标号而定,同时必须满足规范要求最大水灰比不大于0.6和最低水泥用量不低于320kg/m3。

防水混凝土配合比经过理论计算后,要在试验室内反复试验,直至配出既符合设计要求的抗渗标号和抗压强度,又便于现场施工的防水混凝土。□

(编辑/刘佳)