水泥基渗透结晶型防水材料的研究现状

张二芹 高剑秋

（北京澎内传国际建材有限公司）

0 前言

混凝土是工程中应用最广泛的建筑材料，但其属于疏松多孔的脆性材料，渗透性高，抗冻性、抗渗性和耐化学腐蚀性能有待进一步改善。水泥基渗透结晶型防水材料属于刚性防水材料，作为一种新型材料，具有微裂缝自修复功能、永久防水、抗化学侵蚀、透气、施工简便、无毒和环保等特点，可改善混凝土各方面性能，从而提高结构的耐久性能。

水泥基渗透结晶型防水材料包括水泥基渗透结晶型防水剂和水泥基渗透结晶型防水涂料。水泥基渗透结晶型防水剂是由硅酸盐水泥和多种活性化学物质配制而成的粉状材料，在混凝土原材料拌合时添加即可。水泥基渗透结晶型防水涂料是由硅酸盐水泥、石英砂和多种活性化学物质按专有配方制成的粉状材料，加水拌合以后采用刷涂、喷涂或刮涂法应用于混凝土基材表面；当施工条件有限，亦可采用干撒法施工。

随着材料的不断推广，现已成功应用于工业与民用建筑的地下结构、地铁工程、桥梁、隧道、石油化工、水利工程和水处理工程等众多领域[1]。本文主要介绍了水泥基渗透结晶型防水材料的作用机理，对混凝土力学性能、耐久性能和裂缝自修复性能影响的研究情况。

1 水泥基渗透结晶型防水材料的作用机理

水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质以水为载体向混凝土内部或周围渗透，与水泥水化产物发生反应生成不溶于水的结晶体，填充和封堵细微缝隙、毛细孔道、孔洞和空隙，并且能够承受静水压力，使混凝土更加致密，提高防水性能。这类防水材料的核心为活性化学物质，不同产品所含的活性化学物质不同[2]，生成结晶体的种类与微观形貌也不尽相同。该类材料的渗透、结晶作用是肯定的，但关于其作用机理尚未达成统一认识[3]。目前主要有两种较为流行的观点，一种是沉淀反应机理，一种是络合-沉淀反应机理[4]。

1.1 沉淀反应机理

水泥基渗透结晶型材料中的活性化学物质通过孔隙向混凝土内部渗透，直接与氢氧化钙和碱金属氧化物产生化学反应，在混凝土的细微裂缝和毛细孔道内生成不溶于水的结晶体沉淀，将其密封，从而使混凝土防水。一部分活性化学物质还会与结构内部钢筋表面的氧化物发生反应，形成一层致密的膜结构[5]，保护钢筋免受腐蚀。在此过程中，水既是载体溶剂，又是直接反应物。因此当混凝土中没有水时，活性化学物质处于休眠状态，即呈固态形式，不会发生反应。当混凝土产生新的细微裂缝，水分进入混凝土中时，活性物质就会被再次激活，生成新的结晶体，封堵裂缝。

1.2 络合- 沉淀反应机理

混凝土中富含钙离子，活性化学物质渗透到混凝土内部后与游离的钙离子络合，形成钙络合物，但其极易溶于水，化学性质也不太稳定。钙络合物借助水继续向混凝土中渗透，当遇到未水化水泥或水泥凝胶体时，钙络合物中的活性化学物质则被硅酸根和铝酸根等更稳定的离子替代，生成填堵和封闭混凝土孔隙和细微裂缝的结晶体沉淀。通过络合-分解过程，活性化学物质重新恢复成自由基，以水为载体不断向混凝土内部扩散，继而重复上述反应过程，因此活性化学物质的总量不会发生变化。

1.3 渗透结晶机理探讨

上述两种渗透结晶机理均对水泥基渗透结晶材料的作用机理进行了阐释，但是都不够完善。分析可知，这两种反应机理都需有水才能完成，而水在整个过程中有三个作用，一是水作为溶剂，溶解活性化学物质；二是水直接参与生成结晶体的化学反应；三是水作为载体输送活性化学物质，以利于其渗透[6]。

沉淀反应机理对渗透结晶的过程做了很好的解释，却不能解释水泥基渗透结晶型防水材料为何使混凝土结构具有裂缝再修复和永久防水性能。陈光耀等对此提出疑问，活性化学物质与氢氧化钙直接发生化学反应生成结晶体沉淀，混凝土中活性化学物质的量毕竟有限，那随着反应的不断进行，最终会被消耗尽。

络合-沉淀反应机理很好地解释了水泥基渗透结晶型防水材料的裂缝再修复和永久防水性能，认为活性化学物质只是作为中间转换物质，结晶反应不会消耗活性物质。但仍存在几点疑问：①Ca2+与SiO32-为什么不直接发生反应，而需借助络合剂。②络合-沉淀反应的速率是否能够满足实际工程对材料性能的需要。③混凝土中SiO32-数量较少，能否生成足够的晶体沉淀物填充裂缝和孔隙。

混凝土中含有大量的水泥水化产物，但因水泥水化过程中生成的水化硅酸钙会包裹水泥浆体，致使未水化水泥或具有水化活性的物质约占总量的25%。笔者认为，这类防水材料中的活性化学物质一方面是催化混凝土中的水泥水化产物和水发生化学反应，生成性质稳定且不溶于水的结晶体，封堵混凝土内部的细微裂缝和孔隙。当混凝土中无水时，活性化学物质处于休眠状态；遇水后，将重新被激活，继续生成结晶体密封新产生的裂缝。另一方面是促进未水化的水泥颗粒继续水化，生成水化硅酸钙凝胶和其他晶体。活性化学物质在此过程中并没有被消耗，只是起催化作用，促进结晶反应的发生，因此该类材料能够提高混凝土的密实度，降低渗透性，永久自修复细微裂缝，提高结构的耐久性。

2 水泥基渗透结晶型防水材料对混凝土力学性能影响研究现状

混凝土强度是评定混凝土性能的基本指标，对工程应用具有重要意义。李佳鹏等[7]开展了水泥基渗透结晶型外加剂（Penetron Admix）对混凝土力学性能影响的试验研究。当外加剂掺量为1%时，改性混凝土的抗压强度提高了6%，劈裂抗拉强度提高了约10%。混凝土材料和配合比相同的情况下，渗透结晶型外加剂有利于提高混凝土的力学性能。

尚晓华等[8]研究了水泥基渗透结晶涂料对不同龄期低强度混凝土（C15 和C25）抗压强度的影响，结果表明，混凝土的抗压强度与养护龄期呈正相关关系，涂刷水泥基渗透结晶材料的试件抗压强度随龄期的增幅均高于未涂刷试件，各龄期下强度增长率均超3.0%，并且30d 时将近8.0%。结果表明水泥基渗透结晶材料能够通过渗透结晶，使混凝土更加密实，提高混凝土强度。

综上所述，水泥基渗透结晶型防水材料可在一定程度上改善混凝土的力学性能，改善效果根据所用材料种类、用量不同而有所变化。

3 水泥基渗透结晶型防水材料对混凝土耐久性能影响研究现状

混凝土的耐久性是指混凝土抵抗环境介质作用并长期保持其良好的使用性能和外观完整性的能力，包括抗渗、抗冻、抗氯离子渗透、抗硫酸盐侵蚀和抗碳化等性能。

3.1 抗渗性能

抗渗性能的好坏直接影响混凝土结构的防水性能。GB18445-2012 中规定了该类材料的抗渗性能指标。涂园等[9]研究了不同掺量的渗透结晶型防水剂（PNC-803）对混凝土抗渗性能的改善效果，与基准混凝土相比，PNC-803 添加量为0.8%，1%时，混凝土的抗渗等级分别提高2 个和7 个等级，相对渗透系数分别下降14.5%和35.5%；添加量为1.2%时下降量更多，但因达到仪器量程上限（3MPa），未得到相关数据。通过电镜扫描观察到掺加PNC-803 的混凝土内部生成许多不溶于水的线状和片状结晶体，结构更加致密，因此混凝土的抗渗性能提高。

3.2 抗冻性能

在寒冷的气候条件下，冻融循环是造成混凝土结构破坏的主要因素。周瑞彤[10]研究了自制渗透结晶防水剂对不同水灰比、粉煤灰掺量和引气剂含量的混凝土抗冻性能的影响，测定了冻融前后试件的抗压强度和质量，共进行125 次冻融循环。结果表明，无论何种工况下，掺加渗透结晶防水剂的混凝土抗冻性能均得到提高，并确定了不同工况下该防水剂的最佳掺量。

於林锋[11]对基准混凝土与涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料混凝土试件进行100 次快速冻融循环试验，测得相对动弹性模量为77.1%、84.2%，表明水泥基渗透结晶型防水涂料能够提高混凝土的抗冻性能。

3.3 抗氯离子渗透性能

氯离子侵蚀是造成混凝土结构钢筋锈蚀的主要原因，影响结构的安全使用。沈川越等[12]通过试验测定了涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料混凝土和普通混凝土的氯离子扩散系数分别为3.04×10-8cm2/s 和3.37×10-8cm2/s，相比较前者氯离子扩散系数降低了约10%，混凝土的抗氯离子渗透性能有所提高。

3.4 抗硫酸盐侵蚀性能

硫酸盐对混凝土的腐蚀，会导致混凝土开裂，降低结构的耐久性。郭宁林等[13]进行了内掺CCCW 混凝土暴露在不同浓度的硫酸铵溶液中不同龄期后的力学性能和抗渗性能试验，硫酸铵溶液浓度分别为0.3mol/L、0.5mol/L、1mol/L，在腐蚀溶液中养护龄期为14d、28d、56d。结果表明，基准混凝土强度下降幅度较大，受腐蚀速率更快；内掺CCCW 混凝土下降幅度较小，具有较强的抗硫酸铵腐蚀的能力。

3.5 抗碳化性能

空气中的二氧化碳在一定湿度下进入混凝土内部，会与氢氧化钙发生反应，使混凝土内部的碱度降低，容易导致钢筋锈蚀。吴建华等[14]研究了不同养护龄期未涂刷与涂刷TS-20 渗透结晶型防水涂料的混凝土试件在不同碳化龄期3d、7d、14d 和28d 的碳化深度，结果表明混凝土的碳化深度随碳化时间而增加，涂刷渗透结晶材料试件的碳化深度均小于未涂刷试件；并且混凝土成型后越早涂刷材料，试件的碳化深度越小，越有利于提高混凝土的抗碳化性能。

综上可知，水泥基渗透结晶型防水材料的渗透结晶作用能够改善混凝土的密实度，降低混凝土的渗透性，提高混凝土的耐久性能。

4 水泥基渗透结晶型防水材料对混凝土裂缝自修复性能影响研究现状

水泥基渗透结晶材料中的活性化学物质和混凝土中的氢氧化钙、氧化铝等物质发生催化反应，生成封闭毛细孔道和细微裂缝的不溶性结晶体，使混凝土致密、防水。当混凝土中无水时，活性化学物质处于休眠状态，有水时会重新被激活，生成新的结晶体，自动修复新产生的细微裂缝。

刘行等[15]研究了Penetron Admix 防水剂对混凝土裂缝的自修复效果，试验方法为将混凝土立方体试块劈裂后形成贯穿裂缝，采用PVC 试件套将其固定，并采用环氧树脂密封试件侧面的空隙。通过水位为4m 高的压力管引入水流，每24h 称量试件的流出水量，并观察出水口的渗漏情况。Penetron Admix 防水剂掺量为1%的试件在第6d 停止渗漏。防水剂掺量为1.2%的试件3d停止渗漏，之后静置4d，再调大阀门，试件又渗漏，但在3～4d 停止渗漏；再次调大阀门后，3d 停止渗漏；此后重复上述过程，试件均未发生渗漏。试验表明内掺Penetron Admix 防水剂的混凝土在水压条件下具有微裂缝自修复功能，且随掺量增大其自修复性能也越好。

李冰等[16]对内掺渗透结晶型防水剂混凝土的自愈性能进行了试验研究，分别测定混凝土规定龄期的强度和抗渗压力，出现微裂缝试件标准养护28d 的强度和抗渗压力，以强度回复率和抗渗回复率为评价指标。防水剂掺量为0%、1%、2%、3%，抗压强度回复率分别为83.9%、92.6%、90.0%、85.0%；劈裂抗拉强度回复率分别为75.1%、94.0%、85.4%、80.1%；抗渗回复率分别为75%、200%、150%、125%。因此，内掺渗透结晶型防水剂的混凝土具有裂缝自修复性能，且掺量为1%时效果最佳，混凝土的微观形貌最好，晶体数量多，结构最密实。

综上可知，水泥基渗透结晶型材料具有微裂缝自修复功能，但如何控制微裂缝宽度，如何评定混凝土的自修复性能，目前尚无统一试验方法与标准。

5 结语与展望

⑴关于水泥基渗透结晶型防水材料的作用机理主要有两种观点：沉淀反应机理和络合-沉淀反应机理，分析可知这两种理论均有不足之处。笔者认为活性化学物质不直接反应，主要是起催化作用，促进结晶反应生成。因活性化学物质组成不一，关于该类材料的作用机理有待进一步研究与论证。

⑵各种实验和工程应用研究表明，水泥基渗透结晶型防水材料含有的活性化学物质通过渗透结晶作用，可增强混凝土的密实性，有利于改善混凝土的力学性能，提高混凝土结构的耐久性能。

⑶目前对水泥基渗透结晶型防水材料的研究多为抗冻、抗碳化、抗渗等单一因素作用下对混凝土性能的影响，未来可进一步侧重多因素耦合作用下对混凝土性能方面的影响研究，更符合实际工程应用情况。

⑷裂缝自修复功能是水泥基渗透结晶型防水材料最重要的特性，但是关于混凝土裂缝自修复试验目前并无统一方法和标准，裂缝宽度控制、加水压方式以及自修复效果指标日后均需进一步完善。