XYPEX掺和剂自愈性能试验研究

李鹏辉1  陈凤岐1

1 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)

 

 要:水泥基渗透结晶型防水材料CCCW中活性物质与水作用后可形成不溶于水的结晶体,堵塞渗漏通道,从而起到堵漏防水作用。本文针对XYPEX掺合剂防水材料,通过和基准试件的抗渗性能试验对比分析,表明XYPEX掺合剂能够利用混凝土水化中水分的迁移而形成晶体,堵塞混凝土中受损而产生的渗透通道从而提高混凝土的自愈能力,增强防水效果和抗渗能力。


关键词  水泥基渗透结晶型防水材料  自愈性能 抗渗


一、 引言

  水泥基渗透结晶性防水材料(CCCW,即Cementitious Calillary Crystalline Waterproofing Material)是以硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、石英砂等为基材,掺入活性化学物质混配而成的粉末状防水材料,属于刚性防水材料。CCCW是德国化学家路易斯.杰逊(Lauritz Jensen)1942年发明的,用于治理水泥船的渗漏[1-2]20世纪80年代开始引进国内,目前已广泛用于工业与民用建筑的地下工程、地铁工程、污水处理厂、电站、水利工程等,尤其在近些年,随着我国水利资源(如长江上游雅砻江、金沙江流域等)的大力开发,CCCW已经或正在广泛应用于大坝等水工结构中,以达到减小上游抗渗混凝土区厚度,提高混凝土抗渗性能的目的。

关于CCCW的防水作用机理主要有结晶沉淀和渗透结晶两种理论,但普遍被接受的是渗透结晶理论[3-4],该理论认为CCCW与水作用后,材料中含有的活性化学物质经过载体向混凝土内部渗透,在混凝土中形成不溶于水的结晶体,填塞毛细孔道,从而使混凝土致密、防水[5]

XYPEX防水材料是加拿大XYPEX公司开发的水泥基渗透结晶性防水材料,上世纪九十年代北京城荣防水材料有限公司将母料(活性化学物质)引进国内并在国内批量生产,先后在中国银行大厦、国家大剧院、中华世纪坛、上海地铁2号线、福建溪柄碾压混凝土薄拱坝、新疆石门子碾压混凝土拱坝、云南大朝山水电站等工程中得到应用。

本文针对XYPEX掺合剂为研究对象,通过和基准试件的对比抗渗试验,试验研究了XYPEX掺合剂材料的自愈性能,试验结果表明XYPEX掺合剂能够利用混凝土水化中水分的迁移而形成晶体,堵塞混凝土中受损而产生的渗透通道从而提高混凝土的自愈能力。


二、 试验研究

本试验通过六组不同龄期(7d、14d、28d)的混凝土抗渗试验,以考察XYPEX掺合剂材料在混凝土中的自愈合能力。

1、 原材料:

原材料由北京城荣防水材料有限公司提供,水泥采用国标GB18445-2001《水泥基渗透结晶型防水材料》要求的42.5基准水泥,中砂(FM=2.3~2.8),卵石(5-20mm)。水灰比为0.92,XYPEX掺合剂按水泥用量的0.8%掺入。混凝土配合比见表1。

1   混凝土配合比

材料

水泥

中砂

小石(卵石)(5-20mm)

XYPEX掺合剂(%)

各种材料用量(kg/m3

230

250

800

1105

0.8

2、试验方法:

混凝土是孔径各异(10Å~500μm)的多孔体,当其周围介质存在压力差(或浓度差、电位差、温度差、湿度差等),就会形成质迁移,即渗透。现行的室内混凝土渗透性试验方法,按照《DL/T 5150-2001水工混凝土试验规程》中第4.21和第4.22规定的两种方法进行。前一种是对混凝土分级加水压,给出混凝土的抗渗标号(W);而后一种是给出混凝土的相对渗透系数(Kr)。目前在工程中常引用抗渗标号W,而相对渗透系数多用于试验研究。

按抗渗标号分级评定混凝土的渗透性,不能确切反映混凝土渗透性能。同一数量级下的渗透系数,其混凝土抗渗标号有较大的差异。渗透还与时间有关系,显然时间愈久,渗透高度和渗透量愈大,而抗渗标号未能反映。

本文采用逐级加压法进行试验,其基本原理是达西定律,即将混凝土视为孔隙材料,水流通过混凝土符合层流条件,水流通过混凝土孔隙材料的流量和水力梯度成正比。试验结果可直接得到抗渗标号或最大渗透压力,通过计算可以得到相应的渗透系数,其计算公式如下:

                                 1

式中:Kr——相对渗透系数,cm/s;

Dm——平均渗水高度,cm;(由于试件均压至表面渗透为止,故均取试件高度15cm)

H——水压力,以水柱高度表示,cm;(1MPa水压力,以水柱高度表示为10200cm)

T——恒压时间,s;

α——混凝土的吸水率,一般取为0.03。

每组试件加压至透水后,不脱模继续标准养护一个周期后进行第二次试验。通过和基准试件(即不掺XYPEX掺合剂同等配合比的混凝土试件)的抗渗性能相比,来评价XYPEX掺合剂材料在混凝土中的自愈性能。

3、试验结果分析

试验结果见表2和图1、图2。从图表中可以看出:

 

2 平均渗透系数和最大渗透压力平均值试验结果

组别

第一次

第二次

渗透系数平均值K(cm/s)

最大渗透压力平均值(MPa

渗透系数平均值K(cm/s)

最大渗透压力平均值(MPa

XYPEX-7d

1.12E-07

0.15

4.20E-08

0.25

STANDARD-7d

7.30E-07

0.12

2.34E-07

0.12

XYPEX-14d

4.08E-08

0.27

1.24E-08

0.55

STANDARD-14d

7.10E-08

0.2

5.29E-08

0.25

XYPEX-28d

1.75E-08

0.33

9.37E-09

0.77

STANDARD-28d

3.89E-08

0.32

1.02E-08

0.62



掺水泥用量0.8%XYPEX掺和剂混凝土试件的渗透系数和最大渗透压力均比对应的基准试件高,且在早龄期两者差别显著,说明XYPEX在水泥水化过程中能够提高混凝土的抗渗性能。

在早龄期由于水泥未完全水化,混凝土具有一定的自愈能力,表现为抗渗性能随龄期逐渐增强,但随龄期增长水化逐渐趋于完成,混凝土逐渐失去塑性,自愈能力减弱。而XYPEX能够利用水泥水化中水分的迁移而形成晶体,堵塞渗漏通道,提高自愈能力。如对于基准试件,7d龄期的混凝土基准试件在第一次渗透击穿后继续养护7d,渗透系数为2.34×10-7cm/s,和14d龄期基准试件渗透系数7.10×10-8cm/s相比,两者龄期基本相当,渗透系数后者是前者的1/3,这是由于前者经历过一次击穿,造成内部损伤而不能完全自愈,造成抗渗性能下降。对于掺水泥用量0.8%XYPEX掺合剂的混凝土试件,7d龄期的混凝土试件在第一次渗透击穿后继续养护7d,渗透系数为4.20×10-8cm/s,和14d龄期混凝土试件渗透系数4.08×10-8cm/s相比,两者龄期基本相当,渗透系数也基本相当,说明前者经历过一次击穿后造成的内部损伤由于XYPEX的作用基本可以自愈,抗渗性能基本不降低。同样对于14d龄期击穿后和28d龄期相比也有同样现象,不再赘述。

XYPEX掺合剂后,14d龄期经历击穿损伤和未经历击穿损伤两者渗透系数相差0.12×10-8cm/s,28d龄期经历击穿损伤和未经历击穿损伤两者渗透系数相差0.51×10-8cm/s,说明XYPEX掺合剂的防水效果与结构本身的特性有关,早龄期自愈能力强于后期。


三、 结论

混凝土本体在早龄期随龄期增长且具有部分自愈能力,主要是因为早期混凝土中仍存在一定塑性,水泥未完全水化,当受击穿损伤后,混凝土本体在后期的水化过程中能部分自我愈合。但随龄期增长水化逐渐趋于完成,混凝土逐渐失去塑性,自愈能力减弱。

XYPEX掺合剂能够利用水泥水化中水分的迁移而形成晶体,堵塞混凝土中受损而产生的渗透通道从而提高混凝土的自愈能力。

XYPEX掺合剂后,早龄期自愈能力强于后期。主要因为XYPEX掺合剂在混凝土中的水化与水分的迁移直接相关,只有在水分迁移过程中才能激活XYPEX掺合剂的活性,早龄期混凝土中未参与水泥水化的自由水较多,当XYPEX掺合剂存在则可激活其活性,形成晶体堵塞受损通道,提高混凝土抗渗性能。

参考文献:

1、 薛绍祖,国外水泥基渗透结晶型防水材料的研究与发展,中国建筑防水,2001.6:10-12.

2、 游宝坤,也谈渗透结晶型防水材料,中国建筑防水,2003.7:6-7.

3、 杨文武,钱觉时,水泥基渗透结晶型防水材料的研究和应用,2005.36(7):525-528.

4、 蒋正武,水泥基材料裂缝自愈合的研究进展,材料导报,2003.17(4):39-42

5、 GB 18445-2001, 水泥基渗透结晶型防水材料。