高膨胀混凝土防水剂的性能及应用
一、混凝土内的孔隙
     混凝土是一种非匀质材料，从微观结构看属于多孔结构，其体内分布有许多大小不同的微细孔隙，因而它通常是渗水的。混凝土的孔隙按成因可分为施工孔隙和构造孔隙2类。施工孔隙是由于浇灌、振捣质量不良引起的；构造孔隙主要取决于配合比，一般是混凝土凝结硬化过程中产生的。构造孔隙主要有以下几种：


1、胶孔
      水泥水化物“凝胶”本身所固有的孔隙。胶孔数量较多，约占凝胶体积的1/4～1/3，孔径极小，一般尺寸为(1.0～5.0)×10－9 m，由于尺寸非常小，可以认为胶孔是不透水的，对混凝土抗渗性没有影响。
2、毛细孔
      即在水泥水化过程中，多余水分蒸发后，在混凝土中遗留下的孔隙，毛细孔的直径为百分之几微米至十微米。随着水化作用的继续，越来越多的毛细孔被水化物填充、堵塞，毛细孔径变细，有的成为互不连通的封闭性孔隙，但直至水泥水化完结，水化产物仍不足以完全填满最初被水占据的空间，剩余水分越多，蒸发后留下的毛细孔径越粗，渗水的可能性越大。
3、沉降缝隙和接触孔
        沉降缝隙是在混凝土结构形成时，骨料与水泥因各自的相对密度和颗粒大小不一致，在重力作用下，产生不同程度的相对沉降所引起的。混凝土浇灌后，粗骨料沉降较快，并较早地固定下来，水泥砂浆则在粗骨料间继续沉降，水被析出，其中一部分水沿着毛细管道析出至混凝土表面，另一部分则聚积在粗骨料下表面，形成积水层。水分蒸发后即形成沉降缝隙。接触孔是由 于砂浆和骨料变形不一致，以及骨料颗粒表面存在水膜，水分蒸发而引起的。这两种 孔隙往往是连通的，孔隙比毛细管大。  
4、余留孔 
        由于混凝土配比不当，水泥浆贫瘠，不足以填满粗细骨料的间隙而出现的孔隙 。 由上述分析可以看出：孔径大于2.5×10-8 m的毛细孔、沉降缝、接触孔，由于孔径 较大，而且是开放式的，因此是造成混凝土渗水的主要原因。
二、普通防水混凝土的防水原理 
      普通防水混凝土是通过抑制混凝土孔隙，来提高抗渗性，具体讲就是：   
1、降低水灰比 
        在保证施工和易性的前提下应尽量降低水灰比，减少相对用水量，从而减少 混凝土中多余水分蒸发后形成的毛细孔渗水通路。
2、适当提高水泥用量 
      砂率及其相应灰砂比在混凝土的粗骨料周边形成足够数量和良好质量的砂浆 包裹层，使粗骨料彼此隔离，有助于阻隔沿粗骨料互相连通的渗水孔网。 
3、在降低水灰比的同时，采用较小的骨料粒径以减少沉降缝隙 
     综上所述：普通防水混凝土对各组成材料的要求是：水灰比在0.6以下，最 大 不超过0.65，坍落度以3～5 cm为宜，水泥用量不小于300 kg/m3，含砂率不小于35%，灰 砂比应不小于1∶2.5，粗骨料最大粒径不超过40 mm，细骨料最好采用中砂。 
三、高膨胀混凝土防水剂的防水原理 


1、防水原理 
      配制混凝土时，在水泥中掺入适量的高膨胀混凝土防水剂(以下简称HEA防水剂)，由于其 含有较多的CA，水化反应后产生大量的水化硫铝酸钙，其固体体积较水化铝酸钙增加2倍多 ，使混凝土产生了膨胀。这种膨胀产生2个作用： (1)在有钢筋等因素约束下，使混凝凝土内部产生0.2～0.8 MPa的预应力，能有效地补偿混 凝土的干缩并防止开裂。 (2)水化硫铝酸钙具有填充毛细孔缝作用，使混凝土中孔径下降，总孔隙减少，大大改善了 混凝土中孔隙结构的分布，使混凝土更加密实，显著提高混凝土的抗裂防渗性能。HEA防水 剂参与的水化反应如下： 3CA+3CaSO4·2H2O+32H2O→C3A·3CaSO4·32H2O +2(Al2O3·3H2O)
K2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3+13Ca(OH)2+5CaSO4+78H2O→3C3A·2CaSO4· 32H2O+2KOH 
2、 HEA防水剂的化学组成 (见表1)
表１  ＨＥＡ防水剂的化学组成
组成 Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 R2O 
含量 2.64 19.13 18.01 2.62 28.18 1.06 27.22 0.88 

四、HEA防水剂的性能 
      如上所述，HEA防水剂在水化反应后产生大量的水化硫铝酸钙，因而使混凝 土具有很好的膨胀性能。在掺量为6%～12%(等量取代水泥)时，14 d限制膨胀率一般在0.0 2%～0.04%。 HEA防水剂由于含有与自身相溶性良好的高效减水成分及其它功能外加剂，故能显著改善混 凝土的流动性和施工、泵送性能。因此，HEA是一种多功能复合型防水剂。 HEA防水剂具有缓凝作用，能够延长混凝土凝结时间。普通混凝土初凝、终凝时间分别为6 h 25 min、9 h 10 min，而HEA混凝土分别为8 h、10 h 15 min。凝结时间可根据工程需要进 行调整，这对商品混凝土及大体积混凝土非常有利。 HEA防水剂由于具有良好的减水效果，故可使混凝土水灰比大为减少，混凝 土密实性提高；加之HEA有少量超高活性材料，对水泥水化起到了强烈激发作用，从而促 使混凝土强度有较大幅度提高。早期强度及28 d强度较普通混凝土提高10%以上(见表2)，特 别是早期强度的提高，对提高工程结构的安全性及防止混凝土早期膨胀能的损失都是十分有利的。   
表2 掺HEA防水剂的混凝土与普通混凝土强度对比 
水泥用量／(kg/m3) HEA掺量／％ 坍落度／cm 抗压强度 
７d 28d 
370 0 14.0 21.3 30.1 
370 10 15.0 25.5 34.1 
410 0 13.5 25.7 39.2 
410 10 14.5 37.5 43.7 

    HEA防水剂由于对膨胀源的矿物组成进行了调整，使混凝土的强度和膨 胀发展非常协 调，最大限度地保证了有效膨胀能的发挥及避免由于膨胀内应力的集中产生造成的破坏。 HEA防水剂由于能生成更多的晶体水化硫铝酸钙，加上有良好的减水作用而使混凝土更加密 实，混凝土的膨胀回落值极小，其后期体积十分稳定，这对于大体积混凝土及超长结构尤其 重要。
    另外，掺HEA的混 凝土抗渗性能非常良好(见表3)。 
表3 掺HEA防水剂混凝土与普通混凝土渗透性对比
HEA掺量／％ 恒压时间／h 渗透高度/cm 
1.2MPa 1.5MPa 2.0MPa 2.6MPa 3.0MPa 


０ ８ - - - - １２－１４ 
10 8 8 8 8 8 3-7 

 注：水泥用量均为380 kg/m3 
    在配制适当膨胀的大体积混凝土时，利用HEA防水剂缓凝、减水、微膨胀功能，调整其强 度、水化热及水泥用量，可达到以下目的：一是可以降低水泥用量，降低水泥水化反应的 水化热而不影响强度 ；二是通过缓凝作用推迟水化热放热峰值和收缩起始时间，使混凝土水化热峰值出现时间由 原来的2～3 d延长到6～7 d，并使放热峰值降低15～20 ℃；三是HEA混凝土产生适度膨胀， 具有良好的温差补偿效应，这对于大体积混凝土温差裂缝的控制，无疑将是十分有效的技术 措施。
五、掺HEA防水剂混凝土设计要点
     (1)在结构设计上仍按现行规范，对混凝土导入的0.2～0.8 MPa预压应力， 在设计计算中不予考虑。 (2)止水带的设计要离开混凝土底板或开孔250 mm 以上。 (3)对薄壁构件，配筋分布应尽量均匀，不能过分集中；开孔和角隅附近易出现裂缝， 周边应加密结构钢筋。 (4)配合比设计时考虑HEA防水剂的高效减水作用，避免拌合水用量过多造成混凝土离析。 (5)掺HEA防水剂混凝土结构在50 m以内可不设伸缩缝，超过50 m可用掺HEA防水剂混凝土膨 胀加强带代替伸缩缝，实现连续无缝施工。 
六、HEA防水剂在实际工程中的应用 
    某地国税局大楼地下室底板尺寸为：103 m×48 m×0.7 m，混凝土设计强 度为C40，抗渗标号S8，采用HEA混凝土膨胀加强带进行无缝施工，具体做法如下： (1)膨胀加强带的混凝土设计强度提高到C45，宽度为2 m，沿长度方向共设2条，带内增加10 %～15%水平温度钢筋，掺13%HEA防水剂。 (2)C40级非膨胀加强带混凝土内掺9%HEA防水剂。 (3)施工结果：C40非膨胀加强带混凝土28 d强度达48.4 MPa，抗渗大于S12；C45膨胀加 强带混凝土28 d强度达54.8 MPa，抗渗大于S12。 
七、结 语 
    在混凝土中掺入适量HEA防水剂，能有效地提高混凝土的抗渗能力，同时由 于HEA防水剂具有高效减 水作用，因而可以大大降低水灰比，提高混凝土密实度，使其早期强度、28 d强度都较普通 混凝土有很大的提高。HEA防水剂是一种比较理想的复合型防水剂，可以预见，随着高性能 混凝土日益被人们所认识，HEA防水剂定有其广阔的应用前景。