程福星，邓小旭，向飞，李家东，王海龙

（1.武汉源锦建材科技有限公司，湖北 武汉 430083；2.武汉三源特种建材责任有限公司，湖北 武汉 430083）

0 引言

随着城市化进程逐步加快，工程建设出现了前所未有的热度，地下结构的开发利用成为了热点问题，伴随而来的是建筑结构防水工程问题。混凝土作为一种非匀质性材料，脆性大、易开裂，同时其自身水泥水化放热及收缩的特性都为构筑物渗漏的发生提供了条件[1-3]。

目前，混凝土结构防水分为刚性防水和柔性防水，刚性防水材料主要包括防水剂、膨胀剂、水化热抑制剂、纤维抗裂剂和减缩剂等[4-8]，以内掺的形式添加到混凝土中，提高其自身的抗渗、抗裂性能，而柔性防水材料主要包括各类防水卷材和防水涂料，其使用寿命相对较短，无法做到与结构物同寿命[9]。当前防水工程最常用的做法是“刚柔结合”，全面提升构筑物的抗渗性能。

针对当前刚性结构自防水材料在防水工程应用中存在的混凝土工作性差、强度损失、抗渗性能不达标等问题[10-12]，自主研制了一种WUF 型有机-无机复合类混凝土防水剂，与市场上常见的刚性防水材料进行对比，重点探讨了对混凝土抗渗防裂行为的影响，以期在工程应用中对防水材料的选择提供一定的参考。

1 试验

1.1 试验材料

水泥：P·O42.5 水泥，华新水泥股份有限公司，安定性合格，其化学组成见表1，性能指标见表2。

表1 水泥的化学组成 %

表2 水泥的主要性能

矿粉：S95 级，济南某公司，28 d 活性指数102%。

粉煤灰：Ⅱ级，45 μm 筛筛余为14.8%，武汉青山发电厂，其化学成分见表3。

高性能纤维防裂抗渗复合材料（简称HCM）、氧化镁膨胀剂（简称MEA）、氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂（简称CSA）：市售，纤维组分为聚丙烯纤维；MgO 活性为140 s，80 μm 筛筛余为2.9%，20 ℃水养7 d 和28 d 限制膨胀率分别为0.022%和0.038%；氧化钙-硫铝酸钙膨胀剂80 μm 筛筛余为18.7%，20℃水养7 d 限制膨胀率为6.7×10-4，21 d 转干空限制膨胀率为6.0×10-6，符合GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》中Ⅱ型要求，化学成分如表3所示。

WUF 型混凝土防水剂：武汉源锦建材科技有限公司自主研发，由保水、膨胀、防水、纳米、激发、塑化组分等按一定配比复配而成，其化学成分如表3所示，符合JC 474—2008《砂浆、混凝土防水剂》要求。

表3 原材料化学组成 %

细骨料：河砂，细度模数2.6，含泥量1.3%。

粗骨料：5～31.5 mm 连续级配花岗岩碎石，其主要物理性能指标如表4所示。

表4 花岗岩碎石粗骨料主要物理性能指标

拌合水：自来水。

减水剂：聚羧酸高性能减水剂，减水率为22%，武汉三源特种建材责任有限公司。

1.2 试验方案

1.2.1 混凝土配合比

根据JGJ 55—2011《混凝土配合比设计规程》，设计选用C30 普通混凝土为基准，试验用混凝土配合比见表5。结合相关标准及实际情况，掺WUF 型混凝土防水剂、CSA、MEA、HCM 分别以胶材用量的5%、10%、6%和1.0 kg/m3取代粉煤灰。

表5 混凝土配合比 kg/m3

1.2.2 混凝土性能检测方法

混凝土工作性能：参照GB/T 50080—2019《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。

力学性能：参照GB/T 50081—2016《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测试。

耐久性能：参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行测试，其中抗渗试验采用渗透高度比法，为体现出不同防水材料对抗渗性能的差异性，本试验抗渗压力为1.4 MPa，恒压24 h；混凝土干燥收缩采用接触法。

平板开裂性能测试：按照GB/T 50082—2009 中早期抗裂试验方法进行，采用800 mm×600 mm×100 mm 的平面薄板模具，内含7 条裂缝诱导器；另外保持试件表面中心处风速不小于5 m/s。试验完成后，记录裂缝宽度和长度，分别计算裂缝平均开裂面积、单位面积裂缝数目、单位面积的总开裂面积。

2 试验结果与讨论

2.1 对混凝土工作性能的影响

掺不同防水材料新拌混凝土的坍落度和扩展度见表6。

表6 掺不同防水材料新拌混凝土的坍落度和扩展度

由表5、表6 可知，掺入WUF、CSA、MEA 和HCM 4种防水材料后，在维持混凝土初始坍落度为（200±20）mm 时，减水剂用量需求分别是6.25、7.12、7.25、8.25 kg/m3，其对应的初始扩展度分别为560、565、550、520 mm，可见，对混凝土拌合物初始工作性影响从大到小的依次是HCM＞MEA＞CSA＞WUF。经1 h 后，相较于对照组，掺WUF 和CSA 混凝土坍落度和扩展度均无损失，但掺MEA 和HCM 时出现显著降低，混凝土坍落度分别损失了90 mm 和55 mm，扩展度分别减少了210 mm 和110 mm，表明掺入不同防水材料对混凝土工作性有明显差异，在实际工程应用时应重点关注。

2.2 不同防水材料对混凝土力学性能的影响（见表7）

表7 不同防水材料对混凝土力学性能的影响

由表7 可知，WUF 和CSA 对混凝土各龄期抗压强度均无负面影响，抗压强度均超过对照组，后期强度无倒缩现象，其中掺WUF 对混凝土早期强度有明显贡献，3 d 和7 d 的抗压强度比分别达到了114.6%和108.3%；掺MEA 对混凝土强度有一定负面影响，各龄期抗压强度均有一定损失，对早期强度的影响更明显，降幅为5%左右，但混凝土28 d 和60 d 抗压强度与对照组相当；掺HCM 对混凝土强度影响最大，3、7、14、28、56 d 强度损失率分别为9.8%、11.1%、9.9%、5.8%、3.8%，综上所述，对混凝土力学性能负面影响大小依次是HCM＞MEA＞CSA＞WUF。

2.3 不同防水材料对混凝土抗渗性能的影响（见表8）

表8 不同防水材料对混凝土渗透高度的影响

由表8 可知，掺入WUF、CSA、MEA 和HCM 后，28 d 龄期混凝土试块渗透高度分别10.6、98.2、28.8 和127.6 mm，相比于对照组，渗透高度比分别为18.9%、174.7%、51.2%和227.0%，可见，掺入WUF 可显著降低提高混凝土密实度，进而增加其抗渗性能；MEA 的缓慢膨胀特性也对提高混凝土抗渗性能有一定贡献，但掺入CSA 和HCM 对提高混凝土密实度均有负面作用，其原因可能是掺CSA 后，混凝土试块在非限制状态下早期出现快速膨胀，导致水化产物颗粒增大，产生更多有害孔隙，反而降低了材料的密实度，而掺入HCM 时引入了纤维组分，会导致更多界面过渡区的产生，亦会产生更多有害孔隙[13-14]。

上述结果说明，从提高混凝土密实度、降低有害孔隙数量的角度考虑来改善混凝土抗渗性能的材料是WUF 和MEA，而CSA 和HCM 均会降低混凝土的抗渗性能。

掺不同防水材料混凝土试样经抗水渗透试验后劈裂开的断面形貌如图1所示。

图1 掺不同防水材料混凝土抗渗透试验后的试样照片

由图1 可以清楚的观察到，相较于对照组，掺WUF 和MEA混凝土更密实，断面更均匀、平整、孔隙较少，而掺CSA 和HCM 试块断面更粗糙、孔隙较多，与此同时，对照组、掺CSA和HCM 试样的两边渗透高度不均匀，显示出抗水渗透性能更薄弱，也进一步说明了混凝土内部密实度较差，而掺WUF和MEA 不仅表现出渗透高度的大幅度降低，还表现出更加优异的渗透均匀性。可见，掺WUF 型混凝土防水剂能大幅度提高混凝土密实度，进而增强抗水渗透性能，对提升混凝土长期耐久性能亦是有利的。

2.4 不同防水材料对混凝土氯离子渗透性能的影响（见表9）

表9 不同防水材料对混凝土电通量的影响

由表9 可知，掺防水材料WUF、CSA、MEA、HCM 混凝土电通量相较于对照组分别降低了49.4%、2.2%、12.6%、-1.9%，可见，与抗渗性能规律一致，掺WUF 防水剂后混凝土氯离子电通量大幅降低，也间接证明了其影响了水化产物结构降低了混凝土的孔隙，使得材料更加密实，而掺HCM 后混凝土氯离子电通量反而增大。

2.5 不同防水材料对混凝土碳化性能的影响（见表10）

表10 不同防水材料对混凝土碳化性能的影响

由表10 可知，相较于对照组，掺WUF、CSA、MEA 对混凝土各龄期抗碳化性能均有一定提升，其中掺WUF 表现得更优异，混凝土7 d、14 d 和28 d 碳化深度较对照组分别降低了25.2%、26.1%和28.1%，掺MEA 的抗碳化效果略优于CSA，但掺HCM 反而会加速各龄期混凝土的碳化进程，碳化深度较对照组分别增大了5.1%、5.8%和2.2%。由此可见，4种防水材料表现出来的抗碳化规律与混凝土抗渗性能类似，说明混凝土密实度与其自身的抗碳化能力密切相关。

2.6 不同防水材料对混凝土收缩性能的影响（见图2）

图2 不同材料对混凝土干缩性能的影响

从图2 可以看出，掺4种防水材料混凝土在干燥养护条件下均表现出收缩，且在14 d 龄期以前发展得最快，28 d 后干缩值增长不明显；掺MEA 和CSA 两种膨胀剂并没有显著降低混凝土的干缩性能，主要是膨胀剂在水化过程中需要大量水分，而干燥养护条件下限制了其膨胀性能的发展，也说明了养护条件对膨胀剂使用的重要性。同时，MEA 对混凝土干缩的抑制效果优于CSA，是因为MEA 水化需水量更小，同时其延迟膨胀特性也有一定作用；掺WUF 对混凝土干缩性能有一定改善，主要是其中的保水组分和防水组分可以将部分自由水封闭在混凝土中，维持内部湿度，促进胶凝材料的水化；而掺HCM 对混凝土干缩值影响不大，各龄期干缩值与对照组相当。

2.7 不同防水材料对混凝土早期收缩开裂行为的影响（见表11）

表11 混凝土早期平板开裂试验结果

由表11 可知，掺WUF、CSA、MEA 和HCM 后，混凝土平板单位面积的总开裂面积相较于对照组分别降低了33.1%、-16.3%、7.8%、92.5%，同时最大裂缝宽度分别为0.53、0.64、0.59、0.22 mm，可见，掺HCM 对混凝土早期抗裂行为影响最为显著，其原因是该材料中的纤维组分在混凝土中起到桥接作用，形成三维网状结构，不仅可提高基体韧性，还能够分散混凝土早期产生的应力，有效抑制混凝土裂缝的产生和发展[15]；掺WUF 对抑制混凝土早期开裂亦有一定作用，主要是其中的保水组分和防水组分可降低混凝土表面水分的蒸发速率，从而降低早期收缩开裂风险；掺MEA 对早期抗裂行为的影响不大；而CSA 对混凝土早期开裂有负面影响，其原因是氧化钙-硫铝酸钙类膨胀剂早期水化速度快，需水量较大，对混凝土干燥收缩不利。由此可见，4种防水对于早期抗裂行为的影响HCM 表现最优，CSA 表现最差。

3 结论

（1）自制WUF 型混凝土防水剂可提高混凝土的坍落度、扩展度并降低经时损失，对混凝土各龄期力学性能亦是有利的。

（2）掺WUF 型防水剂可显著提升混凝土耐久性能，渗透高度降低45.6 mm，电通量减少了49.4%，各龄期混凝土碳化深度亦明显下降。

（3）从提高混凝土密实性的抗渗性能考虑，4种防水材料对其贡献的优先顺序是WUF＞MEA＞CSA＞HCM，相较于对照组，抗渗高度比分别为18.9%、51.2%、174.7%和227.0%。

（4）从提高混凝土早期抗裂性能考虑，4种防水材料对其的优先顺序是HCM＞WUF＞MEA＞CSA，相较于对照组，平板开裂面积分别降低了92.5%、33.1%、7.8%和-16.3%。