水泥基渗透结晶材料提高混凝土结构特性的探讨 

北京市建筑设计研究院工程设计所 雷晓东 姚莉

摘要：在建筑工程中，混凝土结构的裂缝较为普遍。虽然非结构性裂缝不致影响构件承载力和结构安全性，但却会影响结构的耐久性和整体性。“水泥基渗透结晶型材料”已逐渐成为改善混凝土结构特性的主要新型材料。他对于超长混凝土结构减轻温度收缩裂缝起到较好的作用。对结构的耐久性也得到了很大提高。抑制混凝土结构碱骨料反应和提高了混凝土的强度等等，充分说明了水泥基渗透结晶型材料是一种改善混凝土特性的特种工程材料。

关键词：XYPEX水泥渗透结晶型材料 提高混凝土结构特性 应用范围

       水泥基渗透结晶型材料是由德国化学家路易斯.杰逊（Lauritz Jensen）1942年发明的，主要用于地下混凝土结构的自防水。60年代中期从欧洲传到北美，1969年加拿大XYPEX（赛柏斯）化学公司开发了XYPEX（赛柏斯）水泥基渗透结晶型防水材料。这种材料的主要优点是抗渗性能和自愈性能好、粘结力强、可防止钢筋锈蚀，且对人体无毒，在施工方面其简单快速更是其他防水材料所无法相比的。目前在欧洲、美国、加拿大、日本、新加坡、泰国等国家和地区的混凝土防水工程中应用已十分广泛，并获得工程界一致好评。

       XYPEX“赛柏斯”水泥基渗透结晶型防水材料是由波特兰水泥，石英砂以及多种活性化学物质配制而成的淡灰色粉末状无机材料。此类材料适用于所有混凝土结构的永久性防水、防渗、防潮，同时它还能起到提高混凝土强度和保护钢筋的作用。XYPEX“赛柏斯”水泥基渗透结晶型系列材料防水的主要原理是：材料中的活性化学物质在水的作用下促使硅酸二钙与水泥水化过程中产生的Ca(OH)2发生反应，在混凝土毛孔内部生成不溶于水的枝蔓状结晶体硫铝酸钙(3CaOAl2O3CaSO4*32H2O)，以此来堵塞混凝土毛细孔，从而提高混凝土的抗渗性。

       在我国，水泥基渗透结晶型防水材料从90年代初引进开始应用，目前此类材料的应用已经比较广泛，为此国家对此类材料已经制定了明确的标准，即GB18445-2001。由于此类防水材料在其防水性能和施工工艺上有其他种类防水材料所不可替代的优点，所以这类材料被越来越多的人所接受。水泥基渗透结晶型防水材料具有良好的防水性能，目前，已经广泛的应用在市政、水工、水利等工程，如地铁、隧道、涵洞、水库、地下室等领域。但进入我国，仅作为防水材料的特性。而水泥基渗透结晶型体对提高混凝土特性还研究的不足。比如，堵塞混凝土毛细孔，并与混凝土成为一体，从而提高混凝土的抗渗性。抗渗性能和自愈性能好、粘结力强、可防止钢筋锈蚀，从而提高混凝土的耐久性。增加混凝土的抗压强度等等。

1， XYPEX“赛柏斯”水泥基渗透结晶型材料增加混凝土密实度

根据东南大学的试验结果，

（1）新浇筑混凝土试件：对于同一混凝土标号，同一养护时间条件下，涂水泥基的试件在相同碳化时间下的碳化深度都小于不涂XYPEX材料的试件，说明由于XYPEX材料的渗透结晶，增强了混凝土的密实性，可有效地抵抗碳化。

（2）新浇筑掺加粉煤灰混凝土试件：在同一养护时间条件下，涂XYPEX材料的试件在相同碳化时间下的碳化深度都小于不涂XYPEX材料的试件，且两种试件在初期碳化速度较快，随着时间的延长，碳化速度逐渐降低。

（3）老混凝土试件：在同一养护时间条件下，涂XYPEX材料的试件在相同碳化时间下的碳化深度都小于不涂XYPEX材料的试件，说明由于XYPEX材料的渗透结晶，增强了混凝土的密实性，可有效地抵抗碳化，增强结构的耐久性。

（4）老混凝土试件与新浇筑混凝土试件对比：老混凝土试件在初期的碳化深度要大于新混凝土的碳化深度，这是由于老混凝土试件已服役相当长一段时间，其本身在试验前已存在一定碳化程度；随着碳化时间的增加，老混凝土试件的碳化速度与新混凝土试件碳化速度基本相同，说明由于XYPEX材料的渗透结晶作用使老混凝土内部的密实性增强，其结构的耐久性也得到了很大提高。

（5）涂XYPEX浓缩剂灰浆均能不同程度地提高各种混凝土的抗碳化作用，XYPEX对低标号的混凝土（如C30）的抗碳化作用明显地随养护龄期的延长而增强。用XYPEX提高混凝土的抗碳化作用时，不加粉煤灰的不如加粉煤灰的，老混凝土不如新浇混凝土。

   从试验结果可以看出，由于XYPEX材料的渗透结晶作用使混凝土内部的密实性增强，其结构的耐久性也得到了很大提高。在符合混凝土结构设计规范中耐久性规定条件下，适当提高混凝土的强度等级和保护层厚度后，可使一类环境中的混凝土结构设计使用年限100年得到保证。二，三类环境的情况下，采取必要的措施后，可以延长主体结构的实际使用年数。

2，XYPEX“赛柏斯”水泥基渗透结晶型材料对混凝土结构具有自我修复功能

根据清华大学水利水电工程系的试验结果，XYPEX掺合剂对混凝土抗渗自愈性能的提高一方面需要自由水迁移作为载体，另一方面是其自身含有的活性化学物质。其活性化学物质通过自由水载体向混凝土中渗透，与混凝土中的一些化学成分如氢氧化钙等化合形成不溶于水的晶体，填塞混凝土中的渗漏通道，从而起到防水效果。这种结晶反应机理非常复杂，有人认为此中结晶反应向混凝土内延伸是由于渗透作用、布朗运动和干粒子反应三个独立因素和相互影响造成的。从试验结果可以看出，早龄期混凝土中未参与水泥水化的自由水较多，另外，抗渗试验的高压水击穿试件虽对试件有损伤，但同时也给试件中XYPEX掺合剂中活性化学物质带来更多的自由水环境，从而随着混凝土中的自由水迁移激活XYPEX掺合剂中活性化学物质的活性，以形成不溶于水的晶体填塞受损通道。说明XYPEX掺合剂在混凝土中的活性反应与水分的迁移直接相关，水介质时XYPEX渗透结晶的直接载体。

                                                                                             对于基准混凝土，抗渗试验施加给混凝土的高压水，击穿混凝土试件造成的损伤存在可回复性和不可回复性两种，可回复性的损伤主要靠水泥的水化自我修复，随混凝土龄期和强度增长逐渐增加，其逐渐失去触变复原性，可回复损伤逐渐减少，不可回复损伤逐渐增加。从试验结果可以看出，XYPEX掺合剂可以增强和延缓混凝土中的可回复性损伤，减少不可回复性损伤，对混凝土抗渗自愈性能有显著改善。

众所周知，混凝土构件的开裂一般和结构受力或者体积变形有关，在早期混凝土构件由于强度较低，一般不承受外荷载，而对于体积变形，尽管早期就产生一定的变形，但由于混凝土早期弹模较小，导致混凝土开裂的体积变形（如温度变形）一般也在后期产生，总体说来，混凝土结构如建筑结构（房屋、道路和桥梁等）和水利工程（大坝）的裂缝一般在一定龄期后（一般超过设计龄期如28d或者90d）产生，从上面分析可以知道，当混凝土结构产生裂缝时混凝土基本已经失去自我的触变复原性能，而XYPEX掺合剂可以利用混凝土中未完全水化（一般情况下混凝土中未参与水化的水泥和水占相当比例）的自由水或者其它来源的自由水形成针状晶体，提高混凝土的自愈性能，在这个意义上说，XYPEX掺合剂在混凝土中的自愈能力可以提高混凝土的抗裂和长期耐久性。

3， XYPEX“赛柏斯”水泥基渗透结晶型材料控制混凝土结构裂缝

根据日本长期膨胀试验结果

有XYPEX的样品的膨胀量是没有处理过的样品的50%。

其中 D-M-1 室温 加XYPEX

     D-M-2 室温 不加XYPEX

D-H-1 加速养护`室温 加XYPEX

D-H-2 加速养护`室温 不加XYPEX

（1）温度收缩裂缝的基本特点

该裂缝由收缩和温度变形共同产生，随环境湿度和温度而变化，随时间而发展。

根据具体工程裂缝出现的时间、发展与变化、以及分布、形状、尺寸等特征,一般可分为以收缩变形为主或以温度变形为主。实际工程中较常见的是以收缩变形为主的温度收缩裂缝，一般发生在混凝土浇筑后一年内。

主要影响的部位及构件是底层和顶部数层梁板构件以及基础梁、挑檐、栏板等外露构件。

梁板裂缝呈现不同分布和特征，梁缝一般垂直于纵向，分布在两侧面，两头细、中间宽、枣核形。单向板缝等间距平行于短边。双向板缝较重于单向板缝，两个方向板缝纵横交错，缝多为贯通，板面缝一般宽于板底缝。

（2）防止和减轻超长混凝土结构温度收缩裂缝的设计措施 我国混凝土设计规范采用留伸缩缝的方法，是对温度、收缩应力的释放，具有简便易行的优点，但现代的超大型建筑物往往不易做到。一方面，按使用功能和外立面美观要求，希望不设贯通伸缩缝，因为设缝会出现双梁、双柱、双墙，使平面布局受局限。另一方面，设置伸缩缝人为地将结构分割成几部分，也削弱了结构的整体性。在抗震设防地区，伸缩缝还要满足抗震缝的要求，增加了地震时建筑物各块相互碰撞的危险，使整体抗震能力下降，弊大于利。结构温度、收缩应力是由于结构变形受约束而产生的。在理论上只要材料的强度大于等于最大约束应力，则任意长度结构不设伸缩缝亦不开裂；但混凝土材料的抗拉强度很低，韧性差，以及在结硬过程中产生收缩。理论和实践均证明，若设计、施工中不采取措施，难以满足混凝土规范对结构裂缝的要求。

（3）设置后浇带以及控制和抵抗温度收缩应力的措施

有效设置后浇带，后浇带是列入高规中的一种目前设计人员常采用的方法，它利用了混凝土早期收缩量大的特性，其设计思路是“以放为主”。高规虽然对后浇带的间距、宽度、钢筋处理、浇筑时间有较明确要求，但对后浇带的做法必须予以重视。如设计施工处理不好，不仅起不到预期的效果，还会留下结构隐患。后浇带的具体做法中，间距，位置，宽度，钢筋，浇筑时间，断面形式等按照常规做法外。后浇混凝土采用添加渗透结晶型防水材料的混凝土，强度较主体混凝土提高一级。

（4）采用渗透结晶型材料补偿收缩混凝土

由于后浇带延长工期，钢筋断后的搭、焊接和清理凿毛均给填缝施工带来一定麻烦，处理不好将留下渗漏隐患，这是地铁、隧道、水池、地下室等工程所不允许的。因此，提出了采用渗透结晶型防水材混凝土加强带取代后浇带连续浇筑超长建筑的无缝设计施工方法。

设计思路 “以抗为主”的设计原则，利用渗透结晶型防水材混凝土在硬化过程产生的膨胀作用，在结构中产生少量预压应力用来补偿混凝土在硬化过程中产生的温度和收缩拉应力，从而防止收缩裂缝或把裂缝控制在无害裂缝范围内。

具体做法 所有楼板均掺1%～2% 渗透结晶型防水材。但每间隔50 m设置1条2 m宽膨胀加强带，带内混凝土掺加2%渗透结晶型防水材，两侧设密孔钢丝网，防止混凝土流入加强带，加强带处混凝土的强度等级比带两侧高出5 MPa，可连续浇筑，实现无缝施工。

4， XYPEX“赛柏斯”水泥基渗透结晶型材料抑制混凝土结构碱骨料反应

我们可以确定XYPEX产品已经在很多工程中用于保护混凝土结构免受碱骨料反应（AAR）带来的损坏。

简单的说，碱骨料反应的发生，在混凝土中必须有大量的水分。XYPEX“赛柏斯”处理是专门设计用来防止水渗入混凝土结构，从而最大程度的减少了发生碱骨料反应的可能性。日本已经进行了大量与AAR有关的对XYPEX产品的测试。事实上，在几次国际AAR会议上（1992年在伦敦、1996年在墨尔本），都发表和报告了关于使用XYPEX“催化剂”处理发生了骨料碱化反应的混凝土的测试结果。在2000年6月举行的加拿大魁北克AAR会议上发表一份最新的报告。在日本，XYPEX产品已经在30多个工程中使用，保护了遭到碱骨料反应的混凝土。

5， XYPEX“赛柏斯”水泥基渗透结晶型材料提高混凝土结构抗压强度

根据国外多个国家的试验报告，含不同配料率（1%，2%和5%）XYPEX掺合剂的混凝土试件与未处理的基准混凝土试件进行了对比测试。28天后的抗压强度测试结果证明：加XYPEX掺合剂的试件大大提高了混凝土的强度。抗压强度超出基准试件5%到20%（取决于XYPEX掺合剂的配料率）。

实际应用中，我们在一些工程的地下室，饮用水池及污水处理池采用XYPEX浓缩剂防水，起到了较好的效果，另外，我们在校安工程中，在使用喷射混凝土中添加了XYPEX掺合剂，提高了混凝土的密实度及强度，并且保证了工程的质量和安全，取得了较好的效果。因此，对于拓展水泥基渗透结晶型防水材料的应用领域，应建立在对这类材料的基本特性、作用机理的理解基础上。如果不能正确的理解这类材料的特性，往往只是达到事倍功半效果。

建筑工程中，混凝土结构的裂缝较为普遍，裂缝的类型也很多，但按成因基本可归结为由外荷载和变形引起的两大类裂缝。其中由混凝土收缩和温度变形共同引起的温度收缩裂缝则是实际工程中最常见的裂缝。随着建筑向大型化和多功能发展，超长（即超过温度伸缩缝间距）高层或大柱网建筑不断出现，混凝土强度等级的提高，施工中泵送混凝土工艺的应用，使超长混凝土结构易出现的温度收缩裂缝有逐渐增多的趋势。虽然这类裂缝一般不致影响构件承载力和结构安全，但可能引起渗漏、影响结构的耐久性和整体性。另外由于我国幅员辽阔，不同地区气候环境、温湿度差异很大，现行规范对防止和减轻温度收缩裂缝的设计措施制定的较为原则和局限。因此不少设计人员不太认真考虑抗裂的构造措施。这样一旦出现裂缝不仅影响工程质量，同时在住房商品化、质量纠纷日趋增多的今天也不利于保护自己。

6，结语： 本文简析了混凝土本身的结构特性，混凝土收缩和温度变形的特性、影响因素以及温度收缩裂缝的成因和基本特点，结合具体工程特点，考虑防止和减轻温度收缩裂缝的具体措施。

（1）采取设置后浇带以及控制和抵抗温度收缩应力的综合措施，注重结构概念设计，对裂缝采取“放”、“防”、“抗”相结合的构想。

（2）采取以“抗”为主的设计原则。对结构防渗、防裂要求高的工程，提出采用超长混凝土结构补偿收缩无缝施工方法，以及遇水膨胀添缝防渗技术，有效地解决裂缝及渗漏问题，连续施工，缩短工期，降低投资成本。

（3）推荐采用超长结构可加强结构整体性和抗震性能

（4）通过XYPEX高性能混凝土结构设计强度的研究，普通混凝土添加XYPEX特种混凝土添加剂后，在不同混凝土强度等级下，均有20-29%的提高。

（5）通过XYPEX高性能混凝土结构耐久性的研究，普通混凝土添加XYPEX特种混凝土添加剂后，不同的混凝土强度等级在一类，二类，三类环境中，设计使用年限均有不同程度的提高。

（6）通过XYPEX高性能混凝土结构碱活性骨料的研究，混凝土中的最大碱含量小于中国国家规范的要求。

参考文献：

1、Y.kuramoto，Y.Nakamura和M.shimamura July 1992年，通过XYPEX释放的碱控制AAR，第九界国际混凝中碱骨料的化学反应的会议；

2、日本XYPEX公司技术部XYPEX抑制AAR的效果这一研究通过试验室的测试确定了对有AAR的建筑使用XYPEX可以有效地抑制AAR；

3、加拿大XYPEX化学公司XYPEX工程—抑制碱骨料反应；

4、日本土木学会第46次年度学术研讨会（1991年9月）法政大学生土木学部正式会员清林太郎用XYPEX渗透结晶型防水材料增加混凝土密实度。

5、清华大学水利水电工程2006年4月“XYPEX”掺合剂材料自愈抗渗性能试验检验研究报告。

6、东南大学土木工程学院“赛柏斯”（XYPEX）水泥基渗透结晶型防水涂料试验报告。