CCCW渗透结晶机理及在装配式建筑中的应用探索.pdf

建 筑 技 术 Architecture Technology第 54 卷第 21 期 2023 年 11 月Vol.54 No.21 Nov.20232662装配式建筑是一项新兴的绿色环保节能型建筑结构体系，其绿色建筑特点顺应建筑可持续发展的原则。然而受施工工艺影响，装配式构件存在大量的拼装接缝，而接缝处通常是装配式建筑的防水薄弱部位，因此预制装配式建筑在防水问题上存在先天缺陷，甚至影响居住与用户体验。预制装配式建筑为抵抗地震力的影响，其外墙板常需考虑一定的活动空间，墙板活动空间增加了接缝防水难度，因此寻求快捷高效装配式建筑防水材料显得尤为重要。水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）是一种新型防水材料1，其中的活性物质可以渗透进混凝土内部，反应生成不溶性结晶物质填充在混凝土缝隙处，起到密实混凝土的作用，并在后续长效反应，整体改善混凝土构件耐久性能（尤其抗渗性），已有效应用于桥梁、建筑工程等领域。基于 CCCW 渗透结晶机理及 ALC 板淋水试验探讨其应用于预制装配式建筑的适用性。1 CCCW 渗透结晶机理探讨1.1 渗透结晶作用机理国内外比较认可的 CCCW 的渗透结晶机理有 2种：沉淀反应机理和络合沉淀反应机理26。1.1.1 沉淀反应机理沉淀反应机理主要基于活性化学物质可渗透到混凝土内部而提出。主要反应过程：活性化学物质与混凝土内部的钙离子（Ca2+）反应生成不溶于水的结晶（图 1），填充混凝土内部缝隙，进而提高混凝土耐久性能。鉴于水在反应过程中所起到的作用，当混凝土内部干燥时，活性化学物质便进入“休眠”状态，待有水再次渗入时，可再次激活。沉淀反应机理如CCCW 渗透结晶机理及在装配式建筑中的 应用探索强 锋1，方召欣2，尚晓华1，邵凯华1（1.山东鲁能亘富开发有限公司，250000，济南；2.烟台大学土木工程学院，264005，山东烟台）摘要：为了探讨水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）应用于装配式建筑的适用性，总结 CCCW 渗透结晶机理，结合试验研究渗透结晶深度，在项目现场 ALC 板局部墙体上应用，并通过淋水试验测试有无渗漏，最后分析其综合效益。研究结果表明：CCCW 理论层面可应用于装配式构件防水，为 CCCW 的应用推广奠定基础。关键词：水泥基渗透结晶型防水材料；渗透结晶；渗透结晶深度；装配式建筑中图分类号：TU 758.1 文献标志码：B 文章编号：10004726(2023)21266205mechanism of cccw infiltration crystallization anD its application in prefabricateD builDings QIaNG Feng1,FaNG Zhao-xin2,ShaNG Xiao-hua1,ShaO Kai-hua1(1.Shandong Luneng Genfu Development Co.Ltd,250000,Jinan,China;2.School of civil engineering of Yantai University,264005,Yantai,Shandong,China)abstract:In order to discuss the applicability of CCCW in prefabricated buildings,the mechanism of CCCW percolation crystallization is summarized,and the depth of percolation crystallization is studied through experiments.Then,it is applied to the local wall of ALC plate on the project site,and no leakage has been found through the water pouring test.Finally,its comprehensive benefits are analyzed.The results show that the theory of CCCW can be applied to the waterproof of fabricated components,which lays a foundation for the application of CCCW.Keywords:cementitious capillary crystalline waterproofing materials;osmotic crystallization;osmotic crystallization depth;prefabricated building收稿日期：20230925基金项目：山东省自然科学基金项目（ZR2013EEQ018）作者简介：强锋（1968），男，山东临沂人，高级工程师，硕士，e-mail:.2663强锋，等：CCCW 渗透结晶机理及在装配式建筑中的应用探索混凝土XYPEX 活性物质结晶体水渗透通道水图 1 不溶性结晶体图2所示。活性物质渗透钙离子等结晶反应不溶性结晶体密实混凝土活性化学物质处于休眠状态产生新裂缝水的再次渗入再激活图 2 沉淀反应机理1.1.2 络合沉淀反应机理络合 沉淀反应机理是在沉淀反应机理的基础上，考虑 CCCW 长效防水机制提出的。主要过程：活性化学物质在浓度梯度的作用下，以水为载体向混凝土内部渗透，在此过程中与 Ca2+发生络合反应形成不稳定的络合物，络合物以水为载体并在络合 分解过程中向混凝土内部渗透，当到达未水化水泥或水泥凝胶体密集区域（即硅酸根离子等阴离子高浓度区），络合物中的 Ca2+便与阴离子形成难溶性沉淀物，填充在混凝土的裂缝当中，而活性化学物质会循环渗透、络合、置换等过程，因此活性化学物质的量不会减少，进而实现 CCCW 的长效防水机制。络合 沉淀反应机理如图 3 所示。Ca2+=A2+Ca2+=A2+SiO32（未水化水泥、水泥凝胶体）CaSiO3nH2OCa2+A2+Ca2+=A2+（Ca2+高浓度区）封闭孔隙、修复裂缝扩散渗透图 3 络合 沉淀反应机理1.2 渗透结晶作用机理的探讨两种渗透结晶作用机理均在一定程度上对CCCW 的作用机理做出解释，但缺乏试验验证。沉淀反应机理虽能解释 CCCW 的渗透结晶过程，却难以解释其长效性。络合沉淀反应机理的突破点在于活性物质是作为中间转换物质存在的，其数量并没有减少，对CCCW 的长效性做出了合理解释，但该机理仍未解答：（1）为何 Ca2+借助于中间转换物质络合剂，却不直接参与反应；（2）混凝土中阴离子数目 较少7，能否形成足够的不溶物质填充裂缝。蒋正武8在对渗透结晶作用机理的探讨中，指出 CCCW 中的活性化学物质存在两种类型，一种直接参与到反应当中生成不溶性结晶物质，另一种起到催化作用，进而推断出 CCCW 在混凝土中生成的不溶性结晶物质同样包括两种类型。综上所述，从反应机理推断，将 CCCW 涂覆于外墙表面，并将墙板缝填充，不仅能够通过结晶作用密实表面，而且随时间推移将逐渐向墙板内部渗透结晶，有望起到长效防水效果，弥补装配式构件拼缝多及墙体缺陷造成的渗漏隐患。2 CCCW 渗透结晶深度研究渗透结晶深度作为 CCCW 抗渗性能的重要指标，通常可用渗透深度表征 CCCW 的修复范围。2.1 渗透结晶深度的影响因素蒋正武等8认为氢氧化钙（Ca(OH)2）与水的存在是 CCCW 进行渗透结晶的必备条件。章宗友9指出，水是决定活性物质渗透结晶深度的重要因素，水的回流深度决定了活性物质渗透结晶的深度。但需注意的是，混凝土自身情况以及周围环境也会对渗透结晶深度造成影响，比如水灰比、掺合料等对混凝土毛细孔分布结构等造成直接影响；而外部周围环境，如温度与湿度等也会对渗透结晶深度造成影响。因此，渗透结晶深度的确定要综合考虑多方面因素。2.2 试验研究尚晓华等10通过扫描电镜及能谱分析测试 C25试件在涂抹 XYPEX（水泥基渗透结晶型防水材料的一种）后 60 d 的渗透结晶深度。当养护至规定龄期（60 d）时，用扫描电镜进行观察，依次取距离试样表面 0 mm、10 mm、20 mm处局部点观察微观结构形貌，同时用能谱仪测定其特征元素的含量。（1）如图 4 所示，通过对比与观察各位置处的微观形貌图发现：白色结晶物质的量与深度成反比，其中 0 mm 处白色结晶物质结成一片，而 20 mm 处就显得相对零散。由此可推断：XYPEX 浓缩剂能够渗透进入试件内部反应生成不溶性结晶体，且渗入的量与深度成反比。建 筑 技 术第 54 卷第 21 期2664（a）（b）（c）图 4 微观结构形貌（a）0 mm；（b）10 mm；（c）20 mm（2）CCCW 中主要的化学元素有碳、氧、钙、硅、镁、钠（C、O、Ca、Si、Mg、Na）等，刘腾飞等11曾对 XYPEX 中主要元素的含量比与其在砂浆中的含量比进行对照，参见表 1。表 1 XYPEX 与砂浆主要元素含量元素原子百分比/%重量百分比/%XYPEX砂浆XYPEX砂浆Na9.501.1410.531.27Mg2.573.873.025.03Ca15.2513.5829.4626.22Si4.149.975.6113.49C7.645.604.423.42O60.8965.8546.9650.76由表 1 可见，砂浆中 Ca 与 Si 的元素含量相对较高，即使 XYPEX 中的元素渗透进入，用能谱仪也不能明显检测出来；而 Na 元素两者差别相对更悬殊。本次试验基于此，以 Na 元素为特征元素来表征 XYPEX 浓缩剂的渗透深度。能谱仪的测试区域为距离涂层 0 mm、5 mm、10 mm、15 mm 及 20 mm 深度处，Na 元素含量扫描结果见表 2。表 2 不同深度处 Na 元素含量扫描结果深度/mmC25重量百分比/%原子百分比/%01.822.0750.80.69100.690.59150.620.52200.600.52由表 2 可以发现：Na 元素的含量与涂层的距离成反比，其中 0 mm 处含量最高，说明涂层处仍有大部分的活性化学物质；在距离涂层 15 mm 以及 20 mm 深度处，Na 元素含量相差不大，表明XYPEX 浓缩剂渗透深度在 1520 mm。综上所述，表面涂覆 CCCW 后，CCCW 渗透进入混凝土内部，发挥结晶作用密实混凝土，从而改善混凝土的耐久性能1214。因此一般的混凝土装配式构件理论上可使用 CCCW，但具体工程效果有待检验。3 CCCW 工程应用研究目前主体结构常用的装配式构件主要为叠合楼板、预制楼梯、外围护墙板等，因叠合楼板、预制楼梯对防水要求相对较低，而 CCCW 应用于混凝土构件防水效果比较显著，故选取外围护墙板作为研究对象（以 ALC 板为例），板缝及表面用 CCCW处理，并通过淋水试验来测试其防水效果，以此探讨 CCCW 应用于装配式建筑的适用性。ALC 是蒸压轻质加气混凝土的简称，以粉煤灰、水泥、石灰、铝粉等为主原料，经过高压蒸汽养护而成的多气孔混凝土成型板材。外墙 ALC 板常采用螺栓固定节点1516，由螺杆、托板、紧固件及焊接在主体结构上的通长角钢构成。由于螺栓打穿墙体，且板材之间拼缝较多，因此防水显得尤为突出17。3.1 CCCW 应用的可行性分析（1）由于 ALC 板为多气孔墙体，为 CCCW 的2665强锋，等：CCCW 渗透结晶机理及在装配式建筑中的应用探索渗透结晶提供有效通道。（2）鉴于 ALC 板的组成成分，CCCW 不仅能通过渗透结晶来密实 ALC 板，还能催化 ALC 板内部未水化水泥继续水化，从而达到密实墙体的效果。（3）ALC 板表面特性方面，ALC 板材表面相对粗糙，满足 CCCW 对基层粗糙面的要求。（4）相容性方面，CCCW 材料绿色环保，从成分上看，不会与 ALC 板产生不相容现象。综上，CCCW 理论上可适用于 ALC 板外墙涂抹及勾缝处理方面。3.2 施工工艺本试验在领秀城 P5 项目现场进行，选取 3 块600 mm3 000 mm 规格的 ALC 板用 CCCW 处理；对比组选取3块相同板材，采取常规做法处理（侧面：采用 ALC 专用砂浆。表面：涂抹防水界面剂一道+5 mm 厚抗裂砂浆+一层耐碱玻纤网格布+15 mm厚 12 水泥砂浆找平）。本次试验唯一变量为板材处理所用材料不同，其余变量均为实际现场环境（养护机制、温度、湿度等均一致）。本次试验 CCCW 采用 XYPEX 浓缩剂，其为XYPEX 系列防水产品中化学活性最强的一种，可用于地上结构或地下结构防水。3.2.1 ALC 板表面 XYPEX 浓缩剂的涂抹（1）ALC 板基面的处理：在涂抹 XYPEX 浓缩剂的前 1 d，对 ALC 板表面进行湿润处理（用喷壶洒水），在涂抹当天，清除表面油污等杂质，并用喷壶喷洒清洗湿润 ALC 板表面。（2）制浆：将 XYPEX 浓缩剂粉末与水按照重量比 25 进行制备，将粉末慢慢加入洁净的清水当中，并不断搅拌（尽量不要有干粉球的存在），严禁在使用过程中加水，一次配制尽量在 20 min 内 用完。（3）涂抹：涂抹时采用半硬性尼龙刷，待第一遍涂抹面干燥后涂抹第二遍。（4）质量检查：涂抹完之后，对涂层质量作外观检查（如是否起皮等），缺陷处重新施工。3.2.2 ALC 板接缝处 XYPEX 浓缩剂的处理墙板拼接时板缝缝宽不大于 10 mm，安装时应以缝隙间挤出 XYPEX 浓缩剂胶浆为宜。3.2.3 底部座浆处 XYPEX 浓缩剂的处理底部用 XYPEX 浓缩剂预先座浆，板安装好后，木楔应在浓缩剂接硬后取出，且填补浓缩剂。3.2.4 钩头螺栓处 XYPEX 浓缩剂的处理首先将表面用水冲刷干净，除去表面积水后，在钩头螺栓孔洞处塞填浓缩剂灰浆，灰浆初凝（一般为 12 h）后，用皮锤将 XYPEX 浓缩剂或堵漏剂的半干燥团料填满孔洞并捣实，最后再涂抹一层浓缩剂灰浆。3.2.5 角钢与 ALC 板间缝隙处理采用注浆方式17将 XYPEX 浓缩剂注入 ALC板与角钢缝隙内，最后再涂抹一层浓缩剂封口。3.2.6 养护（1）在施工完之后，当涂层表面出现凝固面干时，开始采用喷雾式洒水养护，防止涂层破坏。（2）前 7 d 每天洒水 3 次，早、中、晚各 1 次，以后每天洒水 1 次，直至试验结束为止。3.3 淋水试验通过加压水泵将水送至附设于外墙外侧的 PPR喷淋管，从而对外墙进行加压喷淋以检验外墙的渗漏情况。试验要求：（1）挂墙淋水线管采用 25PPR管18-21，用 3 mm 钻头在管上沿直线钻孔、孔距 100 mm，“喷嘴”对着 ALC 板外墙，在被检表面形成连续水幕；（2）淋水 PPR 管挂墙的总长度根据水压而定，需保证 PPR 管每个小孔都有充足水量流出；（3）挂线管时不准采用在墙上打钉等破坏墙体、成品的 措施。待养护至规定龄期（60 d）进行现场淋水试验，试验组与对比组均未出现渗漏情况，证明 CCCW 能够达到常规 ALC 板及板缝的防渗漏要求。3.4 综合效益对比分析以一块 600 mm3 000 mm 的 ALC 墙板为例，分析对比常规做法与 XYPEX 浓缩剂在直接费用方面的差异，见表 3。表 3 直接费用对比分析做法直接费用/（元/m2）人工费材料费机械费合计XYPEX 浓缩剂101230.18133.18常规做法29270.356.3费用差值19960.1276.88注：XYPEX 浓缩剂表面涂抹按照 1 kg/m2考虑，侧面勾缝按照 2 kg/m2考虑，不计损耗。由表 3 分析可知，采用 XYPEX 浓缩剂做法直接费用比常规做法价格高出 76.88 元/m2，其中人工费比常规做法节省 19 元/m2，材料价格高出 96 元/m2，建 筑 技 术第 54 卷第 21 期2666机械费用方面节省 0.12 元/m2。同时对综合效益进行对比分析，见表 4。表 4 综合效益分析项目常规做法XYPEX 浓缩剂基层要求干燥、平整无要求施工工艺较为烦琐，4 道工序涂抹 2 遍施工效率30 m2/人/d50 m2/人/d预期质量存在开裂风险同结构寿命综合分析造成直接费用差异的主要原因在于材料方面：虽然众多研究者对 CCCW 的组分进行分析，但因试验材料、试验方法、温度、考虑因素等条件不同，试验所确定的组分差异较大，并且适用范围存在较大的局限性，目前 CCCW 多依赖于进口，而 XYPEX 浓缩剂施工工艺简单，人工效率是常规做法的 1.67 倍，施工工期缩短，人工及机械成本 降低。由表 4 分析可知，XYPEX 浓缩剂在基层、施工工艺、施工效率及预期质量方面均要优于常规做法，综合效益效果显著。综上所述，XYPEX 浓缩剂虽然在材料费用方面不占优势，但由于其施工工艺相对简单，能够有效缩短施工工期，降低人工及机械费用。同时能够与基层合为一体，从结构内部抵抗较高的静水压力，具备再次修复能力，活性化学物质数年后有望通过重新激活密封或再密封后期形成的裂缝，从而降低后续拆改费用；其次因其性能稳定，可不断修复构件，达到延长构件使用寿命、降低维修维护成本的目的，其性价比在长期乃至其寿命期内应可显现，综合效益明显优于常规做法。4 结论CCCW 渗透结晶机理、渗透深度及淋水试验研究结果如下。（1）CCCW 能够通过渗透结晶密实结构构件，改善构件耐久性能，同时具有节能环保特性，为CCCW 应用于装配式构件建立理论基础。（2）通过对 C25 试件扫描电镜及能谱分析表明：CCCW 在 60 d 时的渗透深度在 1520 mm。（3）领秀城 P5 项目淋水试验表明：CCCW 能够满足常规 ALC 板墙板防渗漏处理要求。（4）综合效益对比分析：虽然材料费用高于常规处理方式，但由于其施工工艺相对简单，能够有效缩短施工工期，降低人工及机械费用。同时综合效益明显优于常规做法，随着时间的推移，其性价比将逐渐显现。从理论层面及局部应用进行探讨分析，虽然取得一定成果，为 CCCW 应用于装配式建筑防水方面提供一定借鉴参考，但因条件所限，未对 CCCW 涂抹装配式构件防水效果在更长时间内以及更广范围内展开检验。相信随着今后对防渗漏的高标准和严要求，CCCW 将逐渐进入装配式建筑领域，同时科技攻关力度加大有望尽快破解 CCCW 依赖进口的僵局，为 CCCW 应用于装配式建筑夯实道路。参考文献1 陈宝贵,倪贵泉,李国营.水泥基渗透结晶型防水材料的组成与作用 J.新型建筑材料.2008,35(5):6567.2 黄洪胜,张明强,李铁军,等.水泥基渗透结晶型防水材料在路桥工程中的应用 J.建筑材料.2011,10(91):2730.3 王丹,张玉奇.水泥基渗透结晶型防水剂的性能研究及微观分析J.新型建筑材料,2008(2):7780.4 刘梦路,刘鹏,余志武,等.水泥基渗透结晶型防水材料的作用机理及性能评价综述 J.新型建筑材料,2022,49(4):135140.5 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