混凝土结构耐久性与防水系统的选择.pdf
综 述 与 专 论 ■ 涅 凝 土结 构 耐 久 性 与 防水 系统 的 选 择 l 张 勇 中国建筑科学研究院建筑安全与环境国家重点实验室, 北京1 0 0 0 1 3 摘要 从混凝土结构耐久性及防水工程的本质出发, 通过探讨防水系统与混凝土结构耐久性的关系, 提 出 从可靠性 耐 久性 、 便利性、 经济性和环保性四个方面对防水系统进行评价, 并进一步提出了借助雷达图模型探索对防水系统进行 直观 、 定量评 价的可行性及技术难点。 关键词 防水工程 ; 耐久性; 可靠性; 评价; 雷达图模型 文章编号 1 0 0 7 4 9 7 X 2 0 1 3 一 1 7 0 0 0 1 0 5 中图分类号 T U 5 7 9 ; T U 7 6 1 . 1 1 文献标识码 A Du r a b i l i t y o f Co n c r e t e S t r u c t u r e a n d t h e S e l e c t i o n o f W a t e r p r o o f S y s t e ms Zh a n g Yo n g C h i n a A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h , S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f B u i l d i n g S a f e t y& E n v i r o n m e n t , B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 , C h i n a Ab s t r a c t T h e e s s e n c e o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y a n d t h e d e fi n i t i o n o f w a t e r p r o o f e n g i n e e r i n g we r e d i s c u s s e d f i r s t l y .An d t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e r e l i a b i l i t y o f w a t e rpr o o f s y s t e m a n d t h e d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e s t r u c t u r e w a s c l e a r e d s u b s e q u e n t l y . T h e p r o p e r t i e s o f a wa t e rp r o o f s y s t e m mi g h t b e e v a l u a t e d f r o m i t s d u r a b i l i t y , a p p l i c a t i o n c o n v e n i e n c e , e c o n o mi c e f f i c i e n c y a s we l l a s i t s u n i q u e e n v i r o n me n t a l b e n e f i t s . Th u s ,a ma t h e ma t i c a l mo d e l c a l l e d t h e Ra d a r Di a g r a m mo d e l wh i c h a i me d t o e v a l u a t e t h e p r o p e r t i e s o f a wa t e rpr o o f s y s t e m i n t u i t i v e l y a n d q u a n t i t a t i v e l y wa s p r o v i d e d .T h e n t h e f e a s i b i l i t y a n d t e c h n i c a l o b s t a c l e o f t h e mo d e l we r e e x p l o r e d . Ke y wo r d s w a t e rpr o o f e n g i n e e ri n g ; d u r a b i l i t y ; r e l i a b i l i t y ; e v a l u a t i o n ; Ra d a r Di a g r a m mo d e l 1 混凝土结构及其耐久性 混凝土是当前全球范围内用量最大、 最重要的建 筑结构材料 , 年消耗量超过 1 0 0亿 t 。 混凝土是 由粗骨 料 、 细骨料 、 水泥水化产物 、 未水化水泥颗粒 、 空 隙及 裂纹等组成的一类非均质复合材料。 混凝土技术历经 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 8 1 2 作者简介 张勇, 男, 副研究员。现任中国建筑学会建材分会理 事及建材分会建筑防水技术专业委 员会副主任委员、 全国防水 材料标准化技术委 员会 S A C / T C1 9 5 / S C 1 副主任委员、 中国建 筑防水协会专家委员、中国建筑业协会建筑防水分会专家委 员、 中国工程建设标 准化协会建筑 防水专业委 员会 专家委 员、 本刊编委等职。联系地址 1 0 0 0 1 3北京北三环东路 3 0 号。 本文为第三届 中国建筑防水 南方 专家论坛交流论文, 本刊 发表时有补充修改。 近 2 0 0年的发展 ,已从 以强度为主进入到注重工作 性、 使用性、 耐久性并重 , 并突出耐久性的时代, 目前 高性能混凝土 HP C 正成为研究和发展的重点【 l 】 。 所谓耐久性 , 是指混凝土结构在 自然环境 、 使用 环境和材料内部因素的作用下, 在设计要求的目标使 用期内,不需要花费大量资金加固处理而保持其安 全 、 使用功能和外观要求的能力 。影响混凝土耐久 性 的因素包括设计和施工质量控制 、 工作环境 、 原材 料和结构等 , 目前针对设计和施工质量控制的研究和 解决对策 日益完善 , 而因环境和原材料引起 的耐久性 下降问题还有待进一步研究。 后者往往以病害形式 出 现 , 常见的包括氯离子侵入引起钢筋锈蚀 、 碳化 、 硫酸 盐侵蚀 、 碱一 骨料反应 、 冻融循环破坏 、 体积变形 干燥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ■ 综 述 与 专 论 鬻i 蠢黔 ≯ 势鹭 爱秘j量 誊鬻 ;旋鬻照搿鬃 收缩 、 化学收缩及碳化收缩等 造成 的开裂等。 从研究 结果来看, 除最后一项外, 其余各项无不与水的参与 密切相关 。 混凝 土结 构 耐久 性 设 计 规 范 G B 5 o 4 7 6 2 0 0 8 将混凝土结构所处环境类别分为一般环境 I 、 冻融环境 I I 、 海洋氯化物环境 I I I 、 除冰盐等其他 氯化物环境 I V 及化学腐蚀环境 V 5类 , 并将环境 作 用 等级 分 为 轻微 A 、 轻 度 B 、 中度 c 、 严 重 D 、 非常严重 E 和极端严重 F 6 级, 组合成 l 6 个 典型环境作用等级, 然后分别规定典型环境类别下不 同形式钢筋混凝土构件在不同设计使用年限下的最 小混凝土强度等级 、 水胶 比、 钢筋保护层厚度等关键 参数『引 , 对提高我国混凝土结构的耐久性发挥了重要 作用。 上述成果都是 由国内外混凝土领域内的专家、 学 者经过几代人 的不懈努力获得的。然而 , 由于建筑防 水学科的研究起步较晚, 缺乏严谨的理论体系以及与 相关领域的技术接 口, 有关防水系统对混凝土结构耐 久性的影响被严重忽略 了。防水领域 内外 , 普遍的看 法似乎还停留在如何将水这一对建 构 筑物使用功 能不利的因素拒之I-1 fi b 的阶段。 如何通过防水措施的 选择 、 防水系统 的构建 , 达到提高混凝土结构耐久性 的 目的 , 还需要我们开展深入研究。 2 防水工程的本质 如前所述 , 水是影响混凝土结构耐久性的关键介 质之一。同时, 水也是造成建筑物破坏最主要的 自然 因素。从原始人类 的穴居到当下鳞次栉 比的摩天大 厦 , 规避水对生产、 生活的不利影响始终是人类寻找、 建造各种建 构 筑物时必须考虑的关键 因素之一。 站 在使用者的角度, 防水是建 构 筑物必须具备的功 能; 落实到建造者的肩上, 防水意味着与设计 、 材料、 施工 、 维护等各个环节相关的各种措施 。因此 , 可以 说 防水工程就是在掌握 自 然因素及其作用规律的基 础上 , 所采取的在建 构 筑物生命周期内用 以保持其 结构完整性及使用功能的各种措施 。该定义有如下 三个要点 其一 , 掌握 自然因素及其作用规律是开展防水工 程的前提。 这里的自然因素包括水、 光照、 生物及 自然 灾害等 , 目前已知 的作用 , 包括 由水造成 的钢筋 的腐 蚀 、 混凝土的冻融破坏 、 碱一 骨料反应 , 碳化中和及材 料的变质、 腐蚀, 微生物的滋生繁殖 严重时可引起病 态楼宇综合征, 使建筑物丧失使用功能 , 材料的老化 降解失效等。 明晰工程所处环境中这些因素的特点是 开展设计的前提。或者说 , 如何利用各种 防水措施消 除或减轻上述不利因素对建 构 筑物功能及寿命 的 不利影响 , 是所有防水工程设计的出发点和落脚点 。 其二 , 防水工程的目的在于保持结构的完整性及 使用功能。前者关乎安全, 后者是建 构 筑物存在的 价值和 目的。 其三 , 防水工程是贯穿建 构 筑物全生命周期的 一 项任务 。从建 构 筑物全生命周期 的角度来看 , 虽 然防水系统在建造成本中所占比例比较小, 但在长期 的使用过程中却发挥着十分重要的作用。统计表明, 建筑物的建造成本只 占全生命周期 内总支 出的 3 0 % 左右, 而减少因渗漏水引发的维修费用可大大降低庞 大的运行维护成本[5 1 。 ’ 3 结构耐久性与防水工程的联系 前面已简述了混凝土结构的耐久性和防水工程 的本质 ,在此基础上可对二者的关系加以简单探讨 。 比耐久性更高一层次的是混凝土结构的可靠性 , 后者 还包括结构的安全性和适用性。宏观上说 , 防水工程 的质量也关乎结构的安全性和适用性 功能 。 在这一 点上, 二者殊途同归, 具有目的的统一性。 但看到统一 性并不能无视二者各 自的特点。 从混凝土领域的研究过程及成果出发, 其均是将 混凝土结构置于设定的环境条件下 , 探讨在原材料选 择、 配合比设计、 施工、 养护、 使用等各个环节、 在“ 有 水” 的条件下, 如何预防、 减轻或消除各种有害因素发 挥作用的措施。此处, 水作为有害因素得以发挥作用 的必要条件 , 其存在往往被研究者视为“ 理所 当然” , 因而将更多的研究重点集中在有害因素的原理 、 过程 及危害本身。 虽然 , 水在 自然界中无处不在 , 但换个角 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 综述与专论 度思考这一问题 , 假如没有液态的水存在, 这些有害 因素的作用过程及结果又会如何 按照化学平衡的原 理, 可以想象其有害过程势必会放缓甚至消除。 与之相应 , 国内防水界长期 以来奉行 的行业准则 就是如何 以材料为工具将水拒之于结构之外 , 以实现 不漏水为最高 目标。由于认识方向上的差距 , 加之混 凝土技术的不断进步 , 业内经常听到所谓 的“ 刚” “ 柔” 防水之争嘲 , 以及经常见到的在一些重要 的地下工程 中取消外包柔.f生防水的做法。 如果能从提高结构耐久 性 、 安全性 、 适用性的角度来看 , 外包 防水系统不仅是 营造建 构 筑物“ 防水 ” 功能的保证 , 更能起到一定 的 防护作用, 是提高其结构可靠性的一道防线。从这一 点上来说, 凡是能方便、 可靠实现“ 保持结构完整性及 使用功能” 这一目标的防水措施就是好的措施。各种 措施之间只有可靠性 、 适应性、 经济 l 生 等的差异 , 并无 非此即彼的互斥性, G B 5 0 1 0 8 地下工程防水技术规 范 中提出的“ 防、 排、 截、 堵相结合, 刚柔相济, 因地制 宜, 综合治理” 的基本原则应该在地下工程的防水设 计 中予 以认真贯彻。 4防水系统的评价 在 国内现有 的防水技术储库中, “ 防” 的措施居于 绝对主导地位 , 与之相适应 的是种类型号繁多的各种 防水材料以及所承载的防水技术。 面对一项具体的工 程, 该如何设计和选材 面对一种具体的材料或技术, 该如何对其进行评判、 甄别其优劣前者或许有现成 的规范、 图集可资借鉴 , 后者则还需要长期研究和论 ’ 证。 考虑到结构耐久性要求及建 构 筑物防水功能的 需要 , 笔者建议可从如下几个方向予 以着手 囿于积 累所限加之篇幅原因, 在此仅以防水工程 中最常用的 卷材和涂料作为重点进行讨论 。 4 . 1 可靠性 耐久性 从防水系统设计和使用的初衷上看, 可靠性应是 衡量其防水防护效果的首要指标。 合格 的防水材料出 厂后对整个工程而言还只是半成品, 只有在工地现场 施工结束之后方能视作成品, 成品的质量才是决定防 水系统优劣的关键。 后者又与厚度 、 接缝保证度 、 防窜 ■ 水功能、 防水层耐久性 耐腐蚀性 、 防现场机械破坏 性能等密切相关 。 卷材防水系统厚度均一 , 产品质量可控, 但接缝 众多, 采取空铺 、 条粘等工艺施工时容易出现窜水。 回 顾防水卷材的发展历程 , 从最初的纸胎油毡 , 到弹性 体 塑性体 改性沥青防水卷材、 高分子防水卷材, 再 到高聚物改性沥青 自粘防水卷材 、 高分子胶膜预铺反 粘防水卷材 , 每一次技术 的进步都是向克服卷材防水 系统固有缺陷的方向迈进了一大步, 使卷材防水系统 的可靠性得以提高。 同理, 涂膜防水系统除具有厚度整体性好 无接 缝 、 不窜水 当与基层粘结牢 固时 , 但也存在对基层 要求较高 强度 、 平整度 、 含水率等 、 厚度难 以控制 , 受施工条件 温度 、 湿度 、 V O C等 限制等不足 。从热 熔沥青 、 聚合物乳液改性沥青 防水涂料 、 聚合物水泥 防水涂料 、 聚氨酯 聚脲 防水涂料 、 喷涂速凝沥青 防 水涂料、 非固化橡胶沥青防水涂料等涂膜产品的出现 顺序来看, 涂料的应用亦遵循与卷材同样的技术发展 轨迹。 除此之外 , 对防水系统 自身耐久性的研究和提升 亦值得防水界关注。用于地下工程的防水系统 , 直接 与地下环境接触 , 然而对防水系统在典型地下环境下 的腐蚀破坏机理的研究 目 前尚处于空白状态, 作为制 定相关防水工程技术规范有关条文的理论依据 , 大有 开展之必要。从国外技术资料来看, 已有厂家对用于 地下工程 的防水材料提 出检测水蒸气透过率 、甲烷、 氡气、 硫化物透过率以及进行埋土试验的报i 苴 【 。 国内 也有部分厂家开始根据土壤、 水质条件开发出耐氯离 子透过、 耐盐腐蚀防水卷材。 同时, 有关防水标准规范 中也已明确提出结构耐久 f生设计要求网 。 可以预见 , 未 来这方面的工作大有可为。 4 . 2 便利性 施工的便利性也是高可靠性的保证, 其基本内涵 包括对温度、 湿度、 基层含水率等施工条件有较强的 容忍度, 工序合理、 施工劳动强度低、 效率高。典型例 子如 自粘及预铺反粘卷材防水系统 , 以及非 固化橡胶 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ■ 综 述 与 专 论 鞋獬强 黝 , 嚣 黔巍 辩 懋磁瓣搿 ; 沥青防水涂料与聚乙烯丙纶复合防水系统等。 施工的 便利性应建立在对材料特性的深入研究和掌控 , 以及 合理的设计和使用上 ,而非简单地省略必要的步骤 , 以牺牲工程质量为代价换取工期进度 。 4 _ 3 经济性 不可否认 , 国内当下的防水市场是一个过度竞争 的市场, 其特征是产品的价格往往成为决定工程质量 高下甚至是企业生存的关键因素。 过度的不合理的竞 争不断降低产品的技术门槛, 削弱了企业通过技术进 步不断发展壮大的动力。好在相关部 门、 行业组织和 企业 已经认识 到其危害性 ,正联手扭转这种消极趋 势。 合理 的经济性的核心是系统应拥有合理 的性价 比, 后者从生命周期上看, 不但包括建设阶段, 更重要 的是不应忽视在使用阶段因防水系统耐久性下降或 丧失所导致的渗漏水及结构耐久性下降而增加的运 营维护成本 。 这一点对地下工程尤为重要。 地下工程 完工后 , 其防水系统该基本很难再次进行维修 , 严格 地说 , 防水系统应做到与结构等寿命 。这一要求看似 只与系统的可靠性 耐久性 相关, 但却通过背后的技 术手段与经济 陛紧密连接。 这与相关规范对防水系统 设防等级的划分一脉相承。 4 . 4 环保性 防水材料的原料如沥青 、 树脂 、 乳液 、 水泥及各种 粉料 、 化学助剂等无不与能源 、 重化工密切相关 ; 生产 过程 中电力 、 水源 、 土地等各种资源的消耗 , 以及废 水 、 废气 、 废渣的排放等 , 都是衡量产 品环保性能优 劣、 考量企业技术进步水平的重要依据 ; 施工、 使用过 程中, 控制有害物质的释放等措施更关乎人的健康及 社会的和谐 。 因此 , 不断通过技术进步 , 提高系统在生 产、 施工和使用过程中的环保性也是未来发展方向。 可以想象, 当前能同时满足上述各种条件的防水 系统并不多见, 但这应该成为今后整个防水技术及市 场发展的方 向。这其 中既需行业发展所必须的“ 防水 系统对结构耐久性影响研究 、 防水系统在典型环境下 的破坏机理研究” 等理论基础研究 , 也与建设方 、 材料 供应商 、 总包方 、 施工方等各个市场主体的利益密切 相关 , 值得长期关注。 5 防水系统的选择 上一节探讨了防水系统评价时应考虑 的主要 因 素。 如何利用这些 因素对具体的防水系统进行定量 的 评价 , 从而简化防水系统 的选择 、 统一对防水系统 的 认识、 推动防水技术进步 , 值得进一步探索。在此 , 笔 者在借鉴相关行业经验的基础上, 提出如下“ 雷达图” 模型 1 原理及方法 将 防水 系统的耐久性 、 便利性 、 经济性和环保性 4项评价指标各作为一个轴 , 相互垂直地标于半径为 1 的单位 圆上。针对具体的防水系统 , 对 4个评价指 标进行打分 分值在 O 1 之间 并标于轴上对应位置 , 然后计算 4条直线 围成的四边形 的面积。 根据面积大 小 , 综合定量评价其性能优劣 , 避免在评价时故意隐 瞒缺点而放大优点。 不 同防水 系统 之间可通 过面积大小进行 比较。 具体如图 1 所示。 2 特点 该 模 型 的突 出优 点在于直观、 定量 。 先说直观。 模型抓 住评价 防水 系统 的关 环保性 ● 7 ; l i r 1 性 经济性 图 1 防水系统 四因素评价 雷达图模 型 键因素, 不放大优点 、 不回避缺点 , 将其置于一张图 中, 通过定量打分 、 计算和比较面积大小的方法 , 系统 的优劣一 目了然 , 便于设计 、 施工参考 , 有利于研发 、 销售人员快速掌握系统的性能 , 更便于客户正确理解 和使用。 再说定量。 模型将 以往只停留在文字上的定性描 述变为可打分比较的定量指标 ,再通过数学计算 , 得 到精确数值 , 便于选择 、 取舍 , 并为技术进步指 明方 向。如图 l 所示 , 在考虑 4个主要因素且各个因素均 处于最好水平 1 o 0 的情况下 , 所围成 的正方形的面 积为 2 ;当把因素细化为 6个且均处于最好水平时 , 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 综述与专论 聪 斌 潍 藤戮 曩 鞭掰 般 瓣 籍 嬲 鬟 ㈣ 搿嬲 强 豫渊 潮 所围成的正六边形的面积为 2 .6 3 、 / 厂 / 2 ; 考虑的因 素越多, 越接近于单位圆的面积 竹 。 同时, 固定因素数 量 4个不变 , 不同防水系统 围成的四边形形状 、 面积 不同 , 对 比时很容易发现系统间的差异 , 并找 出改进 方向。 同理 , 对于设 防要求 多于一道 的工程 , 需要在评 价单道防水系统性能的同时 , 还应考虑系统复合使用 时的优劣 , 这就有可能需要用到多道防水系统评价的 雷达图。建立 多道防水系统评价 的雷达图方法与防 水系统 四因素评价雷达图模型基本相同, 区别是需要 考虑的因素除了包括可靠性 耐久性 、 环保性 、 便利 性和经济性之外, 还需 考虑互补性 、相容性 , 如图 2所示 。 3 难点与展望 实 现该 模 型 的最 大难 点在 于如何将 所 选评价指标定量化 , 如 果不能做到定量化 , 则 该模 型 的价值将 大打 图 2 多道防水 系统评价 雷达 图模型 性 折扣 , 并可能沦为空谈 。 可以预见 的是 , 所有 的评价指 标 的定量化必定建立在技术指标的细分和定量之上 。 例如, 防水系统的可靠性 耐久性 必然牵涉到材料的 物理化学性能评价 , 包括拉伸强度 、 断裂伸长率 、 基层 粘结强度 、 抗渗性 、 耐磨性 、 防窜水性 、 抗冲击破坏性 、 蠕变性 、 耐疲劳 『生、 耐老化性 、 厚度 、 接缝可靠性 、 耐介 质 酸碱盐 、 生物 腐蚀性等。这些技术指标很多已有 成熟的检测方法 , 但确定检测指标的高低与系统耐久 性的定量化关系 , 还需 以进一步的理论研究为依据 。 有 了定量化还不够 , 还有如何归一化的问题 因 为每项的取值均在 0 ~ 1 之间 。这就是说 , 在每一个 量化了因素的具体评价指标中, 还应给出每一项所 占 比重 的问题 , 只有如此 , 方能通过计算使最终指标 落 在[ 0 , 1 ] 上。理论上说 , 归一化仍旧离不开坚实的基础 理论研究 , 只有从理论上解决了任意一个评价因素中 各指标项的作用机理 , 方能恰当给出其 比例系数 。同 一 时 , 即使对相对简单的四因素模型而言 , 每个 因素对 防水系统的功能和作用是否都起同样的作用, 即每一 个指标 的上 限是否都只应为 1 7 仍值得探讨 。 比如 , 未 来的研究或将可以证明在 4 个评价因素中可靠性 耐 久性 所 占的 比重远非 1 , 可能达到 3 或者 4 , 则模型 亦将变成不规则形状 。 容易预见的是 , 未来如果雷达图模 型真能实现今 日之设计初衷 , 则彼时有关 防水系统的理论研究必定 已然成形 , 防水系统的评价和选择将彻底告别 “ 百家 争鸣 、 众说纷纭” 的局面。这个或许漫长的演进过程 , 对于行业内外不断提高对防水 系统本质和作用 的认 识 , 不啻是一种积极 的“ 进化” 。 再次说明, 本文提到的雷达图模型 目前还只是模 型 , 远未到可实际应用的程度。 在此提出, 权为抛砖引 玉, 不当之处还请同行、 专家批评指正。 6 结论 地下工程外包 防水系统不仅是营造建 构 筑物 “ 防水” 功能的保证 , 更能对混凝土主体结构起到一定 的防护作用 ,也是提高其结构可靠性的一道必要 防 线。为获得这一预期 目的, 可通过雷达图模型比较各 防水系统的可靠性、 便利性、 经济性和环保性, 这对于 促进行业技术进步 、提高工程质量均具有积极意义。 但模型本身还需要不断研究和细化 。 参考文献 [ 1 】 冷发光 , 周 永祥 , 王晶. 混凝土耐 久性及 其检 验评 价方 法 [ M] . 北京 中国建材工业 出版社 2 0 1 2 . [ 2 】 朱祖熹, 陆明, 柳献. 隧道工程防水设计与施工[ M】 . 北京 中国建筑工业 出版社 , 2 0 1 2 . [ 3 1 G B 5 0 4 7 6 --2 0 0 8混凝 土结构 耐久性设 计规 范[ S ] . 北 京 中国建筑工业 出版社 , 2 0 0 8 . [ 4 】 库巴尔M. 建筑防水手册[ M】 . 张勇译. 北京 中国建筑工业 出版 社 . 2 0 1 2 . [ 5 】 C h a n t e r B , S w a l l o w P . B u i l d i n g Ma i n t e n a n c e M a n a g e m e n t [ M ] . 2 r d E d i t i o n . B l a c k w e l l P u b l i s h i n g , 2 0 0 7 S i n g a p o r e . [ 6 ] 阎培渝. 地下结构能否单独使用刚性防水的思考[ C l / / _r - ,r 建设防水技术. 北京 中国建筑工业出版社, 2 0 0 9 . [ 7 ]D G f F J 0 8 5 一 2 0 1 2隧道 工程 防水技 术规程【 S ] . 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m