混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與防水功能一體化研究的思考

張嬋，葉琳昌（.上海東方雨虹防水技術(shù)有限責任公司，上?！?044；.中國建筑業(yè)協(xié)會建筑防水分會，北京　000）

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混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與防水功能一體化研究的思考

張嬋1，葉琳昌2
（1.上海東方雨虹防水技術(shù)有限責任公司，上海200442；2.中國建筑業(yè)協(xié)會建筑防水分會，北京100120）

摘要：當今混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益突出，建筑物滲漏水比例居高不下，由此引發(fā)的質(zhì)量事故與經(jīng)濟損失十分驚人，并進而影響到建筑物的使用年限。通過查閱有關(guān)文獻和考察眾多工程實踐后認為，混凝土結(jié)構(gòu)與防水中存在的問題，都與水或其它液體（或氣體）的侵蝕有關(guān)。建議通過混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與防水功能一體化的研究，在建立可靠防水屏障的基礎上，提高混凝土的耐久性，從而實現(xiàn)滿足結(jié)構(gòu)安全和延長建筑物使用年限的目標。

關(guān)鍵詞：混凝土耐久性；混凝土結(jié)構(gòu)裂縫；防水功能；內(nèi)膜防水；外膜防水；一體化研究

Consideration on integration study of durability and waterproofing of concrete structures

ZHANG Chan1，YE Linchang2
（1.Shanghai Oriental Yuhong Waterproof Technology Co.Ltd.，Shanghai 200442，China；2.Building Waterproof Branch of China Construction Industry Association,Beijing 100120，China）

1　問題由來

進入21世紀的今天，混凝土仍然是土木建筑工程中用途最廣泛的材料之一，十幾年來大量工程實踐證明，在各種自然和人為的災害中，由混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題引起的事故十分突出，造成的經(jīng)濟損失也很驚人。

據(jù)《中國房地產(chǎn)報》2010年4月16日報道：“中國每年有20億m2新建面積，但這些建筑的使用壽命只有25～30年。與此同時，中國30%～70%的建筑工程在3年時間內(nèi)出現(xiàn)的滲漏水問題也十分突出。造成上述現(xiàn)象除了規(guī)劃建設沒有遠見外，還與建設工程的質(zhì)量密切相關(guān)?！被炷两Y(jié)構(gòu)質(zhì)量與房屋滲漏水，已是近年來居民投訴的兩大重點，這是需要認真解決的。

混凝土耐久性問題涉及內(nèi)容較多，影響因素和破壞機理也很復雜，但共同點都與水或其它有害液體（或氣體）向其內(nèi)部侵蝕的難易程度有關(guān)。長期以來，在混凝土耐久性方面國內(nèi)外有許多研究成果；隨著新型防水材料的不斷問世，建立可靠有效的防水屏障，已成為大家的共識。然而這兩個有著密切關(guān)系的分項工程，因?qū)W科與專業(yè)的不同，在研究方向、標準制定與工程作業(yè)方法上，卻存在諸多矛盾的地方。如何根據(jù)實踐中發(fā)現(xiàn)的問題，在研究方向上有所突破，是本文討論的重點。

2　混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題日益突出

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題不僅述及混凝土材料，還包括所處的工程環(huán)境、建造方法以及工程結(jié)構(gòu)設計等因素。本文重點討論由混凝土結(jié)構(gòu)裂縫引起的耐久性問題。

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫一直是土木工程界關(guān)心和重點研究的課題。當前由于普遍使用早強、高強商品混凝土，因此混凝土結(jié)構(gòu)的開裂越來越普遍，其危害程度不容低估。另外，城市環(huán)境污染日甚，氣體、雨水中的侵蝕性介質(zhì)均會加速鋼筋的銹蝕，破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使混凝土開裂時間提早，如不采取有效防范措施，勢必影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

混凝土（含采用各種外加劑、防水劑）出現(xiàn)裂縫（指寬度在0.2～0.3mm以下的無害裂縫）是不可避免的，并可視為可以接受的事實。由混凝土裂縫引起的各種不利后果中，滲漏水占60%。從物理概念上說，水分子的直徑約0.3μm時，可穿過任何肉眼可見的裂縫。所以從理論上講，任何鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程都要對裂縫進行防治，這也是防水工程的基本要求。

當混凝土發(fā)生開裂時，各種不同形態(tài)的水就會乘虛而入，隨之鋼筋發(fā)生銹蝕、膨脹、造成混凝土剝離與加速老化現(xiàn)象。當遇到突發(fā)荷載時（如結(jié)構(gòu)超載、火災、地震等），房屋（含建筑物或構(gòu)筑物，下同）的坍塌就會“不期而遇”（見圖1）[1]。另外，長期處于露天、江河湖海等容易引起腐蝕的交通工程，如年久失修引發(fā)垮塌事故造成人員傷亡等案例不勝枚舉。近年來一些新建大橋的質(zhì)量問題和引發(fā)的交通安全事故也值得關(guān)注。

圖1　混凝土裂縫影響結(jié)構(gòu)耐久性

從我國長期以來建設工程實踐得知，房屋的使用年限與防水工程設防標準及工程質(zhì)量有對應關(guān)系。而房屋滲漏及使用年限的縮短，又與防水材料和主體結(jié)構(gòu)的“結(jié)合”條件有關(guān)：如一些新型防水材料雖然性能優(yōu)異，但因不能適應主體結(jié)構(gòu)各種荷載、溫度收縮變形和地基不均勻沉降的影響，過早喪失防水功能而提前報廢，并造成資源的極大浪費，這與當前“節(jié)能減排”的基本國策背道而馳。

3　典型案例分析

3.1屋頂結(jié)構(gòu)倒塌

1983年8月24日，中國臺灣省立豐原高中因屋頂長期漏水，久未使用的二樓大禮堂再度啟用舉行新生開學典禮，當600余名男女新生作整齊一致的起立與坐下的動作時，隨即在無任何預警征兆下，發(fā)生地震式陷落，作骨牌連鎖性、連根拔起似的、令人逃避不及的瞬間倒塌。導致壓死座位南面女生26名，輕重傷多達80余名的慘案。倒塌主要關(guān)鍵部位如圖2所示[2]。

圖2　中國臺灣豐原高中二樓禮堂倒塌的主要關(guān)鍵部位

經(jīng)過現(xiàn)場勘查和取證認為，該屋頂柱子是設計、施工最脆弱節(jié)點，其倒塌現(xiàn)場僅限于房屋南面的墻、柱和屋頂約4/5部位，而鋼屋架斷裂點又不在一般彎矩最大的區(qū)間，且有柱子連根拔起的現(xiàn)象。如此特殊倒塌過程和結(jié)果，足證混凝土早在數(shù)年前已經(jīng)破裂，而倒塌的主要原因是屋頂長期滲漏水，混凝土開裂導致鋼筋日積腐蝕以及屋頂嚴重超載而造成的。

3.2上海地鐵工程

上海地鐵1號線上海站建成通車已有20多年，但其滲漏水問題一直沒有解決好。2009年11月15～20日，是上海市入冬后的第一次寒潮。期間，大風大雨不止，個別時段氣溫已降至2℃左右，累計降水量達200mm以上。為了追蹤此次寒潮與大雨對地鐵車站工程質(zhì)量的影響，筆者于2009年11月25日傍晚，實地勘查了地鐵1號線上?；疖囌菊緩d，圖3、圖4是從眾多開裂與滲漏水部位照片中選輯的，有典型意義。

圖3　售票口天棚開裂滲漏

圖4　通道與站廳間常見的變形開裂

上海地鐵1號線車站地下工程底板采用結(jié)構(gòu)自防水，因此難免出現(xiàn)“貫穿性裂縫”。在頂板上雖然設置了柔性防水附加層，由于當時只注意到混凝土強度和抗?jié)B等級，而忽略了防止產(chǎn)生裂縫的各種措施，其結(jié)果因水泥用量過多，水化熱增高，收縮量加大，導致有害裂縫的產(chǎn)生。不少車站的頂板均出現(xiàn)眾多無規(guī)則的微細裂縫，特別在頂板和側(cè)墻的交界處。還有不少45°斜裂縫，且伴有嚴重滲漏水，并呈發(fā)展趨勢。雖然每年都會采取一些封堵措施，但效果并不明顯。每當寒潮來臨時，因溫差引起的開裂與滲漏水現(xiàn)象，常給營運單位與廣大旅客帶來諸多不便。

應該謹記，混凝土結(jié)構(gòu)開裂與滲漏水兩者互為因果。其中“活”裂縫的處理尤為復雜和困難，而堵漏效果也僅是權(quán)宜之計，且難以根治。

3.3臺北捷運高架橋梁

據(jù)中國臺灣《聯(lián)合報》1993年4～6月間的連續(xù)報導，在臺北市捷運系統(tǒng)（即軌道交通）工程中，有不少地段在高架橋鋼筋混凝土柱頂?shù)臋M梁上發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫，有些裂縫還滲出白色物質(zhì)（析鈣現(xiàn)象），這表明雨水已經(jīng)滲入到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。滲入橫梁裂縫里面的雨水，會引起鋼筋的銹蝕，隨著時間延長，鋼筋的銹蝕會逐漸加快，其結(jié)構(gòu)承載力將顯著減小，并影響到整個橫梁結(jié)構(gòu)。由于該橫梁系支撐電氣機車行走的軌道大梁，當機車在軌道大梁上急速行駛時，經(jīng)過長期荷載及振動的影響，這些裂縫必將進一步擴大，如不及時修補，終有垮橋的危險。

在臺北市不少高架快速車道上尚存不少嚴重漏水和潛伏危機的情形。這些漏水主要是由混凝土材料干縮引起的細小裂縫（龜裂）所造成的。由這些混凝土細小裂縫開始，逐步形成“小裂縫—漏水—滲透—生銹—腐蝕—膨脹—剝落”的惡性循環(huán)。因此對這類混凝土的細小裂縫所造成的危害性，也不容忽視。

3.4某橋梁垮塌原因探究

2015年6月19日凌晨，贛粵高速公路河源境內(nèi)匝道橋梁垮塌。這座設計使用年限100年的橋梁，竟然在投入不到10年就垮塌。聯(lián)系到多年來不少短命建筑倒塌、人員傷亡以及一些鋼筋混凝土橋梁、高架橋等相繼發(fā)生嚴重質(zhì)量安全事故的現(xiàn)實，不得不讓人重新思考現(xiàn)代混凝土技術(shù)到底還存在什么難解之謎，還有什么死角和盲區(qū)等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和解決。

出現(xiàn)上述事故涉及到水泥品質(zhì)和相關(guān)標準問題，因為我國現(xiàn)有的水泥是以28 d強度值作為評定基準。以硅酸鹽水泥中最大含量的硅酸三鈣礦物為例，28 d的水化深度大約是10 μm，相對于顆粒粒徑絕大多數(shù)在30μm以下的水泥而言，28 d水化已完成90%以上。也就是說，28 d后即使養(yǎng)護條件再好，混凝土強度也沒有多少增長的余地。而從始建于1897年的日本小樽港長達百年、6萬多試件有關(guān)耐久性試驗數(shù)據(jù)證明，不論是置于海水、淡水或大氣中的試件，其長期強度的發(fā)展趨勢是基本一致的。其中，試件在自然的大氣環(huán)境中存放30～40年強度達到最高，大約提高了100%，然后逐年下降；存放95年強度從最高點下降約40%，但仍然高于28 d強度約20%。當年日本小樽港工程所用的水泥顆粒粒徑是200μm方孔篩篩余量小于10%，其平均粒徑遠大于目前國內(nèi)標準使用的80μm方孔篩篩余量小于10%的水泥平均粒徑。由此得出結(jié)論，水泥顆粒粒徑的大小對混凝土強度的長期發(fā)展起著決定性的作用。這與我國學界長期以來普遍認為混凝土后期強度增長緩慢或少有增長的說法是不盡一致的。

為了與小樽港的數(shù)據(jù)進行對比，日本海洋工程研究所還進行了相關(guān)的對比試驗。結(jié)果表明，在海洋氣候環(huán)境條件下，對于比表面積下限在250m2/kg的水泥，混凝土存放5年抗壓強度達到最高，增長約40%，然后逐年下降，至10年甚至低于原來的28 d強度。正因為目前我國水泥顆粒粒徑大多在30μm以下，所以混凝土強度雖然短期內(nèi)上升很快，但后期強度卻少有增長且有逐年下降的趨勢。說明國內(nèi)多起鋼筋混凝土橋梁、高架橋質(zhì)量事故，大多數(shù)發(fā)生在使用期達10年這一關(guān)鍵時間節(jié)點就不足為奇，關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件。

值得指出，若按日本海洋工程研究所試驗用的水泥比表面積進行對比推斷，如果國內(nèi)施工企業(yè)在配合比設計時沒有大幅度提高混凝土配制強度，那么，實際上長期處于露天和地下工程的混凝土結(jié)構(gòu)，雖然短期強度增長很快，但隨后逐年下降，并在服役期不到10年就已經(jīng)下降至設計值以下，這點不得不讓人對相關(guān)規(guī)范、標準在確保結(jié)構(gòu)安全性上有所質(zhì)疑。另外，大量的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫與樓（屋）面板的滲漏以及連帶引起的鋼筋腐蝕等問題，多數(shù)也與混凝土中礦物摻合料不加限制以及水泥中混合材用量超標有關(guān)。這一情況必須引起有關(guān)方面高度重視。

4　建議與看法

欲解決混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問題，主要應從抑制混凝土開裂寬度與防止水的侵蝕著手，兩者不可分離。而從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，筆者提出開展混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與防水功能一體化研究，其中在混凝土之后加上“結(jié)構(gòu)”，而在防水之后增添“功能”，不僅是文字表達方式的不同，更主要是在研究方向上更為寬泛，即既有材料方面的問題，還涵蓋了包括設計構(gòu)造、施工工藝以及管理維修等內(nèi)容，因而具有前瞻性和現(xiàn)實意義?，F(xiàn)就有關(guān)問題簡述如下。

4.1“內(nèi)膜防水”研究新動向

在地下建筑工程中，普通的混凝土結(jié)構(gòu)本身是不防水的，這主要因為在混凝土中充滿著相互連通的毛細管空隙網(wǎng)絡，具有透氣性，同時也可讓水分滲透穿過；甚至，高性能混凝土也不能避免多孔性這一特征和產(chǎn)生裂縫的缺陷。實踐證明，水對混凝土的侵蝕是幾十年來地下工程不斷滲漏的元兇，同時也是造成混凝土結(jié)構(gòu)劣化、損壞，進而影響到地下工程使用年限的主要原因。

保護混凝土免遭水的侵蝕，傳統(tǒng)做法是用薄膜防水層隔離，可稱為“外膜防水屏障”，即在混凝土表面涂刷液態(tài)防水涂料或粘貼柔性防水卷材。這種方法的弊病是防水材料僅僅附著于混凝土表面，很容易遭到穿刺和剝離，導致防水失效。

據(jù)國外有關(guān)文獻報道：“抵御水對混凝土侵蝕的另一種方法是，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部設置“內(nèi)膜防水屏障”，對這一方法的探索與工程實踐已有20多年的歷史。其核心技術(shù)是，通過選擇可降低混凝土滲透性的外加劑，在混凝土本體內(nèi)部創(chuàng)建承受高靜水壓力的阻水機制，形成“內(nèi)膜防水屏障”。建立“內(nèi)膜防水屏障”關(guān)鍵在于結(jié)合工程和所處環(huán)境條件，選用符合要求的外加劑和相應的滲透結(jié)晶工藝，這與晶體結(jié)構(gòu)在混凝土中的發(fā)育過程以及形成防水屏障的質(zhì)量有關(guān)。據(jù)美國US Amy Corps of Engineers（ACE）CAD C48《混凝土的滲透性》文獻稱，用滲透結(jié)晶材料處理的混凝土可承受123m水頭壓力（1.2MPa）。

“內(nèi)膜防水屏障”的形成，主要依賴具有活性化學物質(zhì)與滲透結(jié)晶工藝，通過與水泥、水的化學反應而生成的硅酸鈣水合物而堵塞混凝土孔隙，正是這種“虛空無形”的化學反應與結(jié)晶發(fā)育過程，并充分利用混凝土固有的“多孔性”這一看似“瑕疵”的特征，使防水與結(jié)構(gòu)共融共存，相互補充，最終實現(xiàn)保護混凝土結(jié)構(gòu)免受水的侵入，并獲得良好耐久性的目標。

另外，我國臺灣一流式防水中心在20世紀80年代開始使用“柏油網(wǎng)噴火技術(shù)”發(fā)明專利（在美國及中國大陸、臺灣都有專利發(fā)明權(quán)），用于地下防水工程與機場跑道的維修工程，均取得不俗的成績，其中利用“高壓噴火”工藝，使液態(tài)的改性瀝青通過附著的麻絲牢固地“滲入”于混凝土內(nèi)部，堵塞混凝土孔隙，同時還對出現(xiàn)的裂縫具有根著性、追蹤性、彌補性等功效。這從另一側(cè)面說明，“內(nèi)膜防水屏障”體系具有多樣性，既可選擇滲透結(jié)晶型無機材料，也可使用具有液態(tài)的改性瀝青有機材料，以及其它多種材料。

4.2“外膜防水”重點研究課題

“外膜防水”目前仍是防水工程實施的主要手段。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與防水功能一體化研究的思路，在防水工程設計、選材、施工和使用的全壽命周期內(nèi)，減少對天然資源消耗和減輕對生態(tài)環(huán)境的影響，并應做到“節(jié)能、減排、安全、便利、耐久（即延長防水使用年限）以及保護主體結(jié)構(gòu)”的要求。

例如在屋面工程中，“正置式”是經(jīng)典，但不符合熱傳導原理，外暴露的防水材料容易破損和老化，使用時間較短，相對維修簡單也算優(yōu)點?！暗怪檬健蔽菝妫ò壳俺珜У姆N植屋面）功能較好，使用時間長；但對相關(guān)材料和施工質(zhì)量有嚴格要求，一旦滲漏，維修困難，且代價較高。隨著輕質(zhì)、高強、導熱系數(shù)低的新型保溫材料的問世，以及防水施工工藝的改進，擴大“倒置式”屋面的應用，符合綠色建筑的要求。而地下防水工程則強調(diào)全封閉迎水面防水，但因防水材料與基面粘結(jié)不良，造成剝離、脫落和竄水現(xiàn)象屢見不鮮，加之細部構(gòu)造設計不周、密封不嚴以及地基不均勻沉降等，不僅影響建筑物使用功能，進而危及主體結(jié)構(gòu)安全。為此列出以下幾項重點研究課題，可供參考：

（1）不同候區(qū)“倒置式”屋面構(gòu)造優(yōu)化與技術(shù)經(jīng)濟評價；

（2）針對不同候區(qū)、不同環(huán)境和工況條件下，各類屋面及地下工程細部構(gòu)造（含變形縫）的防滲漏技術(shù)研究（數(shù)字化模型實驗）；

（3）不同柔性防水材料相容性以及與混凝土結(jié)構(gòu)粘粘性和抗竄水性能研究；

（4）南方地下工程（軟土地基）“兩墻合一”防水技術(shù)的研究；

（5）南方地下工程實施“全封閉”外防水成套技術(shù)和抗腐蝕、耐久性研究；

（6）山區(qū)巖石地基中地下結(jié)構(gòu)與防水采用滑動層構(gòu)造的研究；

（7）大體積防水混凝土防止開裂成套設計與施工技術(shù)研究；

（8）地下工程滲漏水診斷與數(shù)字化注漿堵漏技術(shù)研究；

（9）既有建筑屋面改造與防水、節(jié)水、節(jié)能技術(shù)研究。

5　結(jié)語

“結(jié)構(gòu)是本，防水是表”，只有把兩者合二為一，融為一體，才能構(gòu)筑可靠持久的防水屏障，這是從大量工程實踐中得出的結(jié)論。

實現(xiàn)上述目標有2種途徑：一種是化學結(jié)合，即利用混凝土多孔性這個看似“瑕疵”的特征，選擇某些防水材料，通過化學反應或其它工藝手段，滲入到混凝土內(nèi)部（一定深度）孔隙中。這種具有“填充”防水機理形成的內(nèi)膜防水屏障，可有效抑制混凝土裂縫的發(fā)展，還能進一步提高混凝土的耐久性。另一種是物理結(jié)合，即改善防水材料與混凝土結(jié)構(gòu)基面的條件，通過多道（多層）設防及涂抹、鋪貼、密封等施工工法，形成全封閉的外膜防水屏障。例如傳統(tǒng)的以水密性為主要功能，且有良好粘結(jié)性能的瀝青防水卷材，只要滿足相關(guān)施工條件，也能獲得良好的防水效果。這種方法可稱之為“粘附”防水機理。

筆者認為，上述2種途徑都有各自特點與功效，不能以偏概全。對于跨學科多專業(yè)的建筑防水工程而言，更要求釆取“產(chǎn)學研”聯(lián)合方式和市場經(jīng)濟手段攻關(guān)解決。只有在科學實驗中不斷探索，在工程實踐中不斷完善，相互兼容，通過比較，才能取得更多的創(chuàng)新成果，從而促進我國建筑防水技術(shù)不斷進步和發(fā)展，這是值得期待的。

參考文獻：

[1]張嬋.建筑防水創(chuàng)新與發(fā)展[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[2]葉琳昌.建筑防水工程滲漏實例分析[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

作者簡介：張嬋，女，1981年生，湖南邵陽人，工程師，主要從事產(chǎn)品應用、技術(shù)管理與防水施工技術(shù)研究。地址：上海市寶山區(qū)大華一路210弄9樓，E-mail：562732337@qq.com。

收稿日期：2015-10-27

中圖分類號：TU57

文獻標識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）01-0059-04