中核2000在提高混凝土耐久性方面工程案例分析

 
中核防水材料有限公司研发的《中核2000》系列防水材料是包括水泥基渗透结晶型刚性材料（即CCCW）和聚合物水泥柔性材料两大类防水材料在内的系列防水、防腐材料。
该材料具有优良的防渗水和一般防腐环境中的防腐功效，适时解决了混凝土结构因渗漏导致的混凝土劣化和钢筋锈蚀，致使混凝土结构耐久性下降的问题，延长了使用寿命，节省了维修费用。迄今为止，该材料已在国内外数以百计的军事和民用混凝土建筑结构工程中成功运用，受到国内外市场的广泛关注和青睐。
1  防水、防腐机理
1.1  《中核2000》水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）——CN2000B
本公司研究证实，《中核2000》CCCW中的类分子筛物质M以水泥和石英砂为分散体，有选择的吸附具有特殊性状的极性不饱和分子活性物质R，而后进一步形成原子水平的分散并离子化；相对与混凝土基层而言，涂层内的“R”具有更高的浓度和活性，因而首先催化涂层内水泥的水化反应，C─S─H凝胶反应高速率进行，封堵孔径和毛细管道，使涂层高度致密，防渗水但可透气；在涂敷CCCW的混凝土界面，“R”因浓度梯度向基层产生非稳态扩散，其动力学规律符合Fick第二定律，进入水泥石界面的“R”促进水泥石中的离子迁移和交换，引发与涂层中相同的物化反应，在混凝土基层表面（0~8 mm）内的空隙内生成二次C─S─H凝胶，从而明显增强了混凝土界面的致密性和抗渗性，这时，CCCW涂层与水泥石界面紧密粘合，获得优异的防水、防腐效果。
在干燥条件下，活性物质R处于“休眠”状态。当混凝土基层因应力产生微小裂缝（≤0.5mm）时，一旦有渗入，R即显现其活性，催化新生凝胶反应，沿裂缝生成C─S─H结晶，从而堵塞微小裂缝，实现“自我修复”。
以上详见论文“《中核2000》CCCW渗透结晶机理探讨”。
1.2  《中核2000》聚合物水泥防水涂料——CN2000C+CN2000D
材料中的聚合物乳液与粉体均匀拌合后，粉体颗粒吸收乳液中的水分，结晶硬化，聚合物即包覆在硬化体的表面，形成胶膜。胶膜互相粘连，形成连续致密的胶层界面，从而阻碍了粉体内各种氧化物及其水化物与水和外界有害物质的接触，达到防水、防腐的目的。
2  《中核2000》CCCW性能特点
《中核2000》系列防水材料具有防水、防腐和高强度、高稳定性、长寿命、适应性强、施工便捷以及绿色环保等综合性能，传统的防水材料与之无可比拟。主要性能指标均达到或超过国家标准或行业标准。
2.1  防水抗渗性能
该材料抗渗防水性能显著，因其活性物质渗透结晶的特性，随着时间的推移，其防水效果愈来愈好，二次抗渗性能均达到国家标准（见表3）。
表3  《中核2000》CCCW主要性能指标见下表

检测项目		标准要求 （GB18445-2001）	实测值
			天津市建筑材料产品 质量监督检测中心	国家建筑材料工业房建材 料质量监督检测测试中心
抗折强度	7d	≥2.80 MPa	5.05 MPa	3.97 MPa
	28d	≥3.50 MPa	7.07 MPa	4.28 MPa
抗压强度	7d	≥12.0 MPa	22.9 MPa	19.1 MPa
	28d	≥18.0 MPa	27.8 MPa	22.1 MPa
湿基面粘接强度（28d）		≥1.0 MPa	1.4 MPa	1.7 MPa
抗渗压力（28d）		≥1.2 MPa	1.2 MPa	1.4 MPa
第二次抗渗压力（56d）		≥0.8 MPa	0.9 MPa	1.0 MPa
渗透压力比		≥300%	300%	350%

2.2  防腐
该材料耐高、低温，耐干湿交替和冻融循环，抑制碱─集料反应，抗氧化、碳化和环境中的其它酸性气体、酸性水、氯盐、硫酸盐等的侵蚀。
2.3  高强度
由于渗透结晶的作用，混凝土表层一定深度内的孔隙被水化结晶物充盈并产生微膨胀，增加了基层的密实度，因而抗压强度提高；基于同样的道理，CCCW涂层与混凝土基层粘接牢固，且两者膨胀系数基本一致，不会产生起皮、剥落。涂层一旦固化，不怕磕、砸、撞、碰、摔。实际上，渗透结晶的结果使涂层变成混凝土的组成部分，因而可抵抗高的负压水头。
2.4  高稳定性
由于涂层及界面中所生产的结晶结构稳定不分解，因而抗老化，耐紫外光辐射。
2.5  长寿命
CCCW涂层自身的寿命达10年以上。由此，可大幅度提高混凝土结构的耐久性（见4）
2.6  正常透气
CCCW结晶产物不影响混凝土的呼吸功能，可正常透气、排潮、干爽。
2.7  自我修复能力
此性能体现了CCCW的长效性。二次抗渗压的测试数据是CCCW这一特性的有力证明。
2.8  绿色环保
《中核2000》产品无毒、无味，不造成任何二次污染，可用于饮水、食品加工、泳池等工程项目。
2.9  施工便捷
常温施工；可刮涂、刷涂、喷涂，方法简单，省工省时；适合各种不同的防水、防腐工程；对施工基面要求简单，可用于新、旧混凝土基面；地面贮水池可在使用的情况下在其外部进行维修，提供了背水面防水处理的理想材料。
2.10  经济性
从性价比看，《中核2000》CCCW远低于国外进出的同类产品，因而在国内外市场格外受宠并已占有相当的市场份额（见表4）。
表4  《中核2000》CCCW与国外同等材料的性价比

	《中核2000》	国外同类产品
性能	超过“国标”	达到“国标”
价格	低于国外同类产品
施工周期	国外同类产品的1/6
生产方式和生产设施	全自动连续生产，粉体制备系统（7项专利）	间歇式生产，普通混合器

3  工程案例
本产品在国内能源、交通、环保、工民建以及军事等领域有数以百计的工程应用案例，以下举例说明。
3.1  长江三峡右岸地下电站交通洞注浆、堵漏与喷涂防水示范工程
交通洞的漏水是从混喷层后围岩裂隙里流出的，侧壁大多数锚杆处漏水已连成条状，拱顶裂缝渗水形成大面积洇水，侧壁和拱顶表面凸凹不平，故决定首先实行背部注浆堵漏，然后进行表面喷涂。
我公司的专有喷涂技术，既能在凹凸不平的基面上实现均匀覆盖，提高涂层的附着力，又能便于仰面作业，其工效比手工涂敷快20倍以上。
各出水点经背部注浆和表面喷涂防水处理后，所有渗漏洇湿现象全部消除。试验区内和周围盲沟引流管开始正常出水。同时试验区内的裂隙水被挤到区外，在周围出现新的漏水点。
喷涂防水层的渗透结晶效果理想，有足够强度，进行淋水检验，水珠呈球状或柱状下滑，表面不见洇湿渗透和扩散现象。
两洞堵漏严密，涂层均匀粘结牢固、表面光滑平整。工程质量完全符合国标GB50208—2002地下防水工程质量验收规范和水电工程相关规范的标准。
3.2  长江三峡电源电站防水、防潮工程
中国长江三峡电源电站地下厂房防潮墙、锚杆，通风洞混凝土衬砌，排水洞，主变洞防暴墙、混凝土砌墙、主变室等部位防渗工程，采用CN2000B料进行刮涂，防水效果良好。
3.3  长江三峡大坝地下建筑防渗工程
大坝3^#坝段启闭控制机房，冲砂闸141米以下楼梯，一号电梯井141米以下楼梯防渗工程，采用CN2000B料进行刮涂，工程质量完全符合地下防水工程质量验收规范。
3.4  长江三峡电厂上游副厂房筑防水工程
电厂上游副厂房15^＃-18^＃机组、19^＃-26^＃机组装饰工程防水项目，采用CN2000B料进行刮涂，工程质量完全符合水电工程相关规范的标准。
3.5  首都机场1号、3号航站楼防水工程
首都机场1号航站楼建于1978年，其地下部分全部位于地下水线以下，经20多年的侵蚀和地质变动，主体结构承重部分发生了不均匀沉降，致使主体多处出现裂隙，漏水严重，积水很深，严重威胁到主体结构的安全。经用《中核2000》对裂隙进行带水堵漏和整体防水处理，防渗堵漏取得显著效果，完全达到了防水工程的要求并提高了原防水等级。
继1号航站楼之后，于2000年，在新建的3号航站楼（被英国泰晤士报评为2007年世界十大建筑之一）的地下一层、三层、电缆沟、栈桥等大面积使用中核2000系列防水材料，圆满完成了高等级防水施工要求。
3.6  北京2008年奥运场馆“水立方”地下基础防水工程
该场馆地下的4400个桩头刷涂中核2000刚性防水材料，作为一道重要的防水设防，对于该场馆基础设施的长期防水、防腐将发挥重要作用（详见另文）。
3.7  大渡河瀑布沟水电站黑马皮带机洞堵漏防水示范工程
皮带机洞的顶部、侧面出现漏水，经裂缝注浆堵漏和表面刮涂处理后，2.5 m长的裂隙漏水，堵漏严密，漏水现象全部消除。
3.8  长江支流清江水布垭电站地下厂房混凝土裂缝注浆堵漏和表面刮涂防渗工程
裂缝注浆堵漏材料、表面刮涂层与混凝土基础粘接牢固，表面光滑平稳，无裂痕、无气泡、无流挂。原渗水点被完全封闭，涂层表面淋水后，水珠悬挂，不浸润、不渗透、不变形、直至完全蒸发，获得极佳的堵漏防渗效果。
3.9  成都铁路局宝成线下行广元段陈家岩隧道抗渗堵漏防水示范工程
经裂缝注浆堵漏、填缝和表面刮涂处理，隧道拱顶、拱肩渗水、漏水问题已圆满解决，得到路局领导、相关部门和路局工程技术人员的一致认同。
3.10  北京路桥
始建于70年代末的原西直门立交桥，使用19年后，在桥面和大梁，凡是漏水、渗水的明显部位，均出钢筋锈蚀、混凝土开裂的现象，已不能适应交通要求而重建。针对这些惨痛的教训和造成的巨大经济损失，权威部门提出要强化防腐措施，其中重要的一项就是做好桥面、桥体的防水层（对路桥的腐蚀问题本公司有专文论述）。北京市建设委员会和北京市质量技术监督局于2006.11联合发布实施北京市地方标准《桥面防水工程技术规程》（本公司参编）；近年来，在北京三环、四环、五环、六环等新建桥梁的防水工程中均已采用《中核2000》系列防水材料，可使这些建筑结构有效地避免重蹈原西直门立交桥的覆辙。
3.11  污水处理厂
由2001年至今，《中核2000》系列防水材料先后用于天津市纪庄子污水处理厂（2000年国家示范工程）、安徽省淮南市污水处理厂、甘肃省天水市秦城区污水处理厂、安徽省合肥市生活垃圾处理场、阿尔及利亚SORALCHIN污水处理厂、重庆市福安药业公司污水处理池等工程。由于污水、中水、海水中存在大量的对混凝土有侵蚀破坏的离子（如氯离子等），采用《中核2000》表面处理后，防水防腐效果均极为理想。
4  使用寿命分析
4.1  表层涂覆《中核2000》系列防水材料后混凝土结构的使用寿命
对于在混凝土结构表面涂覆（或包覆）防护材料进行防水、防腐处理后，混凝土结构的整体寿命如何推算？国内已有人研究并取得成果。
研究的对象是用高性能混凝土制桩，桩身用玻璃钢包覆。通过氯离子渗透试验推算出氯离子在混凝土的扩散系数，然后根据Fick第二定律和钢筋保护层厚度，推算出Cl^─腐蚀锈导期为54年。这就是说，混凝土桩身表面如果不做任何处理，其寿命只有54年。同时，对玻璃钢包覆层进行寿命推估，结果表明，该材料具有极佳的稳定性。按保守的估计，该包覆层在10年之内隔离氯离子的渗透完全有把握。
在此，基体和覆层的寿命分别推算出为54年和10年。那么，桩身包覆后整体结构的寿命是多少呢？并非是54+10=64年，而是远远超过。这是因为，国内外研究证明，氯离子在混凝土中的扩散系数并不是常数，即与龄期不成线性关系，而是遵从Fick第二定律，即在最初的1~3年成明显的衰减的趋势，而后渐趋于平缓，30年后趋近于某一定值。之所以呈现这样的规律，是由于混凝土的成熟度对于氯离子的扩散有极大的影响。水化越充分，混凝土内部越密实，抗渗能力就越强。被包覆后的混凝土桩身获得一个很好的成长期，由此带来的使用年限增长远远大于两者简单叠加数值。据此计算，构件整体的破坏诱导期为126年。
在此，不对《中核2000》材料与《玻璃钢》两者进行全面比较。但就寿命而言，《中核2000》可确保10年的稳定有效期。因此，涂敷《中核2000》后同样的混凝土结构的寿命推估，应与上述推估完全等同。基于此，再进一步分析涂敷《中核2000》后混凝土整体结构的寿命。参见下表：
表5  混凝土结构涂敷防护层前后使用寿命比较

防护措施	混凝土类型	使用寿命
无	普通	<50年
涂敷《中核2000》	普通	>50年
无	高性能	54年
涂敷《中核2000》	高性能	>100年

“高性能混凝土”尚处于研发中。如前所述，由于其基体构成未变，其结构缺陷（孔隙，裂纹）仍不可避免；加之成本价格因素以及外加剂可能带来的负面影响，目前，普通混凝土仍是土建工程的首选材料。然而，正如国内外研究和实践已经证明的，普通混凝土结构表面如不采取防护措施，其耐久性能无法达到《建设工程管理条例》中所规定的寿命要求。上述北京原西直门桥就是典型的案例之一。最近由媒体报道：南方某军事基地从俄罗斯购进苏─27战斗机××架。投入使用2年后，该战斗机的维护、维修费用超过俄罗斯的数倍。经专家观察、调研后得出结论：沿海地区飞机洞库大面积渗水，机库内湿度过高，致使战斗及部件锈蚀，为此不得不支付高额的维修费用。
另悉，成都军区在西藏地区洞库的防水设计仍采用早已落伍的油毛毡防水，虽然价格低廉，但极易老化开裂，需连年投资维修。无论从性能、环保及长远经济效益等各个角度看，与渗透结晶材料无法相比。因而国防建设工程的防水防腐技术亟待更新，以确保军事设施的安全、可靠。
4.2  全寿命经济分析
由于以往对基础设施的耐久性认识不足或重视不够，在设计中往往进入强调降低初期工程造价而忽略在工程服役期用于维修的长期投入的误区，不少国家为此付出了巨大的代价。为此，以美国为首的一些国家，率先推出了“全寿命经济分析”的概念，也称“寿命期成本分析”（LCCA），以“全寿命为出发点，为保证规定的工程使用年限，采取相应的技术措施。”据悉，世界上已经有20多个国家以及我国台湾已经或正在准备采用LCCA。2000年我国发布了《建设工程管理条例》（中华人民共和国国务院第279号令），对基础设施工程的耐久性提出了明确要求。
对腐蚀破坏而言，实施LCCA就是采取“以防为主”的战略方针，从一开始就立足于“全寿命”，提出技术可靠、经济合理的最佳方案，以减少后期投资，提高项目质量与性能，使长期效益“最大化”。
5. 结语
关于混凝土结构的耐久性问题，可以归纳为：混凝土自身的劣化（老化）是导致钢筋混凝土结构耐久性下降的首要原因；水分的渗入是造成混凝土劣化进而诱发钢筋锈蚀的首要因素；在混凝土表面设置防水防腐层是防治混凝土结构劣化的首选方案；水泥基渗透结晶型覆层是设置混凝土防护层的首要选择。
经过多年的研究，纵观在国内外的大量应用案例，《中核2000》系列防水材料以其优异的性能和显著的功效，在排解混凝土结构劣化给人们带来的诸多困扰中，已经和正在发挥着重大的作用。竭诚欢迎各界精英和有志之士与本公司携手，共同关注，探讨我国土建结构的安全性耐久性问题，在民用、国防的建设热潮中做出贡献。
 
6.致谢
在编写本文的过程中，笔者查阅了较多的相关文献资料并在综述中加以引用。洪乃丰教授关于“全寿命经济分析法”的引入和周国然教授关于“海洋工程中结构的耐久性问题”的论述开拓了混凝土结构耐久性研究特别是寿命分析的新思路，笔者和公司同仁深受启发。其它的参考文章在此不一一列举，谨此一并致以谢忱。
                                                                                                                                中核防水有限公司
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