孫 毅， 趙 勇， 張頂立 (. 中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院 博士后科研工作站， 北京 00038；. 北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 00044)

隧道工程在施工與運(yùn)營(yíng)階段都會(huì)受到水環(huán)境的影響，過(guò)量的水不但妨礙了隧道的正常使用，還加速了混凝土的劣化與內(nèi)部鋼筋的銹蝕[1]，甚至于威脅到隧道的使用壽命與安全[2]。含有混凝土材料的初襯、二襯結(jié)構(gòu)在承載過(guò)程中都會(huì)或多或少產(chǎn)生裂紋與裂縫，可以說(shuō)它們是無(wú)法完全杜絕的，而滲流的路徑恰恰是由這些微小的裂紋與裂縫提供的，有的甚至進(jìn)一步發(fā)展成為透水的管路。隧道的初期支護(hù)一般而言不專(zhuān)門(mén)做防水處理，大多數(shù)隧道采用多道防水措施的防水系統(tǒng)，初襯與二襯間的防水板是整個(gè)防水系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)，其施工質(zhì)量決定了隧道防水系統(tǒng)的成敗[3]。傳統(tǒng)的防水材料常由于接茬不嚴(yán)、局部黏結(jié)或焊接失效、壓磨破損等原因難以隔絕圍巖中水流浸入，加之施工縫未采用專(zhuān)門(mén)防排水措施或防排水措施不過(guò)關(guān)等原因造成了隧道局部的滲漏水問(wèn)題[4]。

在隧道滲漏水病害的治理方面常用的處理手段無(wú)外乎表面涂抹、鑿孔注漿、破除重筑。表面涂抹法的弊端在于對(duì)材料的混凝土滲透能力、黏結(jié)性能要求高，由于多數(shù)防水材料不能與混凝土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成分子層面的連接，只能形成殼衣式的包裹，待到襯砌周?chē)畨荷邥r(shí)極易發(fā)生失效。鑿孔注漿法的缺點(diǎn)是對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的整體性有所損壞，其在造孔過(guò)程中難免出現(xiàn)切割鋼筋、擊穿既有防水板等問(wèn)題。此外，其滲透壓力也需要特別控制，避免因淺層注漿壓力過(guò)大發(fā)生襯砌的鼓脹破壞。破除已經(jīng)發(fā)生滲漏的二次襯砌重新進(jìn)行模筑是治理的終極手段但費(fèi)時(shí)費(fèi)工，造價(jià)較前兩者都大。水性滲透結(jié)晶性材料的出現(xiàn)為解決這些問(wèn)題提供了新的思路，本文從該材料的抗?jié)B反應(yīng)機(jī)理出發(fā)全面討論其在隧道工程中應(yīng)用的前景。

1 水性滲透結(jié)晶性材料的抗?jié)B機(jī)理

水泥材料在隧道的建設(shè)過(guò)程中的使用量十分可觀，無(wú)論是初期支護(hù)中的噴射混凝土、二次襯砌中的模筑混凝土或是注漿加固中的漿液都離不開(kāi)他的參與。對(duì)水泥材料的組分研究已經(jīng)十分成熟，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)混凝土的強(qiáng)度主要依賴(lài)于C—S—H水化硅酸鈣膠體、C—A—H水化鋁酸鈣膠體以及其他類(lèi)似水化膠體的形成與結(jié)晶[5]。事實(shí)上除了C—A—H反應(yīng)迅速之外，混凝土內(nèi)部在混凝土初凝后仍一直在進(jìn)行著緩慢的C—S—H水合反應(yīng)，這種反應(yīng)在自然狀況下無(wú)法完全進(jìn)行，總有大量游離的Ca2+(少量[SiO4]4-、[Al(OH)2]-)。一般來(lái)說(shuō)水泥的水化反應(yīng)主要有以下4種方式:

( 1 )

( 2 )

( 3 )

( 4 )

式( 3 )、式( 4 )的反應(yīng)是在有石膏的前提下進(jìn)行的，若在純水中進(jìn)行結(jié)果稍有不同但生成的物質(zhì)大致類(lèi)似，可以發(fā)生轉(zhuǎn)化不再贅述。從上面的反應(yīng)式不難看出整個(gè)水泥的水化反應(yīng)都是在Ca(OH)2的飽和溶液中進(jìn)行的，過(guò)程中還會(huì)伴隨著大量游離的CaO。然而從相關(guān)學(xué)者的研究中不難看出各類(lèi)生成物中Ca(OH)2、CaO對(duì)混凝土的強(qiáng)度貢獻(xiàn)非常少[6-7]，因此各類(lèi)滲透結(jié)晶性的抗?jié)B材料都設(shè)法通過(guò)加入某些活性離子去與這些游離的Ca2+進(jìn)行反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化成不溶于水的晶體，從而達(dá)到填補(bǔ)空隙的目的。

1.1 活性物質(zhì)的反應(yīng)原理

首先之所以被稱(chēng)為水性或水基滲透結(jié)晶型材料是因?yàn)樵摬牧嫌H水性好，易溶于水且常溫下處于液態(tài)，流動(dòng)性極佳可以進(jìn)行噴灑作業(yè)。其次是防水劑與活性催化劑的概念，其中防水劑也就是滲透結(jié)晶型材料的主要反應(yīng)物，作用是生成含Ca的沉淀物?；钚源呋瘎┑淖饔脛t是加快或減緩這一過(guò)程，其特征之一就是反應(yīng)前后自身的含量并不發(fā)生變化，具體原理將在下面展開(kāi)說(shuō)明。

本文研究的水性滲透結(jié)晶性材料是一種以水玻璃Na2SiO3為主防水劑的材料，其典型反應(yīng)式為

Na2SiO3+Ca(OH)2→CaSiO3↓+2NaOH

( 5 )

式中:CaSiO3會(huì)進(jìn)一步形成晶體，該過(guò)程與式( 1 )、式( 2 )類(lèi)似，還需指出的是這部分結(jié)晶反應(yīng)速度快、消耗量也很大，單純依靠防水劑只能在混凝土表面起到一定作用，無(wú)法深入各種縫隙，也無(wú)法解釋二次抗?jié)B原理，因此必然存在其他活性物質(zhì)的參與。事實(shí)上該類(lèi)產(chǎn)品中摻入的活性物質(zhì)各廠商不盡相同且都未公布具體的化學(xué)式。從已有的研究來(lái)看[8-10]這些活性物質(zhì)大都離不開(kāi)與游離的Ca2+離子發(fā)生絡(luò)合陰離子，且這種陰離子大都含有機(jī)基團(tuán)，本文暫用[C—H—X]2-來(lái)代表這一類(lèi)陰離子，可給出其絡(luò)合-沉淀-解離反應(yīng)的基本流程，見(jiàn)圖1。

上面的反應(yīng)顯示：正是由于Ca2+鈣離子絡(luò)合物的存在減緩了防水劑快速的水化反應(yīng)。該物質(zhì)在化學(xué)勢(shì)梯度、布朗運(yùn)動(dòng)、干粒子反應(yīng)等驅(qū)動(dòng)力的作用下不斷向著混凝土內(nèi)部擴(kuò)散，待到活性陰離子[C—H—X]2-的濃度下降時(shí)Ca2+再次被SiO32-奪取生成穩(wěn)定的C—S—H晶體。整個(gè)過(guò)程中[C—H—X]2-含量守恒。前面提到的有機(jī)基團(tuán)的另一個(gè)功能就是在主反應(yīng)的沉淀物生成后形成非極性的有機(jī)基團(tuán)排列向外形成憎水層進(jìn)一步起到防水的作用。

從上面的介紹也可以看出陰離子[C—H—X]2-能夠帶走Ca(OH)2中的Ca2+，最終將Ca2+沉淀，從而增加了混凝土的密實(shí)度，使得后續(xù)的滲水量減少，進(jìn)一步減少了混凝土中的各種材料的流失?？梢哉f(shuō)

這種中間絡(luò)合產(chǎn)物在整個(gè)水性滲透結(jié)晶材料與水泥發(fā)生反應(yīng)的過(guò)程中起到了關(guān)鍵性的作用，使得材料的抗?jié)B性能得到平穩(wěn)、充分、深入地發(fā)揮，這也是各廠商的技術(shù)關(guān)鍵所在。

1.2 SEM分析涂層基體的結(jié)晶情況

為了更好地展示水性滲透結(jié)晶材料的抗?jié)B原理，現(xiàn)將混凝土用水性滲透結(jié)晶抗?jié)B材料(壁驅(qū)水CS1000)涂抹，并對(duì)涂抹前后的效果進(jìn)行電競(jìng)掃描，以觀察其生成的產(chǎn)物，見(jiàn)圖2。

圖2(a)中是未涂抹水性滲透結(jié)晶材料的原始混凝土微觀結(jié)構(gòu)，由于該混凝土試樣已完成養(yǎng)護(hù)水化反應(yīng)進(jìn)入末期，其中C—S—H的層狀結(jié)構(gòu)較為明顯，此外還可以看到不少的塊狀晶體(形狀接近六面薄片)疑似Ca(OH)2。圖2(b)是經(jīng)過(guò)涂抹材料后混凝土顯微結(jié)構(gòu)，圖示可知經(jīng)歷絡(luò)合-沉淀-解離反應(yīng)的材料表面處生成了大量的針狀不溶物形狀與徐明根[10]、曾昌洪[11]等的研究成果一致，這些物質(zhì)基本上填充滿(mǎn)了混凝土原有的裂隙與孔洞。整體來(lái)說(shuō)SEM分析形象地驗(yàn)證了抗?jié)B結(jié)晶材料的抗?jié)B物理過(guò)程，但生成物中少量塊狀、細(xì)管狀晶體的具體成分仍難以確定,有待進(jìn)一步的化學(xué)分析。

1.3 二次結(jié)晶的意義

從水性滲透結(jié)晶型防水劑的抗?jié)B機(jī)理分析可知，其材料主要成分就是我國(guó)早已普遍使用的防水劑，因此，二次抗?jié)B不是其所獨(dú)有，其他防水劑如硅酸鈉、硅粉等也具有少許該性能。但二次抗?jié)B的效果大小并不完全取決于防水劑，還與催化劑、混凝土基層的含水率、水泥水化程度、水化物含量有關(guān)[12]。各類(lèi)滲透結(jié)晶型防水劑的主要特點(diǎn)還是引入了催化劑。水性滲透結(jié)晶型防水劑二次結(jié)晶抗?jié)B的先決條件是混凝土裂縫中暫時(shí)無(wú)自由水的存在，且抗?jié)B材料停止反應(yīng)與擴(kuò)散活動(dòng)。在此前提下各種材料呈現(xiàn)為各自相應(yīng)的晶體狀態(tài)，而當(dāng)空洞縫隙中再次充滿(mǎn)水時(shí)上面所敘述的反應(yīng)將被激活繼續(xù)平穩(wěn)地生成相應(yīng)的沉淀物。

結(jié)合前面關(guān)于反應(yīng)機(jī)理的研究，本文認(rèn)為二次結(jié)晶含義有兩層：第一層是當(dāng)水再次充滿(mǎn)裂隙與各種通道時(shí)以殘余防水劑為主的水化沉淀反應(yīng)再次發(fā)生，繼續(xù)生成晶體堵塞過(guò)水通道；第二層是即使防水劑部分已經(jīng)完全被消耗殆盡，前面所提到的絡(luò)合陰離子[C—H—X]2-亦可以與游離的Ca2+進(jìn)行反應(yīng)生成絡(luò)合物晶體并繼續(xù)堵塞空隙，這一步里[C—H—X]2-反應(yīng)物的角色大于催化劑角色。對(duì)于降水受季節(jié)影響明顯的區(qū)域而言，隧道滲漏水病害往往存在周期性變化[13]，該材料的預(yù)防、儲(chǔ)備優(yōu)勢(shì)明顯大于其他一次性抗?jié)B材料，意義重大。

1.4 地下水對(duì)隧道工程滲漏水治理的影響

從上面的介紹可知襯砌混凝土中的Ca(OH)2含量是非常充裕的，然而該物質(zhì)的存在并未給混凝土的強(qiáng)度帶來(lái)多少提升，反而常常由于其自身的溶解或分解造成了混凝土微觀的損傷與開(kāi)裂進(jìn)而減弱了整體強(qiáng)度。地下水對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的負(fù)面影響主要是溶解Ca(OH)2晶體，這不僅導(dǎo)致混凝土的成分流失與強(qiáng)度降低而且形成了更多的微觀空隙，進(jìn)一步增加了滲漏水量和鋼筋的腐蝕程度。但其也有積極的方面，首先適量的水是完成滲透結(jié)晶反應(yīng)的前提和載體，其次由于各地區(qū)地下水中所含的離子差異較大，其中不乏富含Ca2+、Mg2+、Fe3+等陽(yáng)離子的地域，因此在適當(dāng)?shù)暮壳疤嵯掠行┥踔量梢源龠M(jìn)滲透結(jié)晶反應(yīng)并生成相應(yīng)的沉淀物，如2MgO·3SiO2·nH2O等。

2 混凝土抗?jié)B性能的改良效果評(píng)價(jià)

在隧道工程中初期支護(hù)、二次襯砌都會(huì)面臨滲漏水的問(wèn)題，尤其是初期支護(hù)，考慮到其構(gòu)成材料中噴射混凝土占了很大的比重，而這種材料的抗?jié)B性能非常不穩(wěn)定，在此應(yīng)用水性滲透結(jié)晶材料對(duì)其進(jìn)行改良，并以同樣配比的模筑混凝土改良效果作為對(duì)比進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其中抗?jié)B材料依然選用壁驅(qū)水CS1000型。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)試塊共分四組，分別為噴射混凝土(未涂抹抗?jié)B材料)、模筑混凝土(未涂抹抗?jié)B材料)、噴射混凝土(涂抹抗?jié)B材料)、模筑混凝土(涂抹抗?jié)B材料)。配制模筑混凝土試件按表1進(jìn)行。

表1 混凝土試件的配合比

用機(jī)械拌合混凝土，震動(dòng)搗實(shí)合成型后，制作(φ175×φ185×150)mm圓臺(tái)形混凝土抗?jié)B標(biāo)準(zhǔn)試件12個(gè)，其中6個(gè)為基準(zhǔn)試件，6個(gè)為涂刷試件。配置噴射混凝土直接從施工現(xiàn)場(chǎng)取樣(配比相同)，試件數(shù)量與模筑混凝土相同。取6個(gè)試件成型后24 h拆模，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d備用；另外6個(gè)試驗(yàn)用試件成型后24 h拆模，待表面晾干后，在需要進(jìn)行防水處理的試件背水面朝上涂刷試樣，涂量控制在0.25～0.35 kg/m2，涂抹完成后在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)至3 d之后，將涂層混凝土浸在深度為試件高度3/4的水中養(yǎng)護(hù)(涂層面不浸水)，繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d備用(前后共養(yǎng)護(hù)28 d)。

需要注意的是，在制備試塊時(shí)盡量采用醫(yī)用注射器(塑料材質(zhì))對(duì)抗?jié)B材料用量進(jìn)行精確控制，見(jiàn)圖3。整個(gè)過(guò)程分2～3次涂抹，每次涂抹需等涂抹層手觸發(fā)干時(shí)進(jìn)行下次涂抹。待到養(yǎng)護(hù)完成后分組進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格遵循文獻(xiàn)[14]的相關(guān)規(guī)定。

2.2 抗?jié)B效果評(píng)定方法

試驗(yàn)中每級(jí)加載完成后應(yīng)保持8 h恒水壓，在此期間出現(xiàn)圖4所示的狀態(tài)時(shí)即可判定為時(shí)間滲透失效。試塊混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)以每組6個(gè)試件中有3個(gè)試件未出現(xiàn)滲水時(shí)的最大水壓力確定。混凝土的抗?jié)B等級(jí)計(jì)算式為

P=10H-1

( 6 )

式中：P為混凝土抗?jié)B等級(jí)；H為6個(gè)試件中有3個(gè)試件滲水時(shí)的水壓力，MPa。

2.3 抗?jié)B效果對(duì)比分析

本次試驗(yàn)分別選用2.1節(jié)配比的混凝土材料進(jìn)行了噴射注模、搗實(shí)注模兩種方法制作了若干試塊進(jìn)行比較。就噴射注模的標(biāo)準(zhǔn)混凝土而言其自身抗?jié)B能力為0，即試驗(yàn)中試塊均在0.1 MPa時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的滲漏水現(xiàn)象；在涂抹試劑后抗?jié)B能力達(dá)到1，即在試驗(yàn)中多個(gè)試塊均在0.2 MPa時(shí)發(fā)生滲透失效；注模混凝土其自身抗?jié)B能力為2，即在試驗(yàn)中試塊均在0.3 MPa時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的滲漏水現(xiàn)象；在涂抹試劑后抗?jié)B能力達(dá)到5，即在試驗(yàn)中多個(gè)試塊均在0.6 MPa時(shí)才發(fā)生滲透失效。

根據(jù)上文關(guān)于抗?jié)B要求的論述易知：混凝土的抗?jié)B性能改良不僅取決于抗?jié)B試劑的成分和用量，更與其自身的細(xì)觀結(jié)構(gòu)、水泥含量等因素密切相關(guān)。表2顯示出在混凝土配比相同的前提下模筑混凝土的抗?jié)B能力高于噴射混凝土，其抗?jié)B能力的提升空間也大于噴射混凝土。原因在于噴射混凝土的細(xì)觀空間結(jié)構(gòu)要比模筑混凝土稀疏的多[15]，事實(shí)上空隙中水的流速大于材料的擴(kuò)散速度時(shí)將阻礙材料的逐水?dāng)U散作用甚至被沖刷流失，即使能形成部分晶體，考慮到其直徑遠(yuǎn)小于過(guò)水的通道也難以發(fā)揮有效的堵塞作用。

表2 混凝土試塊抗?jié)B性能測(cè)試結(jié)果

3 抗?jié)B材料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響及施作時(shí)機(jī)建議

隧道工程的開(kāi)挖過(guò)程中的圍巖壓力在隧道掌子面挖除后的一段時(shí)間內(nèi)集中釋放，后期則較為平穩(wěn)[16]，該階段噴射混凝土是重要的支護(hù)手段之一[17]。在支護(hù)過(guò)程中噴射混凝土不僅要對(duì)開(kāi)挖后裸露的圍巖進(jìn)行包裹支撐，還要對(duì)型鋼拱架與格柵拱架的空隙進(jìn)行填充，使其與圍巖緊密貼合，從而提高結(jié)構(gòu)整體的承載能力。這就要求初支護(hù)階段的混凝土能夠盡可能的提供高的初期強(qiáng)度[18]。因此不能對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響就成為了各種抗?jié)B材料使用的前提條件。

考察水性滲透結(jié)晶材料對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響，需根據(jù)材料加入混凝土的時(shí)間將其分為試塊養(yǎng)護(hù)完成后涂抹試劑、試塊制作過(guò)程中摻入試劑2組。定義Sp為抗?jié)B材料占水泥材料的質(zhì)量百分比，為了保證對(duì)比試驗(yàn)的可靠性，分別以上面兩種方法配制到兩組混凝土立方體試塊中，其尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm，兩組中Sp均為0%、0.5%、0.8%、1.2%、1.5%(見(jiàn)圖5)。將上述試塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，其中混凝土的配比與表1相同。

3.1 強(qiáng)度換算標(biāo)準(zhǔn)

混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu的計(jì)算式為

fcu=F/A

( 7 )

式中：F為抗壓極限荷載，kN；A為受壓面積，mm2。

根據(jù)規(guī)定，試驗(yàn)以每組3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值為測(cè)定值，如任何一個(gè)測(cè)值與平均值的差超過(guò)平均值的15%時(shí)，則取中值為測(cè)定值；若有兩個(gè)測(cè)值的差值均超過(guò)上述規(guī)定時(shí)，則該組試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效，試驗(yàn)結(jié)果精確至0.1 MPa。

混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中立方體試塊的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，對(duì)于本試驗(yàn)的試塊，計(jì)算結(jié)果應(yīng)乘以抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)0.95。

3.2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)上面的試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試后，各組試塊的強(qiáng)度結(jié)果呈現(xiàn)以下規(guī)律：

第一組試驗(yàn)顯示混凝土試塊經(jīng)過(guò)28 d的充分水化反應(yīng)后，再進(jìn)行表面的涂抹時(shí)涂量的大小對(duì)強(qiáng)度影響很小，各組試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)性也不大，其方差約為0.49，具體結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 第一組混凝土試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

第二組試驗(yàn)的混凝土試塊在制備過(guò)程中需在先將水性滲透結(jié)晶性材料進(jìn)行稀釋后與水泥、砂石料等拌合，否則其將迅速與水泥發(fā)生反應(yīng)影響試塊的制成。其試驗(yàn)結(jié)果顯示在水化反應(yīng)發(fā)生之前就加入抗?jié)B材料，對(duì)混凝土試塊的28 d強(qiáng)度有明顯的負(fù)面影響，具體結(jié)果見(jiàn)表4。

對(duì)表3與表4的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理可知混凝土單軸抗壓強(qiáng)度與水性滲透結(jié)晶型材料含量的關(guān)系，見(jiàn)圖6。

表4 第二組混凝土試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看已經(jīng)基本完成水化反應(yīng)的混凝土與抗?jié)B材料接觸會(huì)進(jìn)一步生成沉淀物增加混凝土的致密性，而增加的這部分致密性是應(yīng)該是通過(guò)奪取對(duì)混凝土強(qiáng)度貢獻(xiàn)極小的Ca(OH)2等產(chǎn)物的Ca2+離子實(shí)現(xiàn)的，但這部分生成物的強(qiáng)度并不大。若材料直接參與水化反應(yīng)則會(huì)影響效成分：C—S—H水化硅酸鈣膠體、C—A—H水化鋁酸鈣膠體的生成量，從而影響混凝土試塊的整體強(qiáng)度。

將圖6中兩組數(shù)據(jù)的散點(diǎn)進(jìn)行擬合，可得到相應(yīng)的擬合式為

S=0.26C+40.7

( 8 )

S=8.51e(-C/0.374)+32.76

( 9 )

式中：S為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；C為抗?jié)B材料含量。

式( 8 )所代表的第一組試驗(yàn)結(jié)果顯示：抗?jié)B材料的含量增大可以小幅提升混凝土強(qiáng)度，C與S的關(guān)系基本為水平線性。其原因在于抗?jié)B材料的結(jié)晶作用增加了部分混凝土的密實(shí)性，但其數(shù)量有限不能帶來(lái)大的提升。式( 9 )所代表的第二組試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著抗?jié)B材料的增多混凝土的強(qiáng)度逐步下降并在含量達(dá)到0.8%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，即強(qiáng)度稍許恢復(fù)但仍呈現(xiàn)降低的態(tài)勢(shì)?？梢远ㄐ缘卣J(rèn)為混凝土強(qiáng)度與水性滲透結(jié)晶型材料含量為負(fù)相關(guān)關(guān)系。事實(shí)上在隧道工程中混凝土尤其是噴射混凝土的強(qiáng)度下降是不可接受的，這有悖于噴射混凝土材料利用其早期強(qiáng)度高、硬化快的特點(diǎn)來(lái)控制圍巖變形的初衷?？紤]到硬化水泥漿體的性質(zhì)大多是由水化早期決定的[19]，因此該類(lèi)材料應(yīng)至少在混凝土完成達(dá)到初凝后再進(jìn)行噴涂施作。

4 抗?jié)B材料在前山隧道滲漏水治理工程中的應(yīng)用

前山隧道位于合福高速鐵路武夷山站附近，該隧道區(qū)域內(nèi)地表水系發(fā)達(dá)，深埋段基巖裂隙水為主，淺部殘坡積層賦存松散巖類(lèi)孔隙水。隧道在完成二次襯砌澆筑后，洞內(nèi)出現(xiàn)了多處滲、漏水現(xiàn)象，尤其是洞口圍巖變化段最為嚴(yán)重。相關(guān)單位在隧道全線貫通前集中進(jìn)行了整治，其中部分區(qū)域應(yīng)用了水性滲透結(jié)晶型防水材料取得了很好的抗?jié)B、補(bǔ)漏效果。

4.1 DK550+180左側(cè)綜合洞室滲漏水治理

該位置有兩處滲漏水點(diǎn)，第一處在拱頂中心，其出水量較大，現(xiàn)場(chǎng)處理中心出水點(diǎn)，面積約0.2 m2，處理后效果較明顯，但四周仍有少許濕漬，掛水滴。

滲漏水原因：原有立模木塊在施工結(jié)束后被澆筑入洞室襯砌內(nèi)。由于木塊體積較大且與富水巖層相近，再加上其與混凝土膠結(jié)不實(shí)，逐漸形成了滲漏水的路徑，隨著木塊水漲、腐蝕在拱頂處形成了較為嚴(yán)重的漏水病害，尤其是雨季常常漏水掛線，嚴(yán)重威脅著洞室內(nèi)的電氣設(shè)備使用安全。

處理步驟：

Step1電鉆開(kāi)鑿取出木塊，進(jìn)行引流降低水頭；

Step2用速凝型堵漏寶處理開(kāi)鑿槽體表面；

Step3制作水泥砂漿并拌合水性滲透結(jié)晶型防水材料(該處對(duì)強(qiáng)度不作要求)；

Step4回填水泥砂漿并立模保護(hù)。

具體效果見(jiàn)圖7。

第二處靠近洞口側(cè)，墻底部滲水面積約0.12 m2,處理后效果較佳，無(wú)濕漬及水印。

滲漏水原因：與拱頂處類(lèi)似，都是模筑混凝土內(nèi)夾雜施工殘留方木導(dǎo)致滲水，但由于其位置較低，且地面排水槽設(shè)計(jì)出水量無(wú)法滿(mǎn)足超量漏水，以至于地面低洼處出現(xiàn)了成片的倒淤積水，混凝土結(jié)構(gòu)侵蝕嚴(yán)重，水中已經(jīng)出現(xiàn)了大量混凝土中析出的Ca(OH)2白色不溶物。

處理步驟同上，具體效果見(jiàn)圖8。

4.2 DK550+100左側(cè)邊墻水印處理

該處左側(cè)側(cè)溝頂部上部邊墻出現(xiàn)了針眼式滲水，面積約0.8 m2，處理前采用水清洗，再進(jìn)行藥劑噴灑，處理后水印濕漬消失。

滲漏水原因：該位置受力較為復(fù)雜，襯砌結(jié)構(gòu)難免出現(xiàn)縱向的微裂紋，且襯砌背后防水板可能已經(jīng)被破壞并形成了漏水的路徑，因此滲流點(diǎn)均沿隧道縱向排列，該處滲漏水量小但是面積分布較大，不能滿(mǎn)足驗(yàn)收要求。

處理步驟：

Step1清理邊墻表面；

Step2配置水性滲透結(jié)晶型防水材料；

Step3進(jìn)行抗?jié)B材料的噴灑覆蓋(噴灑面積略大于滲水面積)。

具體效果見(jiàn)圖9。

4.3 DK548+230底板滲水處理

該位置臨近隧道底板的環(huán)向接縫，長(zhǎng)度約1.5 m，清潔表面淤水后迅速?lài)姙⒖節(jié)B材料，處理后出水量逐漸減少直至干燥。

滲漏水原因：滲漏水節(jié)點(diǎn)位于拱底且靠近軌道板接縫處，其環(huán)向四周均無(wú)其他滲漏水節(jié)點(diǎn)，因此水壓較大。整澆軌道板與仰拱澆筑存在裂縫，雖然不影響結(jié)構(gòu)安全但由于地面軌道板沿線出現(xiàn)了較大面積的潤(rùn)濕，無(wú)法通過(guò)驗(yàn)收。

處理步驟：

Step1清潔淤水區(qū)域，尋找可疑的裂縫；

Step2配置水性滲透結(jié)晶型防水材料；

Step3集中噴灑可疑區(qū)域。

具體效果見(jiàn)圖10。

4.4 水性滲透結(jié)晶型防水材料應(yīng)用特點(diǎn)

通過(guò)前山隧道滲漏水處理工程的應(yīng)用，可以總結(jié)出水性滲透結(jié)晶型防水劑的一些應(yīng)用特點(diǎn)：

(1) 該材料可修補(bǔ)外墻的細(xì)裂紋，但基本上不改變其外觀。防水劑滲入接縫處的水泥層，密實(shí)毛細(xì)孔，從而達(dá)到了阻止?jié)B漏的目的。使用該材料后，由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而滲出NaOH等堿性液體(失水干燥后呈現(xiàn)為白色覆蓋物)，因此可以不時(shí)用水沖刷干凈由此進(jìn)一步加快反應(yīng)速度。從滲漏水的處理方法與結(jié)果來(lái)看，有明水徑流的病害處應(yīng)先經(jīng)行開(kāi)鑿堵漏等初步處理，然后再加入水基滲透結(jié)晶材料提高水泥砂漿的水化凝結(jié)速度，處理部位的混凝土恢復(fù)干燥狀態(tài)的時(shí)間約為1周且伴有明顯的深色痕跡；大面積潤(rùn)濕以及針眼式的滲流可以通過(guò)直接噴灑或涂抹的方式進(jìn)行處理，處理部位變干的時(shí)間約為48 h，其顏色與周?chē)r砌無(wú)明顯區(qū)別。

(2) 由于水性滲透結(jié)晶抗?jié)B材料進(jìn)入混凝土裂隙需要水的媒介作用，而且相關(guān)活性材料與混凝土襯砌裂縫中的Ca(OH)2反應(yīng)生成晶體也需要水的參與。因此，治理過(guò)程需要提供濕潤(rùn)環(huán)境，但不能出現(xiàn)明水以防材料沖刷流失。其保濕養(yǎng)護(hù)可以采用噴霧或覆蓋的方式，本文現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在南方地區(qū)(武夷山)隧道中進(jìn)行，富水環(huán)境較好且空氣濕度有保障，所以無(wú)需特殊養(yǎng)護(hù)作業(yè)，其他地域環(huán)境應(yīng)因地制宜選擇養(yǎng)護(hù)方式。

(3) 從處理過(guò)程還可以看出隧道工程的滲漏水處理方式與其他建筑工程有著明顯的不同。以DK550+180的處理為例，在空間上應(yīng)先處理拱頂再轉(zhuǎn)向邊墻滲漏水點(diǎn)，否則拱頂處的水頭會(huì)在下部漏水點(diǎn)停止?jié)B漏之后升高為下一步處理帶來(lái)困難；在水頭較大的地方應(yīng)先進(jìn)行開(kāi)鑿引流處理來(lái)降低水頭，否則材料藥劑無(wú)法附著，嚴(yán)重影響處理效果。實(shí)際上由于隧道特別是山嶺隧道水系發(fā)達(dá)，滲漏水處理效果往往差強(qiáng)人意，甚至?xí)霈F(xiàn)治理一部分，轉(zhuǎn)移一部分的現(xiàn)象。從治理經(jīng)驗(yàn)上來(lái)說(shuō)還是應(yīng)該盡量利用既有的防排水系統(tǒng)，以排為主，排堵結(jié)合。出現(xiàn)滲漏水點(diǎn)需因地制宜選擇治理方法，不應(yīng)貿(mào)然地認(rèn)為該類(lèi)產(chǎn)品擁有微觀和宏觀的雙重功效，畢竟，該類(lèi)防水劑產(chǎn)生的“結(jié)晶體”的單晶長(zhǎng)度仍處于納米級(jí)[20]至于其這些晶體堆積物能堵塞多么寬的裂縫，還沒(méi)有絕對(duì)的答案。

5 結(jié)論

水性滲透結(jié)晶型防水材料由于流動(dòng)性極佳便于向裂隙內(nèi)部滲透，可以直接用于極為細(xì)小的不宜進(jìn)行灌漿的裂縫修復(fù)，并且由于具有水硬性可以二次甚至多次結(jié)晶增加了混凝土材料的自我修復(fù)功能。通過(guò)本文的材料反應(yīng)機(jī)理研究與實(shí)際工程應(yīng)用形成了以下主要結(jié)論：

(1) 水性滲透結(jié)晶型防水材料由兩部分構(gòu)成，其中防水劑主成分為Na2SiO3、催化劑有效成分含有一種絡(luò)合陰離子[C—H—X]2-。該材料的抗?jié)B功能主要依靠絡(luò)合-沉淀-解離過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用試塊的電鏡掃描可以驗(yàn)證相關(guān)產(chǎn)物。

(2) 通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：由于細(xì)觀結(jié)構(gòu)松散，噴射混凝土的原始的抗?jié)B性能與涂抹試劑后的抗?jié)B性能均低于相同配比的模筑混凝土。使用水性滲透結(jié)晶型防水材料可以增加混凝土的密實(shí)性，但效果有限。

(3) 結(jié)合水性滲透結(jié)晶型防水材料的基本反應(yīng)原理，可以解釋該材料作為摻合料時(shí)對(duì)混凝土強(qiáng)度產(chǎn)生負(fù)面影響的原因，本文認(rèn)為這類(lèi)材料至少應(yīng)當(dāng)在水泥完成初凝后進(jìn)行施作。這樣一來(lái)既不會(huì)影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度又能很好地保證抗?jié)B效果。

(4) 武夷山前山隧道的部分典型滲漏水病害處理驗(yàn)證了水性滲透結(jié)晶型防水材在隧道工程應(yīng)用的可行性與可靠性。在此基礎(chǔ)上總結(jié)了相關(guān)治理經(jīng)驗(yàn)，可以為類(lèi)似工程提供參考。

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