高成躍，王檔良，何龍坤

(中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

電滲防水技術(shù)是近年來興起的地下空間防水新技術(shù)，體現(xiàn)全新防水理念，可在背水面對混凝土、砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行永久性防水。對于混凝土和砌體結(jié)構(gòu)，水分子可通過多種方式滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。其中，最簡單的方式是水利用自重或側(cè)向壓力，通過孔隙或裂縫滲入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。在電場作用下，水分子沿電勢梯度向負(fù)電極方向移動，水分子定向移動現(xiàn)象即為電滲。結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分子持續(xù)不斷向結(jié)構(gòu)外側(cè)移動，從而起防滲、防潮作用。

電滲防水技術(shù)具有一定優(yōu)勢，可應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)防滲堵漏中。但當(dāng)混凝土裂縫寬度達(dá)到一定程度時，電滲防水技術(shù)失去效果，無法阻止地下水滲入。為得到一定電壓下電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度極限值，對電滲理論及裂縫寬度計算公式進(jìn)行推導(dǎo)，并開展室內(nèi)模型試驗加以驗證。

1 裂縫寬度計算公式

根據(jù) Esrig理論：

Ue=vet

(1)

(2)

式中：Ue表示電滲排水量；ve表示電滲流量；t表示電滲時間；ke表示電滲系數(shù)；Δ?表示有效電勢；A表示電流通過混凝土裂縫的橫截面面積；L表示陽、陰極距離。

根據(jù)Navier-Stokes方程及立方定律：

(3)

式中：q表示單寬流量；g表示重力加速度；b表示裂縫寬度；J表示水力坡降；v表示水動力黏度。

Uh=qbt

(4)

式中：Uh表示水滲透量。

電滲防水物理模型如圖1所示，數(shù)學(xué)模型如圖2所示。當(dāng)電滲排水量等于水滲透量時，得到電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度極限值計算公式：

圖1 電滲防水物理模型

圖2 電滲防水?dāng)?shù)學(xué)模型

(5)

式中：Δh表示為地下水位至裂縫位置水頭差。

由式(5)可知，當(dāng)外加電壓一定時，Δh越大，電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度極限值越小，當(dāng)Δh一定時，外加電壓越大，電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度極限值越大。當(dāng)Δh=80mm時，計算得到20，40，60V外加電壓下裂縫寬度極限值分別為0.34，0.41，0.50mm。

2 室內(nèi)電滲試驗

在制作完成的混凝土墻體結(jié)構(gòu)兩端插入電極，電極接入電滲儀(見圖3)。電滲儀開啟后對混凝土進(jìn)行電滲，在混凝土中產(chǎn)生電場?；炷亮芽p中的水在電場作用下產(chǎn)生定向移動，由正極流向負(fù)極，試驗過程中統(tǒng)計背水面滲水量，以確定電滲防水技術(shù)抗?jié)B效果。

圖3 室內(nèi)電滲試驗原理

2.1 試驗裝置與材料

自主設(shè)計試驗?zāi)Ｐ拖洌芰喜馁|(zhì)，尺寸為400mm×235mm×140mm(長×寬×高)，試驗過程中水位保持為110mm，試驗裝置如圖4所示。銅電極板尺寸為217mm×140mm×1mm(長×寬×厚)，在銅電極板上均勻開φ15mm圓孔，在距銅電極板底部30mm處開140mm×5mm(長×寬)裂縫。混凝土試塊尺寸為220mm×80mm×140mm(長×寬×高)，配合比為水∶水泥∶砂∶石=185∶400∶650∶1 180(kg/m3)，水灰比為0.46。

圖4 室內(nèi)試驗裝置

在混凝土澆筑過程中插入試驗所需厚度(0.35，0.40，0.50，0.60mm)的超薄不銹鋼片(長200mm，寬90mm)，并在表面涂抹凡士林，待混凝土凝固24h后輕微水平抽動鋼片(防止混凝土干燥后鋼片無法抽出)。混凝土完全干燥固結(jié)24d后，將鋼片從混凝土中抽出，實現(xiàn)對混凝土裂縫寬度的控制。利用裂縫觀測儀測量混凝土表面裂縫寬度，以0.50mm寬裂縫為例，測量結(jié)果如圖5所示。

圖5 0.50mm寬裂縫

2.2 試驗方法

選用多脈沖電滲控制儀輸出直流電壓，工作時可實時顯示電壓與電流。混凝土一側(cè)為定水頭，試驗過程中在水面上方懸掛塑料水瓶，不斷向下滴水，保證混凝土一側(cè)水頭恒定。電滲24h，每隔1h記錄1次混凝土試塊背水面滲水量與電流。為對比分析，試驗分組如表1所示。

表1 試驗分組

2.3 抗?jié)B效果判定標(biāo)準(zhǔn)

電滲前后電阻變化如圖6所示，當(dāng)混凝土試塊中的水向陰極移動時，由于靠近陽極側(cè)水分子減少，該側(cè)混凝土部分孔隙中出現(xiàn)空氣，由于空氣電阻遠(yuǎn)大于孔隙水電阻，電滲處理后的混凝土試塊整

圖6 電阻變化示意

體電阻變大。設(shè)混凝土骨料電阻為R1，空氣電阻為R2，初始孔隙水電阻為R3，電滲后孔隙水電阻為R4，初始混凝土試塊總電阻為R0，電滲后混凝土試塊總電阻為R，則有：

(6)

(7)

由于R2+R4>R3，所以有R>R0，這也解釋了電阻增大或減小的原因。因此，可根據(jù)混凝土試塊電阻變化評估電滲技術(shù)抗?jié)B效果，即混凝土試塊電阻越大，電流越小，抗?jié)B效果越明顯。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 電阻

20V電壓下，混凝土試塊24h電阻變化曲線如圖7a所示。由圖7a可知，不加水頭的試塊G1電阻發(fā)生小范圍波動，電阻平均值為150Ω，且在24h電滲過程中的電阻均大于試塊G2，G3，這是因為不加水頭的混凝土試塊中不含水分，電阻較大；試塊G2電阻逐漸增大，電滲8～16h時的電阻變化曲線較平穩(wěn)，電滲18h后的電阻與試塊G1接近，這是因為電滲18h后混凝土試塊中的水分基本排盡，達(dá)到與試塊G1相同的干燥狀態(tài)；試塊G3電阻較小且基本不發(fā)生變化，穩(wěn)定在10Ω左右，這是因為在水頭作用下，水滲透量大于電滲排水量，裂縫中一直有水通過，導(dǎo)致混凝土試塊電阻較小。

圖7 電阻變化曲線

40，60V電壓下，混凝土試塊24h電阻變化曲線分別如圖7b，7c所示。由圖7b，7c可知，試塊G4電阻平均值為185Ω，試塊G7電阻平均值為170Ω，均較試塊G1大，但試塊G1，G4，G7電阻曲線變化規(guī)律相同，可認(rèn)為干燥狀態(tài)下混凝土試塊電阻差異是由人為測量誤差造成的；對于試塊G3，G6,G9,試塊G9電阻平均值為85Ω，試塊G6電阻平均值為50Ω，可知試塊G9電阻平均值最大，其次為試塊G6，試塊G3電阻平均值最小，這是因為電壓越高，阻水能力越強(qiáng)，即使不能阻擋全部水流，也起到一定阻水作用，從而導(dǎo)致電阻不同。

3.2 滲水量

混凝土試塊背水面滲水量如表2所示，由表2可知，20V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G2背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，電滲20h后，滲水量為0mL，可知20V電壓可完全止住0.35mm寬裂縫滲水；20V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G3背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，但電滲24h時滲水量未達(dá)到0mL，可知20V電壓不可完全止住0.40mm寬裂縫滲水。40V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G5背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，電滲21h后，滲水量為0mL，可知40V電壓可完全止住0.40mm寬裂縫滲水；40V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G6背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，但電滲24h時滲水量未達(dá)到0mL，可知40V電壓不可完全止住0.50mm寬裂縫滲水。60V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G8背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，電滲21h后，滲水量為0mL，可知60V電壓可完全止住0.50mm寬裂縫滲水；60V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G9背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，但電滲24h時滲水量未達(dá)到0mL，可知60V電壓不可完全止住0.60mm寬裂縫滲水。綜上所述，20，40，60V電壓下電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度極限值分別為0.35，0.40，0.50mm。

表2 混凝土試塊背水面滲水量 mL

3.3 電壓-裂縫寬度關(guān)系曲線

將相關(guān)試驗參數(shù)代入式(5)，得到電壓-裂縫寬度關(guān)系曲線，如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)電壓增大時，電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度極限值隨之增大，電壓>40V時曲線逐漸變緩，出現(xiàn)試驗值大于理論值的情況，這是因為電壓過高時，混凝土試塊同時存在電滲、電解水、電泳情況，電解水、電泳起到一定阻水作用。當(dāng)電壓較高時，需考慮電滲、電解水與電泳的綜合作用。20，40，60V電壓下電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度理論計算極限值分別為0.34，0.41，0.45mm，與試驗值差距較小。

圖8 電壓-裂縫寬度關(guān)系曲線

4 結(jié)語

1)根據(jù)達(dá)西定律和Esrig理論等推導(dǎo)了電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度極限值理論計算公式。

2)計算得到混凝土試塊電壓-裂縫寬度關(guān)系曲線，并得到20，40，60V電壓下電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度理論計算極限值分別為0.34，0.41，0.45mm。

3)對不同裂縫寬度混凝土試塊進(jìn)行電滲試驗，得到試塊電阻與背水面滲水量變化規(guī)律，以檢驗電滲防水技術(shù)抗?jié)B效果。試驗結(jié)果表明，當(dāng)Δh=80mm時，20，40，60V電壓下電滲防水技術(shù)可處理混凝土裂縫寬度極限值分別為0.35，0.40，0.50mm。