陳 溪（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200032）

1 我國建筑滲漏問題與防滲加固現(xiàn)狀

根據(jù)中國建筑防水協(xié)會(huì)和北京零點(diǎn)市場(chǎng)調(diào)查與分析公司聯(lián)合發(fā)布的《2013年全國建筑滲漏狀況調(diào)查項(xiàng)目報(bào)告》[1]，我國建筑屋面滲漏率達(dá) 95.33%，地下建筑滲漏率達(dá) 57.51%，住戶滲漏率達(dá) 37.48%。在上海的 105 個(gè)建筑樣本中，存在地下室滲漏的比例為 52.38%，存在屋面滲漏的比例高達(dá) 100%。

我國絕大多數(shù)建筑均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土材料或構(gòu)件的滲水對(duì)建筑的安全性、適用性和耐久性均有極大威脅[2]。屋面、地下室等部位產(chǎn)生滲漏會(huì)造成使用者的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，影響建筑的適用性；結(jié)構(gòu)構(gòu)件的滲漏會(huì)使鋼筋銹蝕，造成建筑耐久性下降；此外，鋼筋銹蝕還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力的下降，對(duì)建筑的安全性產(chǎn)生巨大威脅。

目前，混凝土結(jié)構(gòu)防滲加固主要使用聚合物砂漿、防水卷材、有機(jī)防水涂料等材料[3]，一定程度上起到了提高混凝土抗?jié)B性能的作用。然而，現(xiàn)有防滲加固材料對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提升并沒有顯著作用，并不能阻止混凝土在外加荷載或變形作用下產(chǎn)生開裂，繼而引發(fā)滲水。因此，研究在外加荷載、變形作用下仍能起到較好抗?jié)B作用的材料具有十分重要的意義。理論研究與工程實(shí)踐均證明，使用具有韌性的水泥基材料進(jìn)行防滲加固，可有效避免建筑產(chǎn)生變形時(shí)滲漏的發(fā)生。

2 ECC 用于防滲加固的應(yīng)用現(xiàn)狀

高延性水泥基復(fù)合材料（Engineering Cementitious Composite, ECC）是 Li 等[4]于 1998年提出的新型建筑材料，極限抗拉應(yīng)變可達(dá) 3% 以上，有效克服了混凝土的脆性開裂問題。此外，ECC 開裂后的裂縫細(xì)密，根據(jù) ECC 的滲透理論[5]，多條細(xì)密裂縫比一條普通裂縫具有更低的滲透率。ECC 的這些力學(xué)特性使其具有用于防滲加固的潛力。

目前國外已有許多關(guān)于使用 ECC 進(jìn)行防滲加固的研究，在實(shí)際工程中也得到了廣泛應(yīng)用，例如美國蒙大拿州灌渠修復(fù)工程[6]，日本廣島 Mitaka 水壩水庫修復(fù)工程[7]，日本 Shiga 縣灌溉渠工程[8]等。2003年，使用超過 60 a 的日本廣島 Mitaka 水壩出現(xiàn)了多處開裂、滲水的情況。為排除安全隱患，工程師在經(jīng)過調(diào)研后決定使用噴射 ECC 對(duì)水壩表面進(jìn)行維修，并在 500 m2的混凝土水壩表面上噴射了一層 30 mm 厚的 ECC 作為覆蓋層，如圖 1 所示；使用 ECC 加固后，有效防止了水流對(duì)水壩的侵蝕，從而保證水壩在水流作用下的耐久性。2005年，日本 Shiga 縣的灌溉渠使用 ECC 抹面加固和噴射加固兩種方法進(jìn)行了防滲加固；同時(shí)作為對(duì)照，部分區(qū)域使用了高強(qiáng)聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿進(jìn)行防滲加固。若干年后對(duì)該加固工程的調(diào)查結(jié)果表明，使用高強(qiáng)聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿加固部位均出現(xiàn)了較為明顯的裂縫，而使用兩種 ECC 加固方法的部位都沒有出現(xiàn)肉眼可見的裂縫。

圖1 ECC噴射面層修補(bǔ)水壩

3 ECC 抗?jié)B性能的試驗(yàn)與計(jì)算驗(yàn)證

3.1 ECC 力學(xué)性能測(cè)試

本文使用表 1 所示的配合比配制 ECC，拌和時(shí)采用纖維后加法。使用的具體材料為海螺牌 PO42.5 級(jí)水泥、I 級(jí)粉煤灰、粒徑小于 0.2 mm 的細(xì)石英砂、PCA 型聚羧酸鹽類減水劑、日本 KURALON K-II RECS15×12 型 PVA 纖維。

表1 ECC 配合比

ECC 抗拉試驗(yàn)共制作 3 個(gè)抗拉試件，采用兩端粗、中間細(xì)的狗骨形試件，且截面變化處為平滑的圓弧以防止應(yīng)力突變導(dǎo)致開裂，試件尺寸為 330 mm×60 mm×13 mm，細(xì)部尺寸如圖 2 所示?？箟涸囼?yàn)共制作 3 個(gè)抗壓試件，采用 50 mm×50 mm×50 mm 的立方體試塊。

圖2 ECC 抗拉試驗(yàn)試件

抗拉試驗(yàn)的應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖 3 所示，開裂后的 ECC 試件裂縫發(fā)展情況如圖 4 所示，ECC 的力學(xué)性能如表 2 所示。

圖3 抗拉試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 開裂后的ECC試件

表2 ECC力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可以看出，與普通混凝土相比，ECC 具有很高的極限拉應(yīng)變，體現(xiàn)了優(yōu)越的抗變形能力。由圖 4 可看出，開裂后的 ECC 試件的裂縫十分細(xì)密，根據(jù)水泥基材料的滲透理論，說明 ECC 在抗?jié)B性能方面明顯優(yōu)于普通混凝土，可作為防滲加固材料使用。

3.2 裂縫寬度分析

傳統(tǒng)混凝土為脆性材料，極限抗拉應(yīng)變通常只有 0.01% 左右，且開裂時(shí)一般是從一條主裂縫處斷裂?；?Wang 等[9]對(duì)開裂后混凝土的滲透率進(jìn)行研究得到的滲透率–裂縫寬度曲線，當(dāng)混凝土裂縫寬度超過 0.1 mm 時(shí)，滲透率急劇增加；達(dá)到 0.2 mm 時(shí)，滲透率超過 10-8m/s。

由表 2 和圖 4 可以看出，ECC 開裂時(shí)的裂縫分布十分細(xì)密，在試驗(yàn)過程中，當(dāng)拉應(yīng)變達(dá)到 1% 時(shí)量測(cè)的裂縫寬度約為 0.05 mm。根據(jù) GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》要求，防水混凝土裂縫寬度不得大于 0.2 mm，因此可以認(rèn)為即使 ECC 的拉應(yīng)變?cè)谶_(dá)到 1% 時(shí)，其裂縫寬度仍能滿足規(guī)范要求，體現(xiàn)了 ECC 在防滲加固中的優(yōu)勢(shì)。

3.3 滲水量計(jì)算驗(yàn)證

根據(jù)規(guī)范要求，防水混凝土結(jié)構(gòu)厚度不得少于 250 mm，且對(duì)四級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)，任意100 m2防水面積上的平均漏水量不大于 4 L/(m2·d)。

以往研究[5]表明，ECC 的滲透曲線可由式（1）擬合。

式中：k—單位面積的滲透率，表示單位面積中所有裂縫滲透率之和，m/s；

ε—應(yīng)變，%。

由式（1）可得，在 1% 的應(yīng)變水平下，ECC 滲透率約為 3.77×10－8m/s。

假設(shè) ECC 層厚度為 250 mm，積水深度為 0.25 m。根據(jù)式（2）可得 ECC 在 1% 應(yīng)變下的平均漏水量為 3.25 L/(m2·d)。

式中：V—滲透水的體積；

A—水流法向面積；

t∫—水滲透時(shí)間；

h0—積水深度，m；

Lt—水流方向的材料厚度。

以上計(jì)算證明，在 1% 應(yīng)變下，250 mm 厚的 ECC 板仍能在 0.25 m 高的水壓下符合四級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)以往研究中的混凝土滲透率-裂縫寬度曲線[9]，混凝土裂縫寬度達(dá)到 0.2 mm 左右時(shí)，應(yīng)變遠(yuǎn)低于 1%，其滲透率在 10－8m/s 數(shù)量級(jí)，與 ECC 在 1% 應(yīng)變下的滲透率相近。由此可見， ECC 在大變形時(shí)仍能保持良好的抗?jié)B性能。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了我國建筑滲漏問題以及 ECC 用于工程防滲加固的應(yīng)用現(xiàn)狀，并通過一組 ECC 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)對(duì)其受拉應(yīng)變及受拉破壞后產(chǎn)生的裂縫形態(tài)進(jìn)行了研究，據(jù)此對(duì) ECC 裂縫寬度及滲水量與普通混凝土進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了使用 ECC 進(jìn)行防滲加固比普通混凝土有明顯優(yōu)勢(shì)。