摘要:针对地铁工程不同于地面建筑的特点,提出地铁防水应动态适应不断变化的地下工程环境,进行动态防水;并从材料和工艺两个方面分析了如何实现地铁工程的动态防水。关键词:地铁工程;动态防水
地铁防水与地面建筑防水相比具有以下特点:第一,地铁建造期和运营期内围岩应力、变形都处于不断调整中,由于地层围岩的不均匀性,导致围岩应力、变形沿隧道纵向和环向的分布不均匀。第二,地铁结构通常建于地下水位以下,结构被有压地下水所包围,防水材料稍有破损就可能导致渗漏,在水压力作用下渗漏量和渗漏范围有加大趋势。第三,地铁开挖、支护面不规则,导致防水层敷设面凹凸不平,这要求防水材料必须具有较大的变形能力以适应不规则结构面。第四,初期支护和二次衬砌在围岩的作用下,也处于不断变形中,防水层必须具有适应其变形的能力。因此,地下结构防水较地面建筑防水更复杂,可控制性更差,这就要求防水材料及防水结构能动态地适应不断变化的地下工程环境,从而达到动态防水的目的。
1动态防水理念及特性
所谓动态防水,就是根据渗入地铁结构的地下水情况或结构的变形情况,依靠结构及防水材料自身特点或采用特殊工艺措施,适时地进行主动防水。动态防水是根据地下结构的动态特性提出来的,笔者认为其特性主要体现在以下几点:
1)防水的自我调节性
自我调节性能是指防水材料根据外部环境情况的变化,自我调节其物理、化学性能,达到最佳防水状态的能力。其主要表现在以下几个方面:①利用材料的物理性能止水,包括材料的吸水膨胀特性、渗透扩散特性、抗拉压能力及耐伸缩疲劳性等;②利用材料的化学反应性能止水,包括材料与水反应结晶沉淀、吸水生成胶粘体及耐侵蚀性物质等;③利用材料的构造性能止水,如采用可排水式止水带,其自身携带的排水管可将外部水排入排水设施,消除作用在止水带上的外水压力。
2)适应结构变形的能力
由于支护结构面凹凸不平,防水材料铺挂后,在混凝土浇注过程中会对防水材料产生较大的张拉应力,同时,外水压力的存在也会对材料施加较大张拉作用力。另一方面,对于粘附型防水材料,围岩变形导致支护基面混凝土产生开裂或内衬混凝土开裂,在开裂区域对防水层产生应力集中,这些都要求防水材料具有较大的适应变形的能力。材料的变形适应能力包括:①改善自身的抗拉强度来抵抗外荷载作用;②提高自身的延伸率来适应较大的结构变形。
3)材料本身的自我修复能力
防水材料在施工过程中可能会被基面尖锐物体刺破;结构变形超过材料变形能力时,防水材料会开裂,此时,需要防水材料在发生微小损伤的情况下具有自我修复功能,及时封闭损伤部位,发挥正常防水功能。
2动态防水的分类
可简单地将动态防水分为材料动态防水和结构工艺动态防水,如图1所示。材料动态防水是利用和发挥某些材料在防水方面的某些优势,达到有效堵水的目的;结构工艺动态防水就是通过采取某些工艺措施,来控制防水层外部水环境,为更好地发挥防水材料的性能创造有利条件。2.1材料动态防水
1)利用材料的水化学反应特性
结构混凝土或防水材料中的化学成分与水等外界物质发生化学反应,生成体积较大的新成分,逐渐沉积于材料裂缝位置,填充微小裂纹空隙,从而达到堵塞渗水通道的目的。混凝土裂缝的自愈现象是混凝土中的化学成分与水、空气发生化学反应,自动堵塞裂缝渗水的例子,其原理是混凝土裂缝处的CaO与水化合形成Ca(OH)2,游离的Ca(OH)2溶解于水,并沿裂缝向洞内浸出,与洞内空气中的CO2发生反应,形成体积较大的CaCO3白色沉淀物;CaCO3白色沉淀物在裂缝内部则封闭裂缝,在结构表面则形成白色斑痕。当裂缝宽度在0.1～0.2mm左右,水头压力不大(水头15～20m)时,容易出现自愈现象,结构渗漏随时间而逐渐减缓直至全部自封。当外水压力大或裂缝宽度超过0.2～0.3mm时,裂缝渗漏量会逐渐加大,乃至发展为严重渗漏水,因此此类裂缝一般不会自愈。
2)利用材料的遇水膨胀特性
材料的遇水膨胀特性是指材料中含有吸水性物质,遇水后能吸收周围的水分,使体积明显胀大,从而达到挤压裂缝空隙、堵塞渗水通道的目的。遇水膨胀是该类材料的一种物理属性,常见的遇水膨胀橡胶就是这种材料,通常用于制作止水条及止水带。以BW型止水条为例,它是以橡胶、无机及有机吸水材料、高粘性树脂等十余种材料经密炼、混炼、挤制而成,断面为四方形的条状自粘性遇水膨胀型止水条。该材料依靠自身的粘性直接粘贴在混凝土施工缝界面,遇水后会逐渐膨胀,一方面堵塞可能存在的毛细孔隙,另一方面使其与混凝土界面的接触更加紧密,从而产生较大的抗水能力,具有优良的阻水抗渗性能。BW型止水条的膨胀率最高可达300%～500%,膨胀时间在1～4h,因此,要保证该类止水材料在施工前与水隔离,裂缝张开量不能超出材料的膨胀范围。
还如,膨润土防水板中的膨润土具有强大的膨胀力,遇水后会自动追寻缝隙,填补这些缝隙,使混凝土的密实性得到提高。由于和水分接触,膨润土颗粒迅速膨胀到原来大小的10～15倍,形成一层凝胶状态的不透水层。当施工、地震等因素影响使结构位移,造成膨润土板移动或断裂时,新暴露出来的膨润土也能由于水的作用而形成一层新的防水凝胶层。这种在地下闭合环境里形成的薄膜状防水凝胶层,具有粘胶特性,在地下构筑物外壁面的缝隙中发挥永久的自封能力,不因时间推移而失效。
3）利用材料较大的断裂延伸特性
从断裂延伸率的定义可以看出,防水材料的断裂延伸率越大,对建筑物基层裂缝的变形适应能力越强。对于塑料防水板材,铺挂施工时,由于支护面的不规则,断裂延伸率必须具有足够的富余量。对于粘附于基层上的喷涂类防水材料,当底材发生裂纹时,覆盖在底材上的防水层可以随同裂纹扩展一起伸长而不断裂,此种伸长称为零档伸长,它是构成材料动态防水性能的重要因素。零档伸长也可称为耐龟裂性或抗裂性。零档伸长和防水层的某些特征参数存在如下关系[1]:式中:L———零档伸长(cm);RS———防水层的伸长能力;d———防水层的厚度;TS———防水层对底材的剪切粘结力。其中:式中:σ———防水层的抗拉强度;E———防水层的延伸率;Em———防水层的断裂伸长率。
从式(1)可以看出,防水层越厚,弹性(伸长能力)越大,零档伸长就越大。相反,粘结强度越大,零档伸长就越小。对喷涂类防水材料,要取得较好的动态防水性能,一方面,在防水层厚度一定的条件下,必须选择那些弹性(拉伸强度和延伸率)好、粘结强度小、耐久性佳的材料;另一方面,在材料选定的情况下,可适当提高防水材料的施工厚度。当然,粘结强度的降低是在保证防水材料与基面的有效粘附条件下的降低。
(4)利用微细材料的渗入特性
防水材料的渗入特性是利用防水材料中的微细成分,以水为载体向混凝土内部渗透,在混凝土中形成不溶于水的结晶体,填塞毛细孔道,从而使混凝土致密防水。水泥基渗透结晶型防水材料是此类材料的典型代表,它是由水泥、石英砂、活性化学物质等材料组成的白色或灰色粉末状材料,在水的引导下,以水为载体,借助强有力的渗透性,在混凝土微孔及毛细管中进行传输、充盈,发生物化反应,形成不溶于水的枝蔓状结晶体,其结晶体与混凝土结构结合成封闭式的防水层整体,能堵塞来自任何方向的水流及其他液体侵蚀,其产品分为涂料型和防水剂两大类。水泥基渗透结晶型防水涂料是一种粉状材料,经与水拌和可配成刷涂或喷涂在水泥混凝土基面的浆料,亦可将其以干粉撒覆并压入未完全凝固的水泥混凝土表面;水泥基渗透结晶型防水剂则是一种掺入混凝土内部使用的粉状材料。
有试验表明,水泥基渗透结晶防水材料能长期承受强水压。在50mm厚的混凝土试件上涂刷两层水泥基渗透结晶防水材料,即可承受高达123.4m的水头压力(1.2MPa);将试件放置在户外半年,其渗透深度可达10～15cm左右,且渗透深度会随时间而逐渐增大;另外,如后期产生新的裂缝,此类材料中的催化剂遇水可激活内部呈休眠状态的活性物质,产生新的结晶体将缝隙堵塞,对小于0.4mm的裂缝都可自我修复[2]。
(5)利用材料的特殊结构构造形式
通过对防水材料的结构形式进行特殊设计,可消除外部环境对防水材料的不利影响,最大限度地发挥材料的防水功能。例如,可排水型复合橡胶止水带解决了现有内置式止水带存在的两点不足:一是不具备排水卸压能力,即当地下水从围岩渗入衬砌三缝并遇止水带阻碍时,渗水沿缝下渗较难,使止水带外侧水压增加而导致渗水绕止水带渗漏;二是混凝土凝结硬化过程中会出现一定的干缩,使止水带与其周围混凝土结合不够密实,容易造成渗水沿止水带与混凝土的界面渗出。可排水型复合橡胶止水带能通过自身带有的排水通道排水降压,并通过遇水膨胀橡胶条提高止水带与混凝土界面的抗渗能力,真正做到隧道堵排结合、无压防水。
2.2结构工艺动态防水
(1)结构缝隙设置遇水膨胀型防水材料
结构的“三缝”———施工缝、伸缩缝和沉降缝是渗漏水的多发地带,防水设计时,在这些缝隙间设置遇水膨胀型防水材料是十分必要的。通过该类材料的自身遇水膨胀挤密缝隙两壁,可达到堵水、截水的目的。
(2)控制结构外水压力
很多防水材料在水压较低的条件下,可以很好地堵水,但当水压升高到某一水平时便降低或失去防水作用,因此,控制结构外水压力在某一合理水平上,对发挥防水材料性能的作用较大。水压控制式的排水网络系统可以解决上述问题,通过在排水系统出水口设置水压控制式闸阀,当水压超过某一限值时,闸阀自动开启排水;当水压低于这一限值时,闸阀则自动关闭。另外,当外界渗水量较小和排水对环境不造成破坏时,可直接采用防排结合类型防水结构,消除作用在防水材料上的水压。
3几点注意事项
地铁结构动态防水主要通过发挥防水材料本身特有的防水性能来适应不断变化的外部环境,保持结构的防水能力,同时合理的防水构造形式及减少外部环境对防水材料影响的工程措施都有助于实现动态防水。具体实施时必须注意以下几点:
1)避免遇水膨胀型防水材料施作前遇水。遇水膨胀型防水材料在购买后要妥善存放在干燥阴凉处,铺挂粘贴时要严禁被水润湿,防止预先膨胀。在选材时,可选用缓膨胀型材料。
2)减小材料膨胀空间,加强周围约束。无论是遇水膨胀型防水材料,还是渗透结晶型防水材料,都是靠体积的膨胀来填充缝隙、堵塞渗水通道,达到止水目的的。通过采取工程措施控制混凝土结构裂缝宽度,对发挥防水材料的功能很重要;对明挖法外贴防水材料,加强外围约束强度也很必要;对暗挖法防水,对衬砌背后及内部空隙进行回填注浆,可减小潜在的膨胀空间;在“三缝”部位设置背衬材料,支顶和填充“三缝”空隙,约束防水材料沿缝的切向膨胀,对更大限度地发挥其沿缝垂向膨胀功能也是很必要的。
3)控制结构产生较大变形。以上讨论的防水材料的动态特性都是在结构微小变形的情形下发挥作用的,因此,要注意控制结构施作的合理时间和施工、养护期间过大的荷载作用。
4)注意防水材料特殊性能对结构的负面影响。任何事物有利必有弊,防水材料也是一样,选材时要认真分析特殊性能材料对混凝土结构的影响,分析其特性对其他物理化学性能的影响。
4结语
地铁动态防水是对地铁防水思路的新探索,它通过发挥防水材料的某些动态特性,结合结构工艺,来使防水材料的这些特性得到充分发挥,从而达到主动防水的目的。地铁动态防水的主角是防水材料,基础是合理、严密的结构防水工艺,关键是材料和工艺的有机结合。
参考文献
[1]程骁,俞志强.从材料的动防水性谈有变形裂缝地下工程墙面的防渗.中国建筑防水,1997(2):20-21
[2]吕康成,崔凌秋等.隧道防排水工程指南.北京:人民交通出版社,2004