綠色地下工程墻地面滲水隔水排放材料系統(tǒng)制備

胡 豪，鄧躍全，賈 彬，張 輝，王 姚，楊 威（.西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 綿陽600；.微納米顆粒應(yīng)用研究科技國際合作實(shí)驗(yàn)室， 四川 綿陽 600）

由于水文地質(zhì)及擋墻厚度不夠的原因，所以地下工程深入地下易造成地下工程墻面和地面滲水問題，既對(duì)墻體造成了破壞，又影響了墻體自身的美觀，對(duì)地下工程通訊和通風(fēng)設(shè)施造成影響和破壞[1-4]。現(xiàn)有的方法一般是防水堵漏，但“堵”并非一種有效解決方式，需要提出“疏”的方法，標(biāo)本兼治地解決問題。透水混凝土是一種能“疏”的城市積水排放手段，并可借此打造“海綿城市”，消除城市內(nèi)澇，增加地表含水量[5-7]。其由集料（多采用單粒級(jí)或間斷粒級(jí)）、水泥、增強(qiáng)劑、水等組成，一薄層水泥漿包覆在粗集料表面，相互黏結(jié)而形成孔穴均勻分布的多孔蜂窩狀結(jié)構(gòu)[8-9]。一般采用大粒徑集料（粒徑可達(dá) 25 mm），雖然透水率可達(dá)10～15 mm/s[10-13]，可快速有效地排除雨水，但其厚度大、用材多，適合于地上地面工程的排水。但地下工程滲水量一般都不大且穩(wěn)定，需要特制低滲水小集料的薄層透水砂漿，在墻腳開排水溝導(dǎo)入排水系統(tǒng)，從而低成本解決其滲水排出問題，同時(shí)為保持墻面干燥，需要采用防水砂漿進(jìn)行面層處理[14-17]。一般的防水丙烯酸或者聚氨酯乳液有刺激性單體揮發(fā)，影響健康。瀝青不但有有毒氣體放出，而且顏色較黑，影響感觀，不宜用作面層裝飾材料；聚乙烯醇水溶膠沒有氣味，常用作食品膠黏劑，具有較好的環(huán)保性能[18-20]。本文提出一種綠色的地下工程墻地面滲水隔水排放材料系統(tǒng)的制備方法，制備了相應(yīng)的透水混凝土、透水砂漿、防水砂漿，結(jié)合滲水量設(shè)計(jì)了透水砂漿層厚度以及排水溝透水混凝土層截面積計(jì)算方法，采用無味的聚乙烯醇水泥基砂漿面層防水材料。最終可隔絕水的滲出，并起到美觀的作用，不失為一種綠色的國防人防等地下工程墻面滲水問題解決方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原料及試劑

（1）水泥：普通 325 號(hào) 或者 425 號(hào)硅酸鹽水泥。

（2）集料粒徑范圍為 1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm。

（3）MS-400 型羥丙基纖維素醚，山東戈麥斯化工有限公司。

（4）FY 型木質(zhì)纖維素，山東阜盈生物科技有限公司。

（5）C-150 型聚乙烯醇，廣東中聯(lián)邦精細(xì)化工有限公司。

1.2 儀器

（1）JBL 型干粉砂漿混合機(jī)，安丘市華宇建材機(jī)械廠。

（2）CMT5105 型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，優(yōu)鴻測控技術(shù)(上海)有限公司。

（3）YP 型電子天平，常州宏衡電子儀器廠。

（4）秒表計(jì)時(shí)器。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 地下工程排水溝透水混凝土的制備方法

在干粉砂漿混合機(jī)內(nèi)先加入水泥和集料（粒徑范圍為5～10 mm），再依次加入羥丙基纖維素醚和木質(zhì)纖維素。攪拌均勻后，用水調(diào)配至適合施工的狀態(tài)，備用。

1.3.2 地下工程墻面透水砂漿的制備方法

在干粉砂漿混合機(jī)內(nèi)先加入水泥和集料（粒徑范圍為3～5 mm），再依次加入羥丙基纖維素醚和木質(zhì)纖維素。攪拌均勻后，用水調(diào)配至適合施工的狀態(tài)，備用。

1.3.3 地下工程凈味聚乙烯醇水泥防水砂漿的制備方法

聚乙烯醇水溶膠的制備：取一份聚乙烯醇加入 18 份水中，水浴加熱至 85～95 ℃，待溶液至透明狀態(tài)，制得聚乙烯醇水溶膠，備用。

在干粉砂漿混合機(jī)內(nèi)先加入 18.7% 水泥和 55.9% 集料（粒徑范圍為 1～3 mm），再依次加入 0.1% 纖維素增稠劑、0.3% 木質(zhì)纖維素，攪拌均勻后，再加入 25% 的聚乙烯醇水溶膠攪拌至均勻，最后加適量的水調(diào)配至適合施工的狀態(tài)，備用。

1.3.4 含水率的測試方法

先稱干重的質(zhì)量，用水浸泡一段時(shí)間后，再稱濕重的質(zhì)量，最后計(jì)算含水率，其計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：濕重、干重，g。

1.3.5 透水率和孔隙率的測試方法

根據(jù)以下計(jì)算式計(jì)算透水率和孔隙率，其中V和V0為已知量，V＊、t始和t終為待測量，其計(jì)算公式如式（2）、式（3）所示。

式中：r—模具的半徑，m；

式中：V0—材料的孔隙體積，mL；

V＊—材料的表觀體積，mL。

1.3.6 強(qiáng)度的測試方法

按照 GB/T 17671—1999 《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO 法）》進(jìn)行測試。

1.4 地下工程墻地面滲水隔水排放系統(tǒng)的構(gòu)成

本法地下工程墻地面滲水隔水排放系統(tǒng)的構(gòu)成示意如圖1 所示。

圖 1 地下工程墻地面滲水隔水排放系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖

在滲水墻面上做透水砂漿，墻面與地面連接部位開挖一條緊靠墻腳的排水溝。隔一定距離，開挖一條連接對(duì)面的排水溝（排水溝內(nèi)做透水混凝土，并與墻面透水砂漿連通），與地下工程原有的排水溝連通。墻面層的滲水通過透水砂漿和透水混凝土流入原排水溝排出，采用防水砂漿對(duì)透水砂漿和透水混凝土層進(jìn)行蓋面處理，保持墻面干爽，從而消除墻面滲水的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 排水溝透水混凝土的制備

一般情況下，地下工程滲水量不大，因此設(shè)計(jì)透水混凝土透水率略小一些。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加水量的影響最為顯著，因此固定集料的粒徑范圍為 5～10 mm，木質(zhì)纖維素、羥丙基纖維素醚、水泥和集料的含量、試驗(yàn)水的加入量對(duì)排水溝透水混凝土性能的影響結(jié)果如表 1 所示。

表 1 水的加入量對(duì)排水溝透水混凝土性能的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水含量由 6.5% 增至 9.1%，含水率逐漸增加，孔隙率先減小后增大，透水率基本呈減小趨勢，抗折強(qiáng)度由 2.1 MPa 增至 3.0 MPa，抗壓強(qiáng)度由 7.5 MPa 增至 10.5 MPa，可達(dá)到 C 7.5、C 10 等級(jí)的要求。這是因?yàn)樗暮吭蕉啵酀{體會(huì)增多，水化越好。當(dāng)水泥含量為 14%、水含量為 6.5% 時(shí)，透水率、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為 7.1 mm/s、2.101 8 MPa、7.462 7 MPa，獲得的排水溝透水混凝土各性能較為合適。

2.2 墻面透水砂漿的制備

此次試驗(yàn)需制備一種適合于地下工程墻面低滲水用的透水砂漿。選用粒徑范圍為 3～5 mm 的小集料，達(dá)到低厚度、低成本的效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥和水的加入量對(duì)強(qiáng)度和透水率影響較大，因此分別試驗(yàn)了 2 個(gè)因素加入量對(duì)墻面透水砂漿性能的影響。

2.2.1 水泥的加入量對(duì)墻面透水砂漿性能的影響分析

固定木質(zhì)纖維素和羥丙基纖維素醚的含量，水的加入量為調(diào)配砂漿適合狀態(tài)，水泥和集料的總量保持為 91%，并以此確定集料的加入量，試驗(yàn)水泥的加入量對(duì)墻面透水砂漿性能的影響，結(jié)果如表 2 所示。

表 2 水泥的加入量對(duì)墻面透水砂漿性能的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水泥含量由 10% 增至 23%，含水率先增大后減小，孔隙率和透水率都逐漸減小，抗折、抗壓強(qiáng)度均逐漸增大。這是因?yàn)樗嗪吭蕉啵现g的黏接程度越強(qiáng)，表面孔隙大部分被堵塞。當(dāng)水泥含量為13%～14% 時(shí)，透水率急劇下降，出現(xiàn)質(zhì)的突變，變化范圍很大。考慮到透水率的要求，當(dāng)水泥含量為 10%～14%時(shí)較適宜，透水率在 1.0～1.6 mm/s，抗壓強(qiáng)度為 4.6～8.6 MPa，可達(dá)到 M 2.5、M 5、M 7.5 等級(jí)的要求。

2.2.2 水的加入量對(duì)墻面透水砂漿性能的影響分析

考慮到透水率的要求，分別在水泥加入量為 11% 和14% 的情況下，試驗(yàn)水的加入量對(duì)墻面透水砂漿性能的影響，結(jié)果如表 3 和表 4 所示。

表 3 水的加入量對(duì)墻面透水砂漿性能的影響（水泥加入量 11%）

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水含量由 7.4% 增至 9.3%，含水率總體增大，透水率和孔隙率均逐漸減小，抗折強(qiáng)度保持在 2.0 MPa 左右，抗壓強(qiáng)度在 4.7～6.0 MPa，可達(dá)到 M 2.5、M 5 等級(jí)的要求。

表 4 水的加入量對(duì)墻面透水砂漿性能的影響（水泥加入量 14%）

由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著水含量由 7.4% 增至 9.1%，含水率總體增大；孔隙率逐漸減小，透水率先增大后減小，抗折強(qiáng)度為 1.8～3.0 MPa，抗壓強(qiáng)度為 7.5～8.6 MPa，可達(dá)到 M 2.5、M 5、M 7.5 等級(jí)的要求。

水含量越多，吸水孔就越多，水化程度就越好，砂漿之間結(jié)合得更加緊密，強(qiáng)度增大而透水率減少。

總體而言，水含量對(duì)墻面透水砂漿的透水率影響較大。當(dāng)水泥含量為 14%、水含量為 8.3% 時(shí)，透水率、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為 1.40 mm/s、1.868 5 MPa、7.598 4 MPa，獲得的墻面透水砂漿各性能較為合適。

2.3 聚乙烯醇水泥防水砂漿的制備

試驗(yàn)表明，采用防水砂漿對(duì)透水砂漿和透水混凝土層進(jìn)行蓋面處理，可隔絕水的滲出墻面，使墻面層的滲水通過透水砂漿和透水混凝土流入原排水溝排出，生態(tài)無味，可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.4 計(jì)算

根據(jù)墻面的滲水情況計(jì)算墻面透水砂漿層的厚度 h墻透水砂漿 及排水溝透水混凝土層的截面積s溝透水混凝土，步驟如下所示。

（1）墻面透水砂漿層的厚度計(jì)算如式（4）、式（5）所示。

由（4）（5）式得：h墻透水砂漿=k墻s墻/(q墻透水砂漿L墻透水砂漿)式中：k墻—墻面層的滲水率，m/s；

s墻—墻面層的面積，m2；

q墻透水砂漿—墻面透水砂漿層的透水率，m/s；s墻透水砂漿—墻面透水砂漿層的面積，m2；L墻透水砂漿—墻面透水砂漿層的寬度，m。（2）排水溝透水混凝土層的截面積的計(jì)算如式（6）所示。

由式（6）得：s溝透水混凝土=q墻透水砂漿s墻透水砂漿/q溝透水混凝土

式中：q溝透水混凝土—排水溝透水混凝土層的透水率，m/s。

2.5 機(jī)理分析

透水混凝土材料的形貌圖如圖 2 所示，透水砂漿材料的形貌圖如圖 3 所示。

圖 2 透水混凝土材料的形貌圖

圖 3 透水砂漿材料的形貌圖

影響透水率的因素主要有 3 個(gè)。

（1）集料粒徑的大小、水泥的含量和水的含量，集料的粒徑越大，形成的孔洞尺寸越大，透水率也相應(yīng)增大。

（2）水泥含量越多，表面孔隙大部分被堵塞，各顆粒間形成的孔洞較少，呈致密狀態(tài)，集料之間的粘接程度越強(qiáng)，強(qiáng)度增大而透水率減小。

（3）水的含量對(duì)透水率影響較大，水含量越多，水化就越好，砂漿之間呈緊密狀態(tài)，導(dǎo)致透水率減小，反之亦然。

3 結(jié) 語

針對(duì)地下工程墻地面的滲水問題，提出一種綠色的地下工程墻地面滲水隔水排放材料系統(tǒng)的制備方法，制備了相應(yīng)的透水混凝土、透水砂漿、防水砂漿。試驗(yàn)表明，集料粒徑的大小、水泥的含量和水的含量對(duì)透水性能影響較大。

制備排水溝透水混凝土材料，集料粒徑范圍為 5～10 mm、水含量為 6.5%、水泥含量為 14%，相應(yīng)的透水率、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為 7.1 mm/s、2.101 8 Mpa、7.462 7 MPa。

（2）制備墻面透水砂漿材料，集料粒徑范圍為 3～5 mm、水含量為 8.3%、水泥含量為 14%，相應(yīng)的透水率、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為 1.40 mm/s、1.868 5 MPa、7.598 4 MPa。

（3）采用無味的聚乙烯醇水泥基砂漿面層防水材料，生態(tài)環(huán)保，符合防水要求。

（4）結(jié)合滲水量設(shè)計(jì)了透水砂漿層厚度以及排水溝透水混凝土層截面積計(jì)算方法。

（5）獲得的國防人防等地下工程墻面滲水問題的解決方法，生態(tài)綠色，可靠性強(qiáng)，應(yīng)用價(jià)值突出。