自防水混凝土在城市地下結構工程中的應用

郭 瑞，祁 濤

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

隨著現代化城市的高速發展，為集約化利用城市地上、地下的空間資源，減少道路的反復開挖，利于管線增容擴容，有利于采用監視系統進行管線綜合管理等，市政公用管線遵循統一規劃、建設、管理，越來越多地采用地下管線廊道模式的要求。為保證管線的安全性和穩定性，地下主體結構的防滲性能尤為重要。常規地下結構工程的防水設防要求一般為普通防水混凝土外包防水卷材的形式，該防水組合措施在一定程度上可提升結構的防滲性能，但存在施工程序繁瑣、增加工期且在建筑物回填時極易造成破損等問題。

根據工程實際，將自防水混凝土直接應用于城市地下結構工程的澆筑，取消了外包防水卷材，在保證防滲性能的前提下，可同時節約工期和造價。

2 自防水混凝土具有的主要特性

2.1 防水機理

自防水混凝土在攪拌過程中添加PNC-803添加劑，其可與混凝土拌和物中的水、Ca(0H)2發生反應，生成不溶于水的結晶體，填充并封堵毛細孔和收縮裂縫，使混凝土因而變得致密，從而為混凝土提供有效和持久的防水保護[1]。無水時，活性成分處于休眠狀態；當其再與水接觸時就會被重新激活，產生新的晶體，自動修復微裂縫，使混凝土得到永久的防水保護。

2.2 材料特點

通過對類似工程的應用情況進行總結得知：自防水混凝土主要具有以下特點[2-4]：

(1)呼吸作用。通過生成晶體密實混凝土，防止任何方向水的滲入，但并不阻擋空氣分子的通過，不讓水蒸氣積聚，混凝土仍能保持正常的透氣、呼吸作用。

(2)自修復能力。當混凝土結構出現微細裂縫(寬度不超過0.4 mm)且有水滲入時，添加劑會再次反應生成新晶體，自動修復裂縫并填充孔隙。

(3)保護作用。添加劑結晶具有密實混凝土的功能，可最大程度降低化學物質、離子和水分的侵入，使混凝土、鋼筋免受侵蝕。

(4)施工操作簡單。添加劑在混凝土攪拌過程中加入，不受氣候條件的限制，極大程度地提高了施工效率。

(5)經濟實用性。可完全代替傳統的防水做法，免去了外防水，既縮短了工期，又能節約造價。

3 工程應用

3.1 工程概況

成都天府新區漢州路綜合管廊工程為城市地下結構工程，地下埋深5～8 m，主體結構凈空為4 m×3 m，結構壁厚0.4 m，要求采用C40P8混凝土。入廊管線包括電力、通信、給水、中水等，結構設計防水等級為2級，防水標準為不允許漏水、結構表面可有少量濕漬。

根據地下工程防水技術規范(GB50108-2008)，其他工程類二級防水標準為：總濕漬面積不應大于總防水面積的2/1 000；任意100 m2防水面積上的濕漬不超過3處；單個濕漬的最大面積不大于0.2 m2。

3.2 配合比設計及驗證

自防水混凝土中加入添加劑的參考摻量為每m3混凝土中水泥重量的0.8%～1.5%[1]，具體摻量應結合混凝土強度等級、結構防水等級等經試驗確定。

首先通過室內試驗，在普通混凝土配合比基礎上作添加劑最優摻量分析，然后在現場進行模型水壓試驗用以觀測滲水情況，驗證摻加特定添加劑的自防水混凝土代替防水卷材作為綜合管廊輔助防滲材料的可行性。

(1)初始配合比。根據設計要求，混凝土等級為C40，結合當地材料，經計算與試驗得知：C40普通混凝土配合比見表2。

根據工程所在地的實際情況，水泥選用P.O42.5普通硅酸鹽水泥；F-Ⅱ類粉煤灰；細骨料采用機制中砂；粗骨料為碎石、最大粒徑25 mm；PCA-1高效緩凝減水劑；HEA混凝土膨脹劑。

(2)摻量擬定。在C40普通混凝土配合比的基礎上，選取5組不同添加劑摻量的混凝土進行抗滲性能試驗，依次取水泥質量的0%、0.8%、1%、1.2%、1.4%。

(3)室內試驗。

①試驗設備。混凝土滲透儀：應符合現行行業標準混凝土抗滲儀(JG/T249)的規定，并應能使水壓按規定的要求穩定地作用在試件上。抗滲儀施加水壓力范圍應為0.1～2 MPa。

試模：采用上口內部直徑為175 mm、下口內部直徑為185 mm和高度為150 mm的圓臺體。

密封材料：采用石蠟加松香或水泥加黃油。

輔助設備：包括螺旋加壓器、烘箱、電爐、淺盤、鐵鍋和鋼絲刷等。

②試件的制作、養護、密封及安裝。按不同添加劑摻量的混凝土試驗配合比制作5組試樣，每組為6個試件。制作完成后成型24 h拆模，用鋼絲刷刷去兩端的水泥漿膜，送至標準養護室養護28 d，養護室的溫度為25 ℃，濕度≥95%。

表2 C40普通混凝土配合比表

在達到試驗齡期的前一天，從養護室取出試件并擦拭干凈。待試件表面晾干后用石蠟密封，在試件側面裹涂一層熔化、內加少量松香的石蠟，然后采用螺旋加壓器將試件壓入經過烘箱預熱過的試模中，使試件與試模底平齊，并在試模變冷后解除壓力。試模的預熱溫度以石蠟接觸試模緩慢熔化但不流淌為準。

③試驗步驟。試件備好后，啟動抗滲儀并開通6個試件下的閥門，使水從6孔中滲出，充滿試位坑，關閉抗滲儀，將密封好的試件安裝在抗滲儀上。

試驗時，水壓從0.1 MPa開始，以后每隔8 h增加0.1 MPa的水壓，并隨時注意觀察試件端面的情況。當6個試件中有3個試件表面出現滲水時即停止試驗，并記下此時的水壓力。

(4)室內試驗結果分析。根據普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準(GB/T 50082-2009)，混凝土的抗滲等級以每組6個試件中有3個試件未出現滲水時的最大水壓力乘以10確定，按下式計算：

P=10H-1

式中P為混凝土抗滲等級；H為6個試件中有3個試件滲水時的水壓力，MPa。

通過室內試驗并經計算，所取得的結果見表3。

表3 滲透試驗結果表

通過以上分析后認為：選取添加劑摻量為1%時，既可以節省材料，又能大幅度提高混凝土的抗滲性能。

(5)現場實體試驗。在工地現場預制摻1%的添加劑自防水混凝土綜合管廊結構，通過水壓試驗驗證混凝土結構的防滲效果。

①實體模型。采用凈空尺寸為2 m(寬)×2 m(高)×2 m(長)的鋼筋混凝土結構，斷面形式為矩形。

②試驗步驟。混凝土結構分兩次澆筑成型，側墻施工縫之間采用中埋式普通鋼板防滲。

在混凝土結構側墻及頂板內共預埋了5根Φ10 cm預埋鍍鋅鋼管，單根長50 cm，外露15 cm；待混凝土結構施工完成等強后(28 d)，再接長Φ10 cm鍍鋅鋼管焊接至加壓主管上，通過一臺打壓泵向混凝土結構內的不同部位打壓，水壓從0.1 MPa開始，以后每隔8 h增加0.1 MPa水壓。

③試驗結果。現場水壓試驗結果表明：在壓力值持續加壓至1.2 MPa時，防水混凝土模型均未出現滲水情況且表面無濕漬。現場水壓試驗驗證了室內試驗結果的可靠性，即當添加劑摻量為1%時混凝土的抗滲等級至少可達P10，能夠滿足綜合管廊的設計防滲要求。

3.3 施工工藝

(1)原材料控制。嚴格按照試驗確定的配合比計算使用原材料，以確保混凝土強度與抗滲等級，同時避免浪費材料。

(2)拌和使用。添加劑的使用方法主要有3種，分別為[5]：

①攪拌站干拌法：在混凝土攪拌站，先將添加劑加入到石子和砂中，充分攪拌2～3 min后，再加入水和水泥攪拌均勻。

②攪拌站預拌法：在混凝土攪拌站，先將添加劑與水拌和成薄漿，倒入混凝土攪拌運輸車中攪拌均勻。

③工地現場摻加法：預拌混凝土時扣除制漿時的用水量，在混凝土運輸車到達工地現場時，將添加劑與水拌和成薄漿倒入混凝土攪拌車，充分攪拌5 min左右。

經實踐驗證，以上3種方法均能滿足要求，工程應用時可結合實際情況選用。

(3)混凝土澆筑。混凝土澆筑采用連續澆筑，澆筑時間不超過混凝土初凝時間。分層下料、分層振搗，每層澆筑厚度不超過30 cm。

采用混凝土泵車澆筑，入倉時注意泵車卸料口接近倉面，緩慢下料，避免擾動鋼筋或預埋件。混凝土振搗主要采用φ50插入式振搗器，局部輔以人工搗固。每點振搗時間以表面泛漿、混凝土表面不下沉或不冒氣泡為準；在振搗上一層混凝土時，插入下層中5～10 cm以消除兩層之間的接縫，同時在振搗上層混凝土時，需在下層混凝土初凝前進行。

混凝土澆筑至頂面后用平板振搗器振平，并采用圓盤抹光機粗抹一遍、精抹一遍，最后人工收面壓光。

(4)施工縫處理。按混凝土的硬化程度，采用鑿毛、沖毛或刷毛等方法清除老混凝土表層的水泥漿薄膜和松弱層并沖洗干凈，排除積水；待混凝土強度達到2.5 MPa后方可進行上層混凝土澆筑的準備工作；臨澆筑前，水平縫鋪一層2 cm厚、摻加添加劑的水泥砂漿，垂直縫刷一層摻加添加劑的水泥凈漿。

(5)拆模養護。混凝土澆筑完成后，在收漿后及時覆蓋毛氈布并灑水養護，養護時間不得少于28 d，同時派專人做好養護記錄。覆蓋毛氈布時不得損傷或污染混凝土表面。為防止風吹擾動影響養護效果，毛氈布四周均采用沙袋壓穩。

待混凝土強度能保證其表面及棱角不致因拆模而受損壞時方可拆除(一般在混凝土抗壓強度達到2.5 MPa時拆除)，模板拆除按先支后拆、后支先拆的順序進行，主要采用人工拆除。

3.4 質量注意事項

(1)根據配合比結果，對各原材料的重量需嚴格控制，尤其是在工地現場摻加添加劑時，需采用電子秤稱重并安排專人復核。

(2)添加劑在存放時需注意通風，且需存放在干燥的地方。

(3)添加劑進場后需進行材料檢測，滿足性能指標后方可使用。

(4)混凝土澆筑前，需在現場實測坍落度，待其滿足要求后方可入倉澆筑。

(5)混凝土澆筑過程中，必須保證振搗質量，嚴格控制來料速度和澆筑時間，確保混凝土在初凝時間內完成澆筑。

3.5 應用效果分析

自防水混凝土的實際應用效果主要包括：

(1)防滲效果：在普通混凝土配合比基礎上，摻加1%的防水添加劑可達到P10等級，且工程實體無滲水及濕漬現像，完全滿足設計要求。

(2)工期效果：摻加1%的添加劑自防水混凝土可取代常規的防水形式，簡化了施工步驟，節約了施工時間。

(3)經濟效果：按1 km長雙倉綜合管廊結構(凈空4 m×3 m、壁厚0.4 m)考慮，摻加1%添加劑的自防水混凝土可比常規的外包防水卷材設計形式節約220萬元的投入。

4 結 語

摻加自防水混凝土應用于城市地下結構工程是一項意義重大的技術創新。經工程實踐應用表明：該材料的使用可保證工程結構的防滲性能，且能加快工程進度、節約工程造價，同時，該材料為一種無毒無公害的環保材料，值得類似工程推廣應用。