高延性水泥基復合材料在混凝土防滲加固中的應用

陳 溪（上海市建筑科學研究院有限公司上海市工程結構安全重點實驗室， 上海 200032）

1 我國建筑滲漏問題與防滲加固現狀

根據中國建筑防水協會和北京零點市場調查與分析公司聯合發布的《2013年全國建筑滲漏狀況調查項目報告》[1]，我國建筑屋面滲漏率達 95.33%，地下建筑滲漏率達 57.51%，住戶滲漏率達 37.48%。在上海的 105 個建筑樣本中，存在地下室滲漏的比例為 52.38%，存在屋面滲漏的比例高達 100%。

我國絕大多數建筑均為鋼筋混凝土結構，混凝土材料或構件的滲水對建筑的安全性、適用性和耐久性均有極大威脅[2]。屋面、地下室等部位產生滲漏會造成使用者的經濟財產損失，影響建筑的適用性；結構構件的滲漏會使鋼筋銹蝕，造成建筑耐久性下降；此外，鋼筋銹蝕還會導致結構承載能力的下降，對建筑的安全性產生巨大威脅。

目前，混凝土結構防滲加固主要使用聚合物砂漿、防水卷材、有機防水涂料等材料[3]，一定程度上起到了提高混凝土抗滲性能的作用。然而，現有防滲加固材料對混凝土結構的力學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生開裂，繼而引發滲水。因此，研究在外加荷載、變形作用下仍能起到較好抗滲作用的材料具有十分重要的意義。理論研究與工程實踐均證明，使用具有韌性的水泥基材料進行防滲加固，可有效避免建筑產生變形時滲漏的發生。

2 ECC 用于防滲加固的應用現狀

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

目前國外已有許多關于使用 ECC 進行防滲加固的研究，在實際工程中也得到了廣泛應用，例如美國蒙大拿州灌渠修復工程[6]，日本廣島 Mitaka 水壩水庫修復工程[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 水壩出現了多處開裂、滲水的情況。為排除安全隱患，工程師在經過調研后決定使用噴射 ECC 對水壩表面進行維修，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行了防滲加固；同時作為對照，部分區域使用了高強聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿進行防滲加固。若干年后對該加固工程的調查結果表明，使用高強聚合物水泥砂漿和普通水泥砂漿加固部位均出現了較為明顯的裂縫，而使用兩種 ECC 加固方法的部位都沒有出現肉眼可見的裂縫。

圖1 ECC噴射面層修補水壩

3 ECC 抗滲性能的試驗與計算驗證

3.1 ECC 力學性能測試

本文使用表 1 所示的配合比配制 ECC，拌和時采用纖維后加法。使用的具體材料為海螺牌 PO42.5 級水泥、I 級粉煤灰、粒徑小于 0.2 mm 的細石英砂、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 抗拉試驗共制作 3 個抗拉試件，采用兩端粗、中間細的狗骨形試件，且截面變化處為平滑的圓弧以防止應力突變導致開裂，試件尺寸為 330 mm×60 mm×13 mm，細部尺寸如圖 2 所示。抗壓試驗共制作 3 個抗壓試件，采用 50 mm×50 mm×50 mm 的立方體試塊。

圖2 ECC 抗拉試驗試件

抗拉試驗的應力–應變曲線如圖 3 所示，開裂后的 ECC 試件裂縫發展情況如圖 4 所示，ECC 的力學性能如表 2 所示。

圖3 抗拉試驗應力-應變曲線

圖4 開裂后的ECC試件

表2 ECC力學性能試驗結果

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變，體現了優越的抗變形能力。由圖 4 可看出，開裂后的 ECC 試件的裂縫十分細密，根據水泥基材料的滲透理論，說明 ECC 在抗滲性能方面明顯優于普通混凝土，可作為防滲加固材料使用。

3.2 裂縫寬度分析

傳統混凝土為脆性材料，極限抗拉應變通常只有 0.01% 左右，且開裂時一般是從一條主裂縫處斷裂。基于 Wang 等[9]對開裂后混凝土的滲透率進行研究得到的滲透率–裂縫寬度曲線，當混凝土裂縫寬度超過 0.1 mm 時，滲透率急劇增加；達到 0.2 mm 時，滲透率超過 10-8m/s。

由表 2 和圖 4 可以看出，ECC 開裂時的裂縫分布十分細密，在試驗過程中，當拉應變達到 1% 時量測的裂縫寬度約為 0.05 mm。根據 GB 50108—2008《地下工程防水技術規范》要求，防水混凝土裂縫寬度不得大于 0.2 mm，因此可以認為即使 ECC 的拉應變在達到 1% 時，其裂縫寬度仍能滿足規范要求，體現了 ECC 在防滲加固中的優勢。

3.3 滲水量計算驗證

根據規范要求，防水混凝土結構厚度不得少于 250 mm，且對四級防水標準，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—應變，%。

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

假設 ECC 層厚度為 250 mm，積水深度為 0.25 m。根據式（2）可得 ECC 在 1% 應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∫—水滲透時間；

h0—積水深度，m；

Lt—水流方向的材料厚度。

以上計算證明，在 1% 應變下，250 mm 厚的 ECC 板仍能在 0.25 m 高的水壓下符合四級防水標準要求。

根據以往研究中的混凝土滲透率-裂縫寬度曲線[9]，混凝土裂縫寬度達到 0.2 mm 左右時，應變遠低于 1%，其滲透率在 10－8m/s 數量級，與 ECC 在 1% 應變下的滲透率相近。由此可見， ECC 在大變形時仍能保持良好的抗滲性能。

4 結語

本文總結了我國建筑滲漏問題以及 ECC 用于工程防滲加固的應用現狀，并通過一組 ECC 力學性能實驗對其受拉應變及受拉破壞后產生的裂縫形態進行了研究，據此對 ECC 裂縫寬度及滲水量與普通混凝土進行了對比分析，驗證了使用 ECC 進行防滲加固比普通混凝土有明顯優勢。