水泥基渗透结晶型防水材料在地下工程中的应用_水泥基渗透结晶型防水
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水泥基渗透结晶型防水材料在隧道工程中的应用
摘要：隧道工程防水技术一直都是个国内外研究难点问题，其中渗漏水原因主要集中在以下几个方面：防水构造设计与防水工程施工中均存在问题、防水材料的耐久年限普遍短于建筑工程的设计使用年限、以及地下水文环境复杂条件的影响等。基于水泥基渗透结晶型防水材料良好的混凝土抗渗性、抗碳化性、抗冻性、裂缝修复性及无毒、环保性，本文综述了水泥基渗透结晶型防水材料的组成成分、作用机理、主要功能及在隧道工程中的应用，旨在为隧道工程防水问题提供新的思路。关键词：隧道工程；水泥基渗透结晶型防水材料；组成成分；作用机理
中图分类号：TU 470
文献标志码：A
文章编号：000-0000(2014)00-0000-00 The application of Cementitious Capillary CrystallineWaterproofing
Materials in tunnel engineering Abstract: Waterproof technology of tunnel engineering has always been a difficult problem at domestic and international research, the water seepage reason mainly in the following aspects: there are problems in waterproofing design and construction of waterproof engineering and design of durability of waterproof materials are shorter in architecture engineering service life and the complex hydrological environment influence of underground.Based on the good performance of Cementitious Capillary CrystallineWaterproofing Materials, this paper reviews the composition, mechanism, main function and its application in tunnel engineering, provided a new idea for waterproof problem of tunnel engineering.Key words: tunneling;Cementitious Capillary CrystallineWaterproofing Materials;composition;mechanism 1 引言
隧道与地下工程防水技术一直都是个国内外研究难点问题，现有的防水板防水技术主要存在以下缺点：不能和混凝土密贴、易被扎破、易受拉拉伸、易断裂破坏、焊缝多、薄弱环节多等。目前，防排水业界萌生了多种新材料、新技术的应用，如喷膜防水技术[1-3]、涂刷防水材料技术[4-7]。喷膜防水技术是以丙稀酸盐水溶液为主要成分，加入氧化剂和还原剂制作而成，两种溶液在喷嘴内混合后，用喷射法喷在混凝土表面上形成具有防水和隔离功能的薄膜。该方法具有质量均匀、无接头、耐久性优越、施工快速方便、整体性好等特点，在日本、德国等已有实践经验，目前国内也亦开始试用；涂刷防水材料技术采用水泥基渗透性防水材料，其典型材料为加拿大生产XYPEX（赛柏斯）[8]，其工作原理是采用特有的活性化学物质利用水泥混凝土本身固有的化学特性及多孔性，以水为载体，借助渗透作用，在混凝土毛细管及微孔中再次发生水化作用，激发水泥再产生新的晶体，从而将水堵住。施工方法比较简单，可以采用直接涂刷法；在出水量大，水压大的情况下，也可采用多举措防排水。如厦门翔安海底隧道，按“以堵为主，限量排放，多道防水，刚柔结合”的永久防排水原则，采用全封闭与局部限量排导的综合方案。在其“多道防水”原则下，加强了初期支护与防水板、防水板与二次衬砌之间的排水措施。在其“限量排放”原则下，利用截水、集水、抽水系统将渗水、雨水、运营用水等排出。
水泥基渗透结晶型防水材料（CCCW）作为绿色环保的防渗堵漏新材料，不仅具有防水抗渗功能，还具有裂缝修复、抗冻、抗碳化等多种优良特性，被广泛应用于水库大坝、地下洞室、道路桥梁的防水抗渗和裂缝修补。本文主要阐述水泥基渗透结晶型防水材料的功能、组分作用及其相关应用。水泥基渗透结晶型防水材料组成2.1 水泥基渗透结晶型防水材料的组成[9]
水泥基渗透结晶型防水材料简称CCCW（Cementitious Capillary CrystallineWaterproofing Materials），通常以普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥、石英砂等为主要成分，掺入活性化学物质制成。不同的水泥基渗透结晶型防水材料中所含的活性化学物质各不相同，根据其作用划分主要有两大类：一是复合混凝土外加剂，包含防水剂、引气剂、膨胀剂、表面活性剂等，不同的外加剂组分使水泥基渗透结晶型防水材料的具体功能和效果不一；二是活性阴离子催化剂，可以使Ca2+和SiO32-在极低浓度下进行反应生成水化硅酸钙并加快反应的速率。
图2.1.1 水泥基渗透结晶型防水材料
Fig 2.1.1 Cementitious Capillary CrystallineWaterproofing Materials
2.2 水泥基渗透结晶型防水材料组成成分的作用[4]
各组分所起的作用，众多文献描述不一。有的认为水泥是载体，有的认为水是载体，有些文献对什么是载体未作说明；结晶体产生的过程中发生了什么样的化学反应，很多产品说明的描述含糊不清，致使入们不能正确理解各组分的作用，因此，有必要说明各组分所起的作用。水泥基渗透结晶型防水材料中的各组分与未水化水泥的反应，是在水溶液中进行的，即各组分首先溶解在水中，然后发生化学反应。
（1）复合型混凝土外加剂的作用
复合型混凝土外加剂在水泥基渗透结晶型防水材料水化初期，就参与化学反应，生成致密的水泥基渗透结晶型防水材料涂层（外涂型和干撒型），或提高混凝土本身的致密性（内掺型），其作用机理随复合型外加剂的组成不同而异，并在水泥水化初期，被大量消耗掉。
（2）活性阴离子催化剂的作用
水泥水化产生Ca(0H)2，在水中电离产生Ca2+：水泥中未水化的水泥颗粒及水泥基渗透结晶型防水材料中含有活性Si032-；活性阴离子是一种正催化剂，它发挥如下作用：①加速Ca2+和Si032-反应生成CaSiO3·nH2O的反应速度；②它能使水泥中的Ca2+和Si032在极低的浓度下（110-8）发生化学反应，生成水合硅酸钙CaSi03·nH20的反应更加完善、更加彻底，生成的晶体也更多，使防水涂层或防水混凝土更加致密；③它在水中具有较高溶解度和渗透性，能渗透到混凝土的细微孔隙中，从而在混凝土深层产生结晶体。
随着水合硅酸钙的不断生成，结晶体逐步长大，从而堵塞混凝土中毛细孔微细裂纹，反应前后，活性阴离子作为催化剂，质量不发生变化，始终存在于混凝土中。
活性阴离子的这种特性，赋予混凝土具有二次自我修复能力，也就是具有二次渗透能力。水泥基渗透结晶型防水材料凝固后，随着拌合水的减少，活性阴离子催化剂、Ca2+和Si032-从溶液中析出形成固体，Ca2+和Si032-产的反应停止。当混凝土开裂，水分再次渗入混凝土时，活性阴离子、Ca2+和Si032-再次溶解到水中，形成水溶液，开始新一轮的反应，再次生成结晶，堵塞混凝土裂纹。由于活性阴离子始终存在于混凝土中，且混凝土中Ca2+和Si032-含量丰富，因此，理论上讲，二次愈合能力具有永久性。
（3）水的作用
在水泥基渗透结晶型防水材料的应用过程中，水发挥了3种作用：①溶剂，所有的反应都是在水溶液中进行的，水是反应的介质；②活性化学物质渗透的载体，活性化学物质溶解在水中，扩散到水能到达的区域。③固化剂，水不仅是水泥的固化剂，也是Ca2+和Si032-反应生成CaSi03·nH20结晶体的固化剂，在结晶体中，含有n个水分子；
（4）水泥的作用
在水泥基渗透结晶型防水材料中，水泥也发挥了3种作用：①反应物，水泥为结晶体CaSi03·nH20的生成提供了Ca2+和Si032-；②成膜物质，水泥是水泥基渗透结晶型防水涂膜的主要成膜物质之一，在涂膜中发挥粘结和防水作用；③载体，在制造水泥基渗透结晶型防水材料时，活性化学物质均匀分散在水泥中，使活性化学物质能被均匀地涂刷（或干撤）在混凝土表面或被均匀地拌合在混凝土中。
（5）石英砂的作用
在水泥基渗透结晶型防水材料中，石英砂发挥了2种作用：①成膜物质，石英砂是水泥基渗透结晶型防水涂膜的主要成膜物质之一，在涂膜中发挥骨料作用；②载体，发挥和水泥一样的载体作用。
2.3 水泥基渗透结晶型防水材料的技术原理
水泥基渗透结晶型防水材料通过活性化学物质在混凝土孔隙中的渗透而产生结晶体，因此，有必要探寻渗透有关的因素。
（1）渗透的动力
渗透是水泥基渗透结晶型防水材料中的活性化学物质在混凝土孔隙中扩散的过程，既然有扩散，必然有动力，渗透的动力有以下4种：a、机械力：在内掺型产品（水泥基渗透结晶型防水剂）中，通过机械搅拌，使活性化学物质均匀地分散在混凝土中；在干撒型产品中，通过抹压使活性化学物质均匀地分散在混凝土表层；b、水载流动：活性化学物质的水溶液在较大的裂纹中，向混凝土内部流动，从而把活性化学物质带入到混凝土内部；c、扩散理论：活性化学物质在水溶液中，自动从高浓度区向低浓度区扩散；d、毛细管作用：活性化学物质的水溶液，通过毛细管作用，在混凝土微细孔中扩散。
（2）渗透的条件
渗透必须具备2个条件：①渗透主要发生在混凝土的毛细孔和微细裂纹中，因此，毛细管道必须敞口。为此，必须清除混凝土表面的有机薄膜成分，如脱模剂、油漆、涂料等，有利于含有活性化学物质的水溶液对混凝土润湿及毛细管现象的产生；②活性化学物质以水为载体渗透，因此，水是渗透产生的必要条件，在水泥基渗透结晶型防水材料的养护过程中，必须始终保持湿润状态。
（3）渗透深度
渗透的深度并不代表产品的性能，这是因为：①渗透与混凝土表面毛细孔、微细裂纹的分布、形状有关，渗入深度与混凝土表面的孔隙率成正比，孔隙率越高，渗入深度越深；②渗入深度与活性化学物质的黏度成反比，黏度越低，渗入深度越深；③渗入深度与活性化学物质的活性成反比。这是因为，在渗透过程中，伴随有结晶体的产生，堵塞毛细管，阻止渗透。活性越高、产生结晶的速度越快、对毛细孔的堵塞也越快，渗透越浅。
（4）渗透方向
在使用水泥基渗透结晶型防水材料时，我们必须控制渗透的方向，使活性化学物质向混凝土内部渗透，在混凝土深层产生结晶，堵塞混凝土中的毛细孔。为此，我们必须做到：①使混凝土表面满足2.3所述的（2）中渗透条件；②水泥基渗透结晶型防水涂料成膜后，禁止覆盖塑料薄膜养护，因为覆盖塑料薄膜后，毛细孔孔口被封闭，活性化学物质的水溶液在毛细孔中上升时，在毛细孔中形成负压，不利于活性化学物质的水溶液在毛细管现象作用下向混凝土深层渗透，应覆盖草垫洒水养护，使毛细孔具有透气性。
所有的操作，应防止活性化学物质从混凝土中析出，预防发生反向渗透，为此应该做到：①养护水泥基渗透结晶型防水涂膜和含有水泥基渗透结晶型防水剂的混凝土期间，表面应无明水，如果有明水存在，会在混凝土表面形成活性化学物质的低浓度区（浓度为0）混凝土中的活性化学物质会向低浓度区渗透，从混凝土中析出；对于使用水泥基渗透结晶型防水材料的蓄水池，应充分养护后，使混凝土表面形成一道致密的防水层后才能注水使用，这时，水不能浸入混凝土内部，活性化学物质也就不能从混凝土中向水中扩散；②在地下工程中使用水泥基渗透结晶型防水材料时，应充分养护后才能回填，回填土应保持湿润。如果回填土干燥，活性化学物质在毛细管现象的作用下，易向回填土中渗透；如果回填土过分湿润，如地下建筑物浸泡在水中，在建筑物周围形成活性化学物质的低浓度区（浓度为0），活性化学物质易从混凝土中高浓度区向低浓度区渗透，造成活性化学物质的损失。所以，水泥基渗透结晶型防水涂膜或含有水泥基渗透结晶型防水剂的混凝土必须充分养护，在混凝土表面形成致密的防水层，堵塞造成渗透的毛细孔，使反向渗透终止。水泥基渗透结晶型防水材料的主要功能
3.1 提高混凝土抗渗性
抗渗性是水泥基渗透结晶型防水材料最基本的性能。CCCW在建筑施工中的使用一般采用两种方式：一种是均匀拌合于混凝土中的掺合剂，可以减小混凝土孔隙率，提高密实度，减少水渗入的途径；一种是干撒或掺水搅匀涂抹在混凝土表面的浓缩剂，随同水的渗入向裂缝内渗透，沿途在适宜条件下结晶修复裂缝，提高混凝土的抗渗能力。CCCW在遇水后通常可发生两次甚至多次的重复结晶，因此防水抗渗效果显著且持久。3.2 抗碳化性
当水泥基渗透结晶型防水材料发生化学反应生成不溶性结晶物填充、密实孔隙和裂缝之后，提高了混凝土的密实度，能有效阻止CO2等气体物质的入侵，减小混凝土的碳化程度[10]。3.3 提高混凝土抗冻性 混凝土的冻融破坏机理中，破坏力主要来自两个方面，一是温度降低时水的相变引起的体积变化产生的膨胀压力，二是在温度变化时由于水的迁移引起的渗透压力，此外还有由于热膨胀系数不同导致温度变化是变形不协调等原因。两个主要的破坏原因都与水的存在有关，因此提高混凝土的密实度和抗渗能力，降低水的渗入量，可以有效提高混凝土抗冻性。诸多品牌的CCCW在具有抗渗作用的同时，也具有抗冻效果。3.4 裂缝修复性
国内外众多学者通过研究发现，混凝土本身具有自愈性。这是由于混凝土中存在部分未水化或不完全水化的水泥颗粒，当混凝土开裂后有水渗入时或在一定湿度条件下，这些水泥颗粒会发生水化反应，生成的水化结晶产物使裂缝逐渐愈合。混凝土裂缝自愈性能和自身配合比、缝宽、温度等因素有关。水泥基渗透结晶型防水材料的主要成分就是硅酸盐水泥，因此也具有自愈合性[11]，而且由于活性化学物质的存在，使自愈合性能比水泥更强。3.5 无毒、环保性
水泥基渗透结晶型防水材料是绿色环保型产品，与化学灌浆材料、聚合物材料或其他掺有高分子防水剂的水泥基材料相比，具有无毒无害的特点，对环境没有污染，可用于饮用水工程。水泥基渗透结晶型防水材料在隧道工程中的应用
4.1 隧道工程防水理论
国内外隧道工程基本上都采用“截、堵、排相结合，多道设防”的防治水原则[12-13]，对隧道工程进行从围岩到初期支护到二次衬砌全方位的防排水处理。
“截”主要是指截断流向隧道区域的水流，即把所有可能流向隧道的地表水、地下水的通道截断。截水措施主要包括：隧道洞口仰坡设置截水天沟，截留地表水，防止水流流向隧道洞门；对洞身上方的积水坑等可能导致地表水下渗的位置进行处理，如地形疏导、修建排水沟、喷抹灰浆等；对有明显流向和稳定补给的地下水，应当采取截水导坑或封堵措施，防止隧道开挖后出现大量涌水。
“堵”主要是在隧道开挖以后，针对隧道围岩出现的或者可能出现的明显渗水、涌水情况，采取封堵措施或者超前堵水措施，同时也包括在隧道结构内采取措施，对侵人隧道结构的渗漏水进行封堵，防止水流向隧道内渗透。除了在施工时采取的注浆堵水外，隧道永久性结构堵水措施主要包括：设置防水层对渗水进行封堵；采用抗渗混凝土进行衬砌自防水；对于混凝土衬砌的工作缝，采用止水带、止水条等材料进行堵水，防止渗水出现在隧道内空表面。
“排”是整个防排水体系中重要的一环，无论是截水还是堵水，最终还是要通过排水措施才能将水引出隧道区域以外，保证不侵入隧道。排水方式包括盲沟排水、泄水管排水、排水沟排水、排水管排水等。在隧道洞内主要采用排水沟和排水管排水。排水沟用于汇集排水管和隧道路面的水排出洞外；排水管包括隧道衬砌内的纵向、横向和环向排水管，用于汇集被防水层封堵的围岩渗水，最后排到排水沟。只有实现了通畅的排水，才能降低衬砌和围岩内水压，做到无压防水，防止高水压下渗水通过衬砌裂隙等薄弱环节渗出。
“截、堵、排”相结合的防排水措施是一个有机整体，相互间不可分割。其中任何一项措施实施不理想，都将引发其它措施失效或者效果不佳，导致隧道防排水失败。4.2 基于水泥基渗透结晶防水材料的防水施工工艺
水泥基渗透结晶型防水材料一般通过刷涂施工或喷涂施工。采用水泥基渗透结晶型防水材料对隧道工程的防水处理可在初期支护后进行，也可在二期支护后进行，具体施工方法[14]如下：
1、施工前必须用清水彻底润湿工作面，形成内部水分饱和，以利于CCCW借助水分向混凝土结构内部渗透；
2、按产品说明书的要求配置水泥基渗透结晶型防水涂料，边搅拌边将水加入，然后用手提搅拌器搅拌成均匀的涂料，搅拌时间约为3～5min。每次调好的浆料应尽可能在30min内用完，当混合物变稠时应频繁搅动，不可加水冲稀；
3、喷涂或刷涂：由于隧道表面（初期支护或二期支护后的表面）可不用再做找平处理，所以表面较粗糙，用刷涂法施工不宜取得良好的效果，因此建议使用喷涂法施工，即快捷又能保证工程质量；
4、检查验收及养护：检查涂层是否喷涂均匀，不应有漏喷和漏底；按规定做好养护，保证养护时间、次数及使用雾水。同时，养护期间不得有磕碰；喷涂层不得有剥落、裂纹等现象出现。结论
水泥基渗透结晶防水材料具有良好的混凝土抗渗性、抗碳化性、抗冻性、裂缝修复性及无毒、环保性。基于水泥基渗透结晶防水材料的一些良好性质，因此，可假想用水泥基渗透结晶型防水材料替代一般的防水板或防水卷材，使隧道工程防水施工更方便、快捷，并达到永久性的防水效果，使整个防水系统更为合理、耐久，为隧道工程防排水设计、施工积累了大量的工程经验。参考文献
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