綠色地下工程墻地面滲水隔水排放材料系統制備

胡 豪，鄧躍全，賈 彬，張 輝，王 姚，楊 威（.西南科技大學材料科學與工程學院， 四川 綿陽600；.微納米顆粒應用研究科技國際合作實驗室， 四川 綿陽 600）

由于水文地質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，既對墻體造成了破壞，又影響了墻體自身的美觀，對地下工程通訊和通風設施造成影響和破壞[1-4]。現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”，消除城市內澇，增加地表含水量[5-7]。其由集料（多采用單粒級或間斷粒級）、水泥、增強劑、水等組成，一薄層水泥漿包覆在粗集料表面，相互黏結而形成孔穴均勻分布的多孔蜂窩狀結構[8-9]。一般采用大粒徑集料（粒徑可達 25 mm），雖然透水率可達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，在墻腳開排水溝導入排水系統，從而低成本解決其滲水排出問題，同時為保持墻面干燥，需要采用防水砂漿進行面層處理[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，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的制備方法，制備了相應的透水混凝土、透水砂漿、防水砂漿，結合滲水量設計了透水砂漿層厚度以及排水溝透水混凝土層截面積計算方法，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 試驗部分

1.1 原料及試劑

（1）水泥：普通 325 號 或者 425 號硅酸鹽水泥。

（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，廣東中聯邦精細化工有限公司。

1.2 儀器

（1）JBL 型干粉砂漿混合機，安丘市華宇建材機械廠。

（2）CMT5105 型微機控制電子萬能試驗機，優鴻測控技術(上海)有限公司。

（3）YP 型電子天平，常州宏衡電子儀器廠。

（4）秒表計時器。

1.3 試驗方法

1.3.1 地下工程排水溝透水混凝土的制備方法

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

1.3.2 地下工程墻面透水砂漿的制備方法

在干粉砂漿混合機內先加入水泥和集料（粒徑范圍為3～5 mm），再依次加入羥丙基纖維素醚和木質纖維素。攪拌均勻后，用水調配至適合施工的狀態，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，制得聚乙烯醇水溶膠，備用。

在干粉砂漿混合機內先加入 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，最后加適量的水調配至適合施工的狀態，備用。

1.3.4 含水率的測試方法

先稱干重的質量，用水浸泡一段時間后，再稱濕重的質量，最后計算含水率，其計算公式如式（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

根據以下計算式計算透水率和孔隙率，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 強度的測試方法

按照 GB/T 17671—1999 《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》進行測試。

1.4 地下工程墻地面滲水隔水排放系統的構成

本法地下工程墻地面滲水隔水排放系統的構成示意如圖1 所示。

圖 1 地下工程墻地面滲水隔水排放系統的構成示意圖

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，開挖一條連接對面的排水溝（排水溝內做透水混凝土，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，采用防水砂漿對透水砂漿和透水混凝土層進行蓋面處理，保持墻面干爽，從而消除墻面滲水的影響。

2 結果與討論

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，因此設計透水混凝土透水率略小一些。試驗發現，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，木質纖維素、羥丙基纖維素醚、水泥和集料的含量、試驗水的加入量對排水溝透水混凝土性能的影響結果如表 1 所示。

表 1 水的加入量對排水溝透水混凝土性能的影響

由試驗結果可知，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，抗折強度由 2.1 MPa 增至 3.0 MPa，抗壓強度由 7.5 MPa 增至 10.5 MPa，可達到 C 7.5、C 10 等級的要求。這是因為水的含量越多，水泥漿體會增多，水化越好。當水泥含量為 14%、水含量為 6.5% 時，透水率、抗折強度和抗壓強度分別為 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，達到低厚度、低成本的效果。試驗發現，水泥和水的加入量對強度和透水率影響較大，因此分別試驗了 2 個因素加入量對墻面透水砂漿性能的影響。

2.2.1 水泥的加入量對墻面透水砂漿性能的影響分析

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

表 2 水泥的加入量對墻面透水砂漿性能的影響

由試驗結果可知，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、抗壓強度均逐漸增大。這是因為水泥含量越多，集料之間的黏接程度越強，表面孔隙大部分被堵塞。當水泥含量為13%～14% 時，透水率急劇下降，出現質的突變，變化范圍很大。考慮到透水率的要求，當水泥含量為 10%～14%時較適宜，透水率在 1.0～1.6 mm/s，抗壓強度為 4.6～8.6 MPa，可達到 M 2.5、M 5、M 7.5 等級的要求。

2.2.2 水的加入量對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，試驗水的加入量對墻面透水砂漿性能的影響，結果如表 3 和表 4 所示。

表 3 水的加入量對墻面透水砂漿性能的影響（水泥加入量 11%）

由試驗結果可知，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，抗折強度保持在 2.0 MPa 左右，抗壓強度在 4.7～6.0 MPa，可達到 M 2.5、M 5 等級的要求。

表 4 水的加入量對墻面透水砂漿性能的影響（水泥加入量 14%）

由試驗結果可知，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，抗折強度為 1.8～3.0 MPa，抗壓強度為 7.5～8.6 MPa，可達到 M 2.5、M 5、M 7.5 等級的要求。

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

總體而言，水含量對墻面透水砂漿的透水率影響較大。當水泥含量為 14%、水含量為 8.3% 時，透水率、抗折強度和抗壓強度分別為 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

試驗表明，采用防水砂漿對透水砂漿和透水混凝土層進行蓋面處理，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，生態無味，可達到設計要求。

2.4 計算

根據墻面的滲水情況計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。

（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，集料之間的粘接程度越強，強度增大而透水率減小。

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

3 結 語

針對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的制備方法，制備了相應的透水混凝土、透水砂漿、防水砂漿。試驗表明，集料粒徑的大小、水泥的含量和水的含量對透水性能影響較大。

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%，相應的透水率、抗折強度和抗壓強度分別為 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%，相應的透水率、抗折強度和抗壓強度分別為 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，生態環保，符合防水要求。

（4）結合滲水量設計了透水砂漿層厚度以及排水溝透水混凝土層截面積計算方法。

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