電滲防水技術處理混凝土裂縫寬度極限值研究*

高成躍，王檔良，何龍坤

(中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

電滲防水技術是近年來興起的地下空間防水新技術，體現全新防水理念，可在背水面對混凝土、砌體結構進行永久性防水。對于混凝土和砌體結構，水分子可通過多種方式滲入結構內部。其中，最簡單的方式是水利用自重或側向壓力，通過孔隙或裂縫滲入結構內部。在電場作用下，水分子沿電勢梯度向負電極方向移動，水分子定向移動現象即為電滲。結構內部水分子持續不斷向結構外側移動，從而起防滲、防潮作用。

電滲防水技術具有一定優勢，可應用于地下結構防滲堵漏中。但當混凝土裂縫寬度達到一定程度時，電滲防水技術失去效果，無法阻止地下水滲入。為得到一定電壓下電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度極限值，對電滲理論及裂縫寬度計算公式進行推導，并開展室內模型試驗加以驗證。

1 裂縫寬度計算公式

根據 Esrig理論：

Ue=vet

(1)

(2)

式中：Ue表示電滲排水量；ve表示電滲流量；t表示電滲時間；ke表示電滲系數；Δ?表示有效電勢；A表示電流通過混凝土裂縫的橫截面面積；L表示陽、陰極距離。

根據Navier-Stokes方程及立方定律：

(3)

式中：q表示單寬流量；g表示重力加速度；b表示裂縫寬度；J表示水力坡降；v表示水動力黏度。

Uh=qbt

(4)

式中：Uh表示水滲透量。

電滲防水物理模型如圖1所示，數學模型如圖2所示。當電滲排水量等于水滲透量時，得到電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度極限值計算公式：

圖1 電滲防水物理模型

圖2 電滲防水數學模型

(5)

式中：Δh表示為地下水位至裂縫位置水頭差。

由式(5)可知，當外加電壓一定時，Δh越大，電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度極限值越小，當Δh一定時，外加電壓越大，電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度極限值越大。當Δh=80mm時，計算得到20，40，60V外加電壓下裂縫寬度極限值分別為0.34，0.41，0.50mm。

2 室內電滲試驗

在制作完成的混凝土墻體結構兩端插入電極，電極接入電滲儀(見圖3)。電滲儀開啟后對混凝土進行電滲，在混凝土中產生電場。混凝土裂縫中的水在電場作用下產生定向移動，由正極流向負極，試驗過程中統計背水面滲水量，以確定電滲防水技術抗滲效果。

圖3 室內電滲試驗原理

2.1 試驗裝置與材料

自主設計試驗模型箱，塑料材質，尺寸為400mm×235mm×140mm(長×寬×高)，試驗過程中水位保持為110mm，試驗裝置如圖4所示。銅電極板尺寸為217mm×140mm×1mm(長×寬×厚)，在銅電極板上均勻開φ15mm圓孔，在距銅電極板底部30mm處開140mm×5mm(長×寬)裂縫。混凝土試塊尺寸為220mm×80mm×140mm(長×寬×高)，配合比為水∶水泥∶砂∶石=185∶400∶650∶1 180(kg/m3)，水灰比為0.46。

圖4 室內試驗裝置

在混凝土澆筑過程中插入試驗所需厚度(0.35，0.40，0.50，0.60mm)的超薄不銹鋼片(長200mm，寬90mm)，并在表面涂抹凡士林，待混凝土凝固24h后輕微水平抽動鋼片(防止混凝土干燥后鋼片無法抽出)。混凝土完全干燥固結24d后，將鋼片從混凝土中抽出，實現對混凝土裂縫寬度的控制。利用裂縫觀測儀測量混凝土表面裂縫寬度，以0.50mm寬裂縫為例，測量結果如圖5所示。

圖5 0.50mm寬裂縫

2.2 試驗方法

選用多脈沖電滲控制儀輸出直流電壓，工作時可實時顯示電壓與電流。混凝土一側為定水頭，試驗過程中在水面上方懸掛塑料水瓶，不斷向下滴水，保證混凝土一側水頭恒定。電滲24h，每隔1h記錄1次混凝土試塊背水面滲水量與電流。為對比分析，試驗分組如表1所示。

表1 試驗分組

2.3 抗滲效果判定標準

電滲前后電阻變化如圖6所示，當混凝土試塊中的水向陰極移動時，由于靠近陽極側水分子減少，該側混凝土部分孔隙中出現空氣，由于空氣電阻遠大于孔隙水電阻，電滲處理后的混凝土試塊整

圖6 電阻變化示意

體電阻變大。設混凝土骨料電阻為R1，空氣電阻為R2，初始孔隙水電阻為R3，電滲后孔隙水電阻為R4，初始混凝土試塊總電阻為R0，電滲后混凝土試塊總電阻為R，則有：

(6)

(7)

由于R2+R4>R3，所以有R>R0，這也解釋了電阻增大或減小的原因。因此，可根據混凝土試塊電阻變化評估電滲技術抗滲效果，即混凝土試塊電阻越大，電流越小，抗滲效果越明顯。

3 試驗結果與分析

3.1 電阻

20V電壓下，混凝土試塊24h電阻變化曲線如圖7a所示。由圖7a可知，不加水頭的試塊G1電阻發生小范圍波動，電阻平均值為150Ω，且在24h電滲過程中的電阻均大于試塊G2，G3，這是因為不加水頭的混凝土試塊中不含水分，電阻較大；試塊G2電阻逐漸增大，電滲8～16h時的電阻變化曲線較平穩，電滲18h后的電阻與試塊G1接近，這是因為電滲18h后混凝土試塊中的水分基本排盡，達到與試塊G1相同的干燥狀態；試塊G3電阻較小且基本不發生變化，穩定在10Ω左右，這是因為在水頭作用下，水滲透量大于電滲排水量，裂縫中一直有水通過，導致混凝土試塊電阻較小。

圖7 電阻變化曲線

40，60V電壓下，混凝土試塊24h電阻變化曲線分別如圖7b，7c所示。由圖7b，7c可知，試塊G4電阻平均值為185Ω，試塊G7電阻平均值為170Ω，均較試塊G1大，但試塊G1，G4，G7電阻曲線變化規律相同，可認為干燥狀態下混凝土試塊電阻差異是由人為測量誤差造成的；對于試塊G3，G6,G9,試塊G9電阻平均值為85Ω，試塊G6電阻平均值為50Ω，可知試塊G9電阻平均值最大，其次為試塊G6，試塊G3電阻平均值最小，這是因為電壓越高，阻水能力越強，即使不能阻擋全部水流，也起到一定阻水作用，從而導致電阻不同。

3.2 滲水量

混凝土試塊背水面滲水量如表2所示，由表2可知，20V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G2背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，電滲20h后，滲水量為0mL，可知20V電壓可完全止住0.35mm寬裂縫滲水；20V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G3背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，但電滲24h時滲水量未達到0mL，可知20V電壓不可完全止住0.40mm寬裂縫滲水。40V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G5背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，電滲21h后，滲水量為0mL，可知40V電壓可完全止住0.40mm寬裂縫滲水；40V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G6背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，但電滲24h時滲水量未達到0mL，可知40V電壓不可完全止住0.50mm寬裂縫滲水。60V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G8背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，電滲21h后，滲水量為0mL，可知60V電壓可完全止住0.50mm寬裂縫滲水；60V電壓下，隨著電滲時間的增加，試塊G9背水面滲水量基本呈逐漸減小趨勢，但電滲24h時滲水量未達到0mL，可知60V電壓不可完全止住0.60mm寬裂縫滲水。綜上所述，20，40，60V電壓下電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度極限值分別為0.35，0.40，0.50mm。

表2 混凝土試塊背水面滲水量 mL

3.3 電壓-裂縫寬度關系曲線

將相關試驗參數代入式(5)，得到電壓-裂縫寬度關系曲線，如圖8所示。由圖8可知，當電壓增大時，電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度極限值隨之增大，電壓>40V時曲線逐漸變緩，出現試驗值大于理論值的情況，這是因為電壓過高時，混凝土試塊同時存在電滲、電解水、電泳情況，電解水、電泳起到一定阻水作用。當電壓較高時，需考慮電滲、電解水與電泳的綜合作用。20，40，60V電壓下電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度理論計算極限值分別為0.34，0.41，0.45mm，與試驗值差距較小。

圖8 電壓-裂縫寬度關系曲線

4 結語

1)根據達西定律和Esrig理論等推導了電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度極限值理論計算公式。

2)計算得到混凝土試塊電壓-裂縫寬度關系曲線，并得到20，40，60V電壓下電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度理論計算極限值分別為0.34，0.41，0.45mm。

3)對不同裂縫寬度混凝土試塊進行電滲試驗，得到試塊電阻與背水面滲水量變化規律，以檢驗電滲防水技術抗滲效果。試驗結果表明，當Δh=80mm時，20，40，60V電壓下電滲防水技術可處理混凝土裂縫寬度極限值分別為0.35，0.40，0.50mm。