鐵路隧道聚丙烯酸鹽噴膜防水層施工接縫性能研究

摘要：文章研究配制一種聚丙烯酸鹽噴膜防水材料，開展了施工接縫對聚丙烯酸鹽噴膜拉伸性能、粘結性能、酸堿性能和不透水性能的影響試驗研究。結果表明：有施工接縫的聚丙烯酸鹽噴膜平均拉伸強度相比沒有施工接縫時僅降低4.5%，平均斷裂伸長率增大7.2%，平均粘結強度降低12.1%；在pH為11～12，、pH為5～6的酸堿溶液中浸泡7 d，有施工接縫的聚丙烯酸鹽噴膜的形變量相比無施工接縫時有較大幅度增加，但均沒有出現明顯的脫落或者分離，整體性良好；有接縫試件在0.3 MPa壓力下保壓30 min后，壓力基本不變，且非迎水面沒有明顯滲漏現象，不透水性能良好；施工接縫對于聚丙烯酸鹽噴膜性能影響不大，不需要做特殊處理，但是當地下水存在強酸或者強堿性時，不宜采用聚丙烯酸鹽噴膜防水材料。

關鍵詞：聚丙烯酸鹽噴膜；防水層；拉伸性能；粘結性能；酸堿性能；不透水性能

中圖分類號：U459.1

基金項目：2020年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“高鐵隧道施工移動式接力抽排裝置的研究與開發”（編號：2020KY44017）

作者簡介：沈 杰（1984—），碩士，副教授，研究方向：隧道施工與維護。

0 引言

鐵路是陸地運輸的重要方式之一。近年來，我國一直致力于鐵路網的建設與完善，規劃和修建了一大批鐵路工程，受地形的影響，在修建過程中不得不修建大量的隧道工程，尤其是在西南地區，鐵路隧道更是大量存在。由于隧道周圍存在豐富的地表和地下水，導致隧道經常出現滲漏等水害，影響鐵路的安全運行。因此，必須尋找最佳的防水方法，而防水材料的性能對于防水效果起著決定性作用^［1］。

當前，鐵路隧道工程常用的防水材料包括防水卷材、防水板和防水涂料三類^［2-5］。防水卷材和防水板不能緊貼隧道壁面，焊縫多、焊接難度大，易出現穿刺和斷裂損傷，而防水涂料的整體性好、施工簡單、無焊縫等優點，在近年來得到更廣泛的關注，但是也存在易揮發、易爆燃、有毒性等缺陷，因此需要對防水涂料進行改進。丙烯酸鹽防水涂料就是其中一種。丙烯酸鹽防水材料施工快、無焊縫、成分環保^［6-7］，但是在施工過程中，由于換料、中途休息等原因，會經常導致施工間斷，同時由于丙烯酸鹽噴膜材料的交聯時間很短，因而會因為施工間斷問題形成數量眾多的施工接縫，而施工接縫處理是否對噴膜防水效果有影響值得進行深入探討。

本文配制了一種聚丙烯酸鹽噴膜防水材料，并從拉伸性能、粘結性能、酸堿性能和不透水性能等多個方面探討施工接縫對其的影響，以期為鐵路隧道的防水設計和施工提供借鑒。

1 丙烯酸鹽噴膜防水、隔水機理

防水機理：

鐵路隧道施工通常采用礦山法進行開挖，這種礦山法施工的隧道結構從內至外依次為噴射混凝土支護層、隔離層、防水層以及二次混凝土襯砌層。其中，丙烯酸鹽噴膜防水層位于隔離層與二次混凝土襯砌層之間。鐵路隧道噴膜結構見圖1。丙烯酸鹽噴膜主要由丙烯酸鹽、甲基丙烯酸鹽、交聯劑以及水溶性不飽和酸酯類等材料通過一定的比例配制而成，其具有很強的吸水性，吸水后，水分子進入交聯網絡，防水薄膜會發生膨脹，體積增大，這個過程被稱之為溶脹過程。在吸水狀態或者潮濕環境下，防水膜具有高彈性。這種高彈性可以使其在發生形變之后能盡快恢復至原來的狀態，避免防水膜發生脆性斷裂破損，從而起到防水、隔水的效果。

2 防水噴膜施工工藝

本次試驗所用防水噴膜材料配比情況為：丙烯酸摻量為1.44 g，α-甲基丙酸摻量為0.72 g，MgO摻量為0.56 g，H₂O摻量為1.75 g，聚乙二醇二丙烯酸酯摻量為0.4 g，甲基丙烯酸乙氧基乙酯摻量為0.2 g，甲基丙烯酸-2-羥乙酯摻量為1.3 g，引發劑摻量為總質量的1.5%。

防水噴膜施工工藝分為兩個階段：第一階段是主液單體生產流程，由于丙烯酸、甲基丙烯酸具有一定的揮發性，且帶有刺激性氣味，同時還具備一定的可燃性和爆炸的風險，因此這一階段主要在生產廠家完成；第二階段是現場配制流程，主要是施工單位在施工現場完成。施工過程中注意防止A液和B液混合在一起，因為兩者一旦混合就會迅速聚合，從而導致噴槍堵塞，因此在施工過程中選用的是雙組分噴涂設備，流程見圖2。

3 試驗設計

3.1 施工接縫制作

按照第2小節材料配比，將聚丙烯酸鹽噴膜材料分兩次進行噴涂，第一層噴涂完后，待其表干后再進行第二次噴涂（兩次噴涂間隔時間約為10 min），施工間斷接縫示意見圖3。

3.2 試驗方法

試驗共對6組（編號為JF1～6）聚丙烯酸鹽噴膜施工接縫進行拉伸性能、粘結性能（與混凝土粘結性）、耐酸堿性能、不透水性能測試，并與正常施工噴膜組（編號為ZC1）進行對比。

拉伸性能：將含有施工接縫的噴膜制作成長度為25 mm的I型啞鈴狀試件，并在試件上劃好平行標線，測量試件的平均厚度。然后將試件放到拉伸試驗機上，按照500 mm/min的速率將試件拉斷，測量試件斷裂時的最大荷載和斷裂時標線的距離，從而計算得到拉伸強度和斷裂伸長率。

粘結性能：制作6塊長度為100 mm，寬度為100 mm，厚度為30 mm的C30混凝土試件，并將其表面清潔，然后噴涂第一層聚丙烯酸鹽材料，待其干燥后再噴涂一層，每層涂抹厚度均在1 mm左右。在標準養護條件下養護7 d，然后將涂有聚丙烯酸鹽一面與拉拔頭固定（兩者之間涂抹高強度膠粘劑），再放置1 d，將拉拔頭與試驗機相連，以5 mm/min的速率對試件進行拉伸，直至試件破壞，記錄試件破壞時的最大拉力。

耐酸堿性能：將噴膜制作成25 mm的I型啞鈴狀試件，然后在標準養護條件下養護4 d，之后將試件分別在pH=11～12，、pH=5～6的酸堿溶液中浸泡7 d，觀察試件的長度、厚度和面積的變化情況。

不透水性能：裁剪3個（150×150）mm的薄膜試件在標準養護條件下養護2 h，將試件固定在透水盤上，然后往透水儀中加水，擦干試件非迎水面的水，開始慢慢加壓到0.3 MPa，并保持30 min，觀察壓力有無下降或者非迎水面有無滲漏情況。

4 試驗結果分析

4.1 拉伸性能

不同試驗組噴膜拉伸性能參數結果見圖4。從圖4中可以看到：有施工接縫的噴膜材料拉伸強度普遍比正常施工噴膜材料的拉伸強度低。JF1與ZC1組拉伸強度相差最大，達到0.75 MPa。6組有接縫的噴膜材料平均拉伸強度為4.87 MPa，僅比沒有接縫的噴膜低0.23 MPa，拉伸強度降低率僅為4.5%。有施工接縫的噴膜材料斷裂伸長率普遍高于無接縫噴膜材料。JF4與ZC1斷裂伸長率相差最大，達到79.14%。6組有接縫的噴膜材料平均斷裂伸長率達到470.09%，而正常施工噴膜材料斷裂伸長率為438.41%，前者比后者增大約7.2%。

參照《丙烯酸鹽噴膜防水應用技術規程》中對于噴膜拉伸強度和斷裂伸長率的要求：斷裂拉伸強度≥1.1 MPa，斷裂伸長率≥200%，有施工接縫的噴膜均滿足相關要求，且遠大于指標要求。因此從整體上來講，施工接縫對聚丙烯酸鹽噴膜拉伸性能的影響較小。

4.2 粘結性能

不同試驗組噴膜粘結性能參數結果見下頁圖5。從圖5中可知：有施工接縫的噴膜粘結強度介于0.81～0.98 MPa，而無接縫的噴膜粘結強度為0.99 MPa，有接縫噴膜的平均粘結強度為0.87 MPa，比無接縫的噴膜粘結強度小0.12 MPa，相比無接縫噴膜降低約12.1%。在試驗過程中，前后兩次噴膜防水層并未分離，施工間斷后接縫處的兩層防水噴膜仍然是一個整體，連接沒有間隙，而且參照《丙烯酸鹽噴膜防水應用技術規程》中對于噴膜粘結強度的要求：粘結強度≥0.3 MPa，即使是有接縫的噴膜，其粘結強度也遠遠滿足規程要求，因此施工接縫對聚丙烯酸鹽噴膜粘結性能的影響不大。

4.3 耐酸堿性能

有/無施工接縫薄膜試件在pH=11～12中浸泡7 d后的相關指標變化情況見表1。由表1可知：無施工接縫存在時，浸泡后聚丙烯酸鹽噴膜的橫向長度、厚度、面積相比浸泡前分別增加了4.3 mm、1.3 mm和21.6 mm²，變化幅度分別為81.1%、61.9%和194.6%。當有施工接縫存在時，浸泡后聚丙烯酸鹽噴膜的橫向長度、厚度、面積相比浸泡前分別增加了7.9 mm、2.7 mm和51.04 mm²，變化幅度分別為116.2%、192.9%和536.1%。有施工接縫的試件經過堿性溶液浸泡后形變明顯大于無施工接縫試件，因此，存在施工接縫時對于防水層的耐堿性是不利的。但是，從試驗結果來講，施工接縫表面并沒有出現明顯的脫落現象，連接完整性還比較好。

有/無施工接縫薄膜試件在pH=5～6中浸泡7 d后的相關指標變化情況見表2。從表2中可知：無施工接縫存在時，浸泡后聚丙烯酸鹽噴膜的橫向長度、厚度、面積相比浸泡前分別增加了0.4 mm、0.4 mm和3.08 mm²，變化幅度分別為7.5%、20%和29.1%。當有施工接縫存在時，浸泡后聚丙烯酸鹽噴膜的橫向長度、厚度、面積相比浸泡前分別增加了4.0 mm、1.1 mm和17.51 mm²，變化幅度分別為65.6%、68.8%和179.4%。有施工接縫的試件經過酸性溶液浸泡后的形變也明顯大于無施工接縫試件，但是相對于在堿性溶液中的形變，有/無施工接縫均較小，這是因為在堿性溶液中，酯鍵更容易遭到破壞，而酸溶液的酸性比丙烯酸和甲基丙烯酸弱，不可能實現弱酸制強酸的逆過程，因此聚丙烯酸鹽噴膜的耐酸性要強于耐堿性。存在施工接縫的聚丙烯酸鹽噴膜在弱酸弱堿中浸泡后，均沒有出現脫落或者分離現象，因此施工接縫對耐酸堿性的影響較小。

4.4 不透水性能

三個有施工接縫試件在0.3 MPa壓力下保壓30 min后，水壓基本保持在0.3 MPa不變，且非迎水面均無滲漏水現象，表明施工接縫對聚丙烯酸鹽噴膜不透水性能沒有影響。

5 結語

（1）施工接縫會造成聚丙烯酸鹽噴膜防水層拉伸強度和粘結強度減小，斷裂伸長率增大，但整體上影響較小，拉伸性能和粘結性能均滿足相關標準要求。

（2）聚丙烯酸鹽噴膜耐酸性較耐堿性強，有施工接縫試件在經過酸堿溶液浸泡后，形變量較無施工接縫試件有較大幅度增加，尤其是在堿性溶液中的影響更大。但施工接縫表面并沒有出現明顯的脫落現象，連接完整性還比較好，滿足耐酸堿性能要求。

（3）有接縫試件在0.3 MPa壓力下保壓30 min后，壓力基本不變，且非迎水面沒有明顯滲漏現象，不透水性能良好。

（4）綜上分析可知：施工接縫對于聚丙烯酸鹽噴膜的拉伸性能、粘結強度、酸堿性和不透水性的影響不大。在弱酸弱堿環境中整體性也較好，無須做特殊處理。但是，當隧道中存在強堿或者強酸性液體時，不建議采用聚丙烯酸鹽噴膜作為防水層。

參考文獻

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收稿日期：2023-04-00