地下建筑结构应提高其防水耐久性能

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  【摘要】 地下建筑工程的防水主要是指混凝土结构的自身防水和附加在结构体上的辅助防水层,变形缝处止水等是涉及到设计,材料选择,施工质量,管理及维护等方面的系统工程。
  【关键词】 地下结构;混凝土微膨胀剂;防水层;止水带
  【中图分类号】 TU289 【文献标识码】 B 【文章编号】 1727—5123(2012)04—062—02
  现在地下建筑工程的主体围护结几乎都是用钢筋混凝土建造,其防水主要是指混凝土结构的自身防水和附加在结构体上的辅助防水层,变形缝处止水等是涉及到设计,材料选择,施工质量,管理及维护等方面的系统工程。地下建筑工程结构的功能是提供一个永久性安全实用地下空间,并把作用在上部的各种静动荷载,自然环境温度变化及干燥,湿润,水土压力,地震及各种突发作用等,能均匀地传递给其外的岩土。也就是结构体和岩土共同承担荷载,及环境变化渗漏水等。在进行地下建筑工程结构防水设计施工时,必须按照现行的“地下工程防水技术规范”GB50108—2008和相关规定,同时还要遵守现行国家的“混凝土结构耐久性设计规范”GB50478—2008中相关条文具体规定:如环境作用等级,使用耐久年限,混凝土强度等级,最大水灰比及钢筋保护层最小厚度等必须作出明确规定。设计计算时适当提高其安全系数,确保对于耐久性指标要求得到提高。
  在现实地下建筑空间不产生渗漏水是不可能的,人们认为出现局部渗漏水是正常的。这也是符合国家标准“地下防水工程质量验收规范”GB50208—2002中允许有4个100m2漏点也属于合格的评定要求。规定意味蕾像地铁,铁路公路隧道,地下车场,地下建筑及人防工程每延长米至少有一个漏水点,其安全耐久性是处于无法保证的状态下。为通风除湿使机电设备正常运行消耗一定能源,经常修复会使整个费用上升造成浪费。为此,对于地下结构整体耐久性,应在结构材料中加入梯级微胀使其密实;附设防水层同主体共同承担荷载; 用超细梯级微膨胀剂注浆处理缝隙; 在设计施工中切实保证变形止水材料始终处于柔韧性工作状态。
  1 混凝土中掺入梯级微膨胀剂
  混凝土由于是一种非均质材料,易产生微裂,空隙影响到耐久性。施工振捣认真可以减少孔隙及裂纹,但是其自己不可能消除微裂及空隙,只能把其大小控制在无害状态。试验表明当空隙率<20%时混凝土一般不产生渗漏,当空隙率>25%时渗漏力随着空隙率的增加而迅速提高。对于组成混凝土的原材料,在凝结过程中会产生微观收缩裂缝,其微裂可以分为砂浆裂缝,粘结裂缝和骨料裂缝多种形式,这些裂缝的存在加大了混凝土的空隙率,加重了混凝土结构的渗漏性。
  1.1 影响混凝土结构耐久性的原因。 通过地下建筑结构分析,影响混凝土结构耐久性的最主要原因是腐蚀,而腐蚀归根结底是钢筋锈(腐)蚀造成对结构的破坏。由于钢筋混凝土结构是工程的主体,按照国外的统计在所有结构破坏中,钢筋锈(腐)蚀造成对结构的破坏占55%左右。影响混凝土结构耐久性的原因是复杂的,混凝土易碎,易裂,钢筋易锈(腐)蚀也是混凝土结构遭受破坏突出的因素之一。钢筋锈(腐)蚀无论是混凝土中性化,还是氯盐进入混凝土内部,或者周围环境的氧化,二氧化碳,微生物及水体因素造成,即腐蚀介质进入到达钢筋表面,达到造成腐蚀的浓度则开始锈蚀形成氧气铁,氧气铁的膨胀使混凝土保护层破碎而加重混凝土的破坏。所以为防止混凝土的破坏主要措施是提高混凝土的密实性,混凝土愈密实则抗渗透性越好,外界的气体,水分无法进入只能在表面作用,从而延长其耐久性。
  1.2 混凝土的特性。在同一环境温度下混凝土中的水泥浆收缩量大,而骨料不产生收缩,在其内部和周围会出现一些微孔隙,连接起来就形成裂缝,严重的则是贯穿性开裂,降低了混凝土的整体性和抗渗耐久性。作为地下工程主体结构的混凝土材料本身存在收缩量大,粘结强度低的先天性不足,使主体结构的基底及支护之间形成大于水分子直径的细微裂隙,这些细微裂隙会伴随着时间的延伸形成渗水通道,使钢筋置于各种腐蚀介质中。而现在的技术措施是在结构外附着有机防渗层,将结构与基础之间形成隔离状态,尤其是经过扰动的基底也是有裂缝及孔隙,这样就使结构外附着有机防渗层处于不利的状态下工作,是造成大多数地下建筑空间渗水的直接因素,结构耐久性处于无保证状态。
  1.3 外加剂。由于传统混凝土材质耐水性差,收缩性大,粘结强度低,和易性差且泌水多;水泥用量偏高及凝结速度快,耐候性和抗腐蚀能力低的缺陷更加突出,严重影响到工程的正常应用。因此只有提高混凝土的密实度才能达到高性能目的,现今最常用的方法是在混凝土中掺加微膨胀剂。建筑市场上外加剂品种数以百计,为获得高性能混凝土一般要同时掺入多种功能外加剂,从工程实践看外加剂的使用并未起到需要效果,反而适得其反。究其原因是外加剂的自身缺陷及使用不当造成的。
  实践表明在设计施工中所使用的外加剂,特别是地下混凝土结构其强度在C20~35之间,考虑的内容主要包括:①对工作性的影响。混凝土中掺入外加剂应有较大比表面积及微粉效应,这样可使混凝土粘结性和保水性得到改善,遇水有自然修复能力,尤其是结构临空面的微裂缝,自然修复可能恢复到损伤时的刚度,长期保持设计时的安全承载力;②对混凝土力学性能的影响。混凝土中掺入外加剂要能保证水泥充分梯级水化,有效分散和降低水化热峰值,提高结构体抗压及抗弯曲,抗渗透能力;③对混凝土自身收缩的影响。混凝土中掺入外加剂应当补充,填满固化所形成的微细孔隙,最大限度减小混凝土收缩,徐变使得更加密实; ④对耐久性及抗腐蚀影响。混凝土可抑制碱集料反应,外加剂形成辅助水化物促进水泥和各种骨料中无机物的化学反应,降低pH值; 同时外加剂能降低其微孔隙孔径和Ca(OH)2含量,有效提高耐久性并阻挡污垢对混凝土的扩散浸蚀;⑤对混凝土性价比的影响。混凝土中掺入外加剂组成主要原材料及辅助料应尽量采用天然矿物材质,经过加工后质量稳定可靠,性能好价格低。   到目前为此可以满足上述要求的外加剂是BTN系列,该BTN系列产品会改变为求混凝土高性能而同时又乱加其它单一性能外加剂的现象。这种超细梯级微膨胀外加剂BTN产品,会得到广泛应用。在加强带或后浇带处用这种超细梯级微膨胀外加剂,完全满足设计及质量要求。
  2 防水层与主体牢固结合使其共同工作
  工程表明,影响结构主体与基底共同作用的关键因素是: 混凝土结构主体的各种收缩和承载重力,活荷载作用,防水层的分离及基底损坏带来的维护加固,漏水点的封堵不到位及环境浸蚀等,由于地下水压力大有无孔不入特点,设计和施工或者使用过程中的有害扰动造成防水系统的缺陷或产生渗漏水,影响结构整体耐久性的主要因素。其中辅助防水层的分离也是另一主要原因,尤其是不能与结构主体同寿命的有机防水层。
  2.1 防水材料。我们知道无机防水材料耐久节能环保,施工对基层要求高,同时费工费时。涂层较薄也容易穿刺破,即使刺破针尖小孔,在地下压力下也会被撕破成大洞,会到处乱窜水找寻修复困难。因此把无机防水材料作为发展方向。虽然有机防水材料耐久性差,也存在一定污染,但有机防水材料定型,施工不可能减薄,质量会有一定保证;而人工抹,喷涂的减薄也不易发现,不可能查的太细,这也是有机防水材料现在仍然占有较大市场的主要原因。从地下建筑空间安全稳定及耐久性.节能环保考虑,必须优先采用无机防水材料,因为所有有机防水材料粘结不可靠,影响到同基底共同工作的可能。而无机防水材料最大优点是能持久同基底共同工作不分离。
  2.2 天然纳基膨润土。现在国内外公认的能使主体结构和基底形成共同作用的地下防水卷材是天然纳基膨润土防水毯。其防水功能最优的天然纳基膨润土。其形成时间久于地下100m或更深,性能稳定可与混凝土很好结合共同承受各种外力。因为天然纳基膨润土遇水膨胀可形成不透水的凝胶层,能长期追逐混凝土和岩土的细微孔隙及裂纹。同时天然纳基膨润土是天然的纳米级无机防水材料,直径10nm以下的占60%;10~50nm的占35%;50~100nm的只占5%,因此具有独特的特性及稳定性:①自保水性: 膨润土因独有的膨胀力,具有渗透到防水施工结束后所必须产生的<0.2mm的裂缝,同其它防水材料对施工以后产生的缺陷无能为力相比,天然纳基膨润土持久发挥其防水性能;②持久发挥其防水性能:由于天然纳基膨润土是天然无机矿物,时间变化及环境影响对其自身无什么影响,更不会发生老化和腐蚀问题,可以永久保持防水效率;③施工方便快捷工期短,只是在防水部位用钉子和垫圈施工即可。且对人身体无害,因施工简便也不需要加热或粘贴,大幅提高速度并减少事故发生;④检查验收直观方便,施工完成后检查确认比较容易,可以直接看到不合格或不规范部位,材料缺陷也容易看出,可以减少施工中可能存在的隐患。
  特别需要引起重视的是,在地下工程采用天然纳基膨润土防水毯时,必须遵守以下几点才能真正发挥其自身的防水性能。
  首先,膨润土只有在密闭的空间(有压力) 才能防水。当密实度在85%以上才能使其凝胶发挥密实及防水效应,一般用填土或覆盖保护层来保证。要求的压力一般为1.4~2.0kPa。在膨润土与结构物之间不应有降低防水性能的其它材料。其次,天然纳基膨润土只有与水接触后才能发挥持久防水性能。有了水膨润土才会膨胀并形成胶体,也可以提前让其与纯水接触,提前形成细密的无机凝胶体,以阻止大量的水进入,而天然纳基膨润土的完全水化约为100d。最后,膨润土应于混凝土紧密的结合,最能发挥膨润土永久防水作用的是,使膨润土防水层直接同混凝土结构层与回填土层或初期支护之间,当膨润土遇水膨胀后微粒进入混凝土的微孔隙或孔洞裂缝中,使结构和地层达到共同作用,使主体与防水同样耐久,也使整个建筑结构的使用安全正常,减少维护费用降低管理成本。
  3 填充超细微膨胀剂的应用
  地下工程一般较深上部重量大使得如拱顶,顶板和侧墙等处于基层脱离,或是超挖,塌落及回填更使基底与主体结构之间存在许多孔隙,难以达到共同整体作用,必须采取填充型注浆处理。地下注浆处理已有200多年的历史,而注浆材料中水泥的使用最普遍。在使用水泥浆或者砂浆注浆时还要掺入超细梯级膨胀外加剂BTN,会使注浆料到达需要部位,产生永久性整体效应。
  同样,边坡支护的喷射混凝土中掺入超细梯级膨胀外加剂BTN,也能发挥优良的支护效果。
  4 止水带使用期间有极好性能
  地下建筑物的变形缝是为防渗和结构使用安全设置,主要有4种作用:①沉降缝是为适应建筑物的不同部位产生不均匀沉降而设的垂直缝;②伸缩缝是为适应建筑物由于温度湿度及混凝土收缩,徐变的影响而产生的水平变位; ③防震缝是防止地震或突发荷载作用使建筑物的变形影响,可以吸收水平及垂直两个方位的变位;④引发缝一般是根据建筑物需要留置的收缩缝。前3种缝的构造基本相同,在实际工程中尽量三缝合一的留置,即一个缝可起到多种功能。还有一种最常见也是最难处理的变形缝,如地下管涵接口,穿墙管预埋件,桩柱底部及地下通道口,通风口,窗井等处构造缝。
  这些变形缝渗漏的原因,除了个别接缝材质不合格外,最重要的原因还是设计,施工及使用中未能始终保持所用材料处于柔性状态。接缝材料超过柔性工作状态后便失去密封性,起不到止水作用。为了使止水条和止水带长久保持柔性状态,就必须在变形缝两侧设置一定量的支点,如不设这些刚支点,地下结构的变形缝肯定会渗漏水,更换和修补也不能彻底解决。现在开始使用的钢边注浆止水带,比传统止水带效果会好。过去管道接口采用的是油麻填打外抹水泥保护,效果好使用寿命长久。虽然经过多年的改进知提高,但效果仍然不够理想。
  假若在地下工程主体结构采取无收缩并附加防水层,同基底形成牢固整体,变形缝的间距可增加至100m以上,或者在地下差的水文地质状况下设防,在优先选用钢边注浆止水带的同时,在从设计到使用的全过程中增加能保证止水橡胶部位设置刚性支撑,使得始终在柔性状态下工作。在所有可能产生渗漏的缝隙处使用掺入比例较大BTN的混凝土砂浆处置,可预防因橡胶止水带失去柔性而出现渗漏的发生。
  综上浅述,对于地下建筑主体结构防水的可靠技术措施是:主动性地在主体结构混凝土中掺入能使混凝土密实并可梯级持续微膨胀的外加剂BTN;预防性地在主体结构外加与同寿命,能与其结构和基底土层产生共同作用的无机防水层,目前最佳设计是采用天然钠基膨润土防水毯;在设计及运行的整个过程中确保性的地应用后注浆达到封闭孔隙的措施;要始终保持变形缝止水材料的柔韧性和密封性。只有在这几个方面下功夫并在设计施工上精益求精,才能使地下建筑工程的防水达到同结构寿命相同,达到安全运行并减少维护费用。
  参考文献
  1 李艳茹等.地下洞库防潮工程试验及效果评估.施工技术,2001(3)
  2 “地下工程防水技术规范”GB50108—2008
  3 “混凝土结构耐久性设计规范”GB50478—2008
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