电渗防水技术处理混凝土裂缝宽度极限值研究*

高成跃，王档良，何龙坤

(中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

0 引言

电渗防水技术是近年来兴起的地下空间防水新技术，体现全新防水理念，可在背水面对混凝土、砌体结构进行永久性防水。对于混凝土和砌体结构，水分子可通过多种方式渗入结构内部。其中，最简单的方式是水利用自重或侧向压力，通过孔隙或裂缝渗入结构内部。在电场作用下，水分子沿电势梯度向负电极方向移动，水分子定向移动现象即为电渗。结构内部水分子持续不断向结构外侧移动，从而起防渗、防潮作用。

电渗防水技术具有一定优势，可应用于地下结构防渗堵漏中。但当混凝土裂缝宽度达到一定程度时，电渗防水技术失去效果，无法阻止地下水渗入。为得到一定电压下电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度极限值，对电渗理论及裂缝宽度计算公式进行推导，并开展室内模型试验加以验证。

1 裂缝宽度计算公式

根据 Esrig理论：

Ue=vet

(1)

(2)

式中：Ue表示电渗排水量；ve表示电渗流量；t表示电渗时间；ke表示电渗系数；ΔØ表示有效电势；A表示电流通过混凝土裂缝的横截面面积；L表示阳、阴极距离。

根据Navier-Stokes方程及立方定律：

(3)

式中：q表示单宽流量；g表示重力加速度；b表示裂缝宽度；J表示水力坡降；v表示水动力黏度。

Uh=qbt

(4)

式中：Uh表示水渗透量。

电渗防水物理模型如图1所示，数学模型如图2所示。当电渗排水量等于水渗透量时，得到电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度极限值计算公式：

图1 电渗防水物理模型

图2 电渗防水数学模型

(5)

式中：Δh表示为地下水位至裂缝位置水头差。

由式(5)可知，当外加电压一定时，Δh越大，电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度极限值越小，当Δh一定时，外加电压越大，电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度极限值越大。当Δh=80mm时，计算得到20，40，60V外加电压下裂缝宽度极限值分别为0.34，0.41，0.50mm。

2 室内电渗试验

在制作完成的混凝土墙体结构两端插入电极，电极接入电渗仪(见图3)。电渗仪开启后对混凝土进行电渗，在混凝土中产生电场。混凝土裂缝中的水在电场作用下产生定向移动，由正极流向负极，试验过程中统计背水面渗水量，以确定电渗防水技术抗渗效果。

图3 室内电渗试验原理

2.1 试验装置与材料

自主设计试验模型箱，塑料材质，尺寸为400mm×235mm×140mm(长×宽×高)，试验过程中水位保持为110mm，试验装置如图4所示。铜电极板尺寸为217mm×140mm×1mm(长×宽×厚)，在铜电极板上均匀开φ15mm圆孔，在距铜电极板底部30mm处开140mm×5mm(长×宽)裂缝。混凝土试块尺寸为220mm×80mm×140mm(长×宽×高)，配合比为水∶水泥∶砂∶石=185∶400∶650∶1 180(kg/m3)，水灰比为0.46。

图4 室内试验装置

在混凝土浇筑过程中插入试验所需厚度(0.35，0.40，0.50，0.60mm)的超薄不锈钢片(长200mm，宽90mm)，并在表面涂抹凡士林，待混凝土凝固24h后轻微水平抽动钢片(防止混凝土干燥后钢片无法抽出)。混凝土完全干燥固结24d后，将钢片从混凝土中抽出，实现对混凝土裂缝宽度的控制。利用裂缝观测仪测量混凝土表面裂缝宽度，以0.50mm宽裂缝为例，测量结果如图5所示。

图5 0.50mm宽裂缝

2.2 试验方法

选用多脉冲电渗控制仪输出直流电压，工作时可实时显示电压与电流。混凝土一侧为定水头，试验过程中在水面上方悬挂塑料水瓶，不断向下滴水，保证混凝土一侧水头恒定。电渗24h，每隔1h记录1次混凝土试块背水面渗水量与电流。为对比分析，试验分组如表1所示。

表1 试验分组

2.3 抗渗效果判定标准

电渗前后电阻变化如图6所示，当混凝土试块中的水向阴极移动时，由于靠近阳极侧水分子减少，该侧混凝土部分孔隙中出现空气，由于空气电阻远大于孔隙水电阻，电渗处理后的混凝土试块整

图6 电阻变化示意

体电阻变大。设混凝土骨料电阻为R1，空气电阻为R2，初始孔隙水电阻为R3，电渗后孔隙水电阻为R4，初始混凝土试块总电阻为R0，电渗后混凝土试块总电阻为R，则有：

(6)

(7)

由于R2+R4>R3，所以有R>R0，这也解释了电阻增大或减小的原因。因此，可根据混凝土试块电阻变化评估电渗技术抗渗效果，即混凝土试块电阻越大，电流越小，抗渗效果越明显。

3 试验结果与分析

3.1 电阻

20V电压下，混凝土试块24h电阻变化曲线如图7a所示。由图7a可知，不加水头的试块G1电阻发生小范围波动，电阻平均值为150Ω，且在24h电渗过程中的电阻均大于试块G2，G3，这是因为不加水头的混凝土试块中不含水分，电阻较大；试块G2电阻逐渐增大，电渗8～16h时的电阻变化曲线较平稳，电渗18h后的电阻与试块G1接近，这是因为电渗18h后混凝土试块中的水分基本排尽，达到与试块G1相同的干燥状态；试块G3电阻较小且基本不发生变化，稳定在10Ω左右，这是因为在水头作用下，水渗透量大于电渗排水量，裂缝中一直有水通过，导致混凝土试块电阻较小。

图7 电阻变化曲线

40，60V电压下，混凝土试块24h电阻变化曲线分别如图7b，7c所示。由图7b，7c可知，试块G4电阻平均值为185Ω，试块G7电阻平均值为170Ω，均较试块G1大，但试块G1，G4，G7电阻曲线变化规律相同，可认为干燥状态下混凝土试块电阻差异是由人为测量误差造成的；对于试块G3，G6,G9,试块G9电阻平均值为85Ω，试块G6电阻平均值为50Ω，可知试块G9电阻平均值最大，其次为试块G6，试块G3电阻平均值最小，这是因为电压越高，阻水能力越强，即使不能阻挡全部水流，也起到一定阻水作用，从而导致电阻不同。

3.2 渗水量

混凝土试块背水面渗水量如表2所示，由表2可知，20V电压下，随着电渗时间的增加，试块G2背水面渗水量基本呈逐渐减小趋势，电渗20h后，渗水量为0mL，可知20V电压可完全止住0.35mm宽裂缝渗水；20V电压下，随着电渗时间的增加，试块G3背水面渗水量基本呈逐渐减小趋势，但电渗24h时渗水量未达到0mL，可知20V电压不可完全止住0.40mm宽裂缝渗水。40V电压下，随着电渗时间的增加，试块G5背水面渗水量基本呈逐渐减小趋势，电渗21h后，渗水量为0mL，可知40V电压可完全止住0.40mm宽裂缝渗水；40V电压下，随着电渗时间的增加，试块G6背水面渗水量基本呈逐渐减小趋势，但电渗24h时渗水量未达到0mL，可知40V电压不可完全止住0.50mm宽裂缝渗水。60V电压下，随着电渗时间的增加，试块G8背水面渗水量基本呈逐渐减小趋势，电渗21h后，渗水量为0mL，可知60V电压可完全止住0.50mm宽裂缝渗水；60V电压下，随着电渗时间的增加，试块G9背水面渗水量基本呈逐渐减小趋势，但电渗24h时渗水量未达到0mL，可知60V电压不可完全止住0.60mm宽裂缝渗水。综上所述，20，40，60V电压下电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度极限值分别为0.35，0.40，0.50mm。

表2 混凝土试块背水面渗水量 mL

3.3 电压-裂缝宽度关系曲线

将相关试验参数代入式(5)，得到电压-裂缝宽度关系曲线，如图8所示。由图8可知，当电压增大时，电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度极限值随之增大，电压>40V时曲线逐渐变缓，出现试验值大于理论值的情况，这是因为电压过高时，混凝土试块同时存在电渗、电解水、电泳情况，电解水、电泳起到一定阻水作用。当电压较高时，需考虑电渗、电解水与电泳的综合作用。20，40，60V电压下电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度理论计算极限值分别为0.34，0.41，0.45mm，与试验值差距较小。

图8 电压-裂缝宽度关系曲线

4 结语

1)根据达西定律和Esrig理论等推导了电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度极限值理论计算公式。

2)计算得到混凝土试块电压-裂缝宽度关系曲线，并得到20，40，60V电压下电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度理论计算极限值分别为0.34，0.41，0.45mm。

3)对不同裂缝宽度混凝土试块进行电渗试验，得到试块电阻与背水面渗水量变化规律，以检验电渗防水技术抗渗效果。试验结果表明，当Δh=80mm时，20，40，60V电压下电渗防水技术可处理混凝土裂缝宽度极限值分别为0.35，0.40，0.50mm。