高延性水泥基复合材料在混凝土防渗加固中的应用

陈 溪（上海市建筑科学研究院有限公司上海市工程结构安全重点实验室， 上海 200032）

1 我国建筑渗漏问题与防渗加固现状

根据中国建筑防水协会和北京零点市场调查与分析公司联合发布的《2013年全国建筑渗漏状况调查项目报告》[1]，我国建筑屋面渗漏率达 95.33%，地下建筑渗漏率达 57.51%，住户渗漏率达 37.48%。在上海的 105 个建筑样本中，存在地下室渗漏的比例为 52.38%，存在屋面渗漏的比例高达 100%。

我国绝大多数建筑均为钢筋混凝土结构，混凝土材料或构件的渗水对建筑的安全性、适用性和耐久性均有极大威胁[2]。屋面、地下室等部位产生渗漏会造成使用者的经济财产损失，影响建筑的适用性；结构构件的渗漏会使钢筋锈蚀，造成建筑耐久性下降；此外，钢筋锈蚀还会导致结构承载能力的下降，对建筑的安全性产生巨大威胁。

目前，混凝土结构防渗加固主要使用聚合物砂浆、防水卷材、有机防水涂料等材料[3]，一定程度上起到了提高混凝土抗渗性能的作用。然而，现有防渗加固材料对混凝土结构的力学性能提升并没有显著作用，并不能阻止混凝土在外加荷载或变形作用下产生开裂，继而引发渗水。因此，研究在外加荷载、变形作用下仍能起到较好抗渗作用的材料具有十分重要的意义。理论研究与工程实践均证明，使用具有韧性的水泥基材料进行防渗加固，可有效避免建筑产生变形时渗漏的发生。

2 ECC 用于防渗加固的应用现状

高延性水泥基复合材料（Engineering Cementitious Composite, ECC）是 Li 等[4]于 1998年提出的新型建筑材料，极限抗拉应变可达 3% 以上，有效克服了混凝土的脆性开裂问题。此外，ECC 开裂后的裂缝细密，根据 ECC 的渗透理论[5]，多条细密裂缝比一条普通裂缝具有更低的渗透率。ECC 的这些力学特性使其具有用于防渗加固的潜力。

目前国外已有许多关于使用 ECC 进行防渗加固的研究，在实际工程中也得到了广泛应用，例如美国蒙大拿州灌渠修复工程[6]，日本广岛 Mitaka 水坝水库修复工程[7]，日本 Shiga 县灌溉渠工程[8]等。2003年，使用超过 60 a 的日本广岛 Mitaka 水坝出现了多处开裂、渗水的情况。为排除安全隐患，工程师在经过调研后决定使用喷射 ECC 对水坝表面进行维修，并在 500 m2的混凝土水坝表面上喷射了一层 30 mm 厚的 ECC 作为覆盖层，如图 1 所示；使用 ECC 加固后，有效防止了水流对水坝的侵蚀，从而保证水坝在水流作用下的耐久性。2005年，日本 Shiga 县的灌溉渠使用 ECC 抹面加固和喷射加固两种方法进行了防渗加固；同时作为对照，部分区域使用了高强聚合物水泥砂浆和普通水泥砂浆进行防渗加固。若干年后对该加固工程的调查结果表明，使用高强聚合物水泥砂浆和普通水泥砂浆加固部位均出现了较为明显的裂缝，而使用两种 ECC 加固方法的部位都没有出现肉眼可见的裂缝。

图1 ECC喷射面层修补水坝

3 ECC 抗渗性能的试验与计算验证

3.1 ECC 力学性能测试

本文使用表 1 所示的配合比配制 ECC，拌和时采用纤维后加法。使用的具体材料为海螺牌 PO42.5 级水泥、I 级粉煤灰、粒径小于 0.2 mm 的细石英砂、PCA 型聚羧酸盐类减水剂、日本 KURALON K-II RECS15×12 型 PVA 纤维。

表1 ECC 配合比

ECC 抗拉试验共制作 3 个抗拉试件，采用两端粗、中间细的狗骨形试件，且截面变化处为平滑的圆弧以防止应力突变导致开裂，试件尺寸为 330 mm×60 mm×13 mm，细部尺寸如图 2 所示。抗压试验共制作 3 个抗压试件，采用 50 mm×50 mm×50 mm 的立方体试块。

图2 ECC 抗拉试验试件

抗拉试验的应力–应变曲线如图 3 所示，开裂后的 ECC 试件裂缝发展情况如图 4 所示，ECC 的力学性能如表 2 所示。

图3 抗拉试验应力-应变曲线

图4 开裂后的ECC试件

表2 ECC力学性能试验结果

由表2 可以看出，与普通混凝土相比，ECC 具有很高的极限拉应变，体现了优越的抗变形能力。由图 4 可看出，开裂后的 ECC 试件的裂缝十分细密，根据水泥基材料的渗透理论，说明 ECC 在抗渗性能方面明显优于普通混凝土，可作为防渗加固材料使用。

3.2 裂缝宽度分析

传统混凝土为脆性材料，极限抗拉应变通常只有 0.01% 左右，且开裂时一般是从一条主裂缝处断裂。基于 Wang 等[9]对开裂后混凝土的渗透率进行研究得到的渗透率–裂缝宽度曲线，当混凝土裂缝宽度超过 0.1 mm 时，渗透率急剧增加；达到 0.2 mm 时，渗透率超过 10-8m/s。

由表 2 和图 4 可以看出，ECC 开裂时的裂缝分布十分细密，在试验过程中，当拉应变达到 1% 时量测的裂缝宽度约为 0.05 mm。根据 GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》要求，防水混凝土裂缝宽度不得大于 0.2 mm，因此可以认为即使 ECC 的拉应变在达到 1% 时，其裂缝宽度仍能满足规范要求，体现了 ECC 在防渗加固中的优势。

3.3 渗水量计算验证

根据规范要求，防水混凝土结构厚度不得少于 250 mm，且对四级防水标准，任意100 m2防水面积上的平均漏水量不大于 4 L/(m2·d)。

以往研究[5]表明，ECC 的渗透曲线可由式（1）拟合。

式中：k—单位面积的渗透率，表示单位面积中所有裂缝渗透率之和，m/s；

ε—应变，%。

由式（1）可得，在 1% 的应变水平下，ECC 渗透率约为 3.77×10－8m/s。

假设 ECC 层厚度为 250 mm，积水深度为 0.25 m。根据式（2）可得 ECC 在 1% 应变下的平均漏水量为 3.25 L/(m2·d)。

式中：V—渗透水的体积；

A—水流法向面积；

t∫—水渗透时间；

h0—积水深度，m；

Lt—水流方向的材料厚度。

以上计算证明，在 1% 应变下，250 mm 厚的 ECC 板仍能在 0.25 m 高的水压下符合四级防水标准要求。

根据以往研究中的混凝土渗透率-裂缝宽度曲线[9]，混凝土裂缝宽度达到 0.2 mm 左右时，应变远低于 1%，其渗透率在 10－8m/s 数量级，与 ECC 在 1% 应变下的渗透率相近。由此可见， ECC 在大变形时仍能保持良好的抗渗性能。

4 结语

本文总结了我国建筑渗漏问题以及 ECC 用于工程防渗加固的应用现状，并通过一组 ECC 力学性能实验对其受拉应变及受拉破坏后产生的裂缝形态进行了研究，据此对 ECC 裂缝宽度及渗水量与普通混凝土进行了对比分析，验证了使用 ECC 进行防渗加固比普通混凝土有明显优势。