新型防水材料在铁路隧道工程中的应用探讨

新型防水材料在铁路隧道工程中的应用探讨121张洪丁占来付书峰(1.中铁六局集团石家庄铁建公司，石家庄050011；2.石家庄铁道学院，石家庄050043）摘要：简述了高聚物改性沥青防水卷材、高分子防水卷材、聚氨酯防水涂料等柔性防水材料、与水泥基渗透结晶型刚性防水材料的防水机理及发展现状；分析了目前在铁路隧道防水工程中防水材料的发展现状；将柔性防水材料与刚性防水材料的防水层施工做了对比分析，探讨了水泥基渗透结晶型防水材料在铁路隧道防水工程中的应用设想。关键词：隧道工程；铁路隧道防水；刚性防水材料；柔性防水TheDiscussionofNewWaterproofMaterialsUsinginRailwayTunnelEngineering121ZHANGHong，DINGZhanlai，FUShufeng(1．ShijiazhuangRailwayConstructionCo.Ltd.ofthe6GroupCREC,Shijiazhuang050011,China;2．ShijiazhuangRailwayInstitute,Shijiazhuang050043,China)Abstract：Thewaterproofmechanismandcurrentdevelopmentsituationarediscribedontheflexiblewaterproofmaterial,suchaspolymermodifiedasphaltwaterproofmaterials,polymerwaterproofmaterials,polyurethanewaterproofcoatingetc,andthecement-basedcapillarycrystallinerigidwaterproofmaterials.Thedevelopmentsituationofwaterproofworkinrailwaytunnelsisanalyzed.Thewaterprooflayerconstructionprocessoffexiblewaterproofmaterialandrigidwaterproofmaterialsarecompared.Theapplicationofcement-basedcapillarycrystallinewaterproofmaterialsinrailwaytunnelwaterproofengineeringisexploredinthispaper.Keywords：tunnelengineering，waterproofofrailwaytunnel，rigidwaterproofmaterials，flexiblewaterproof1前言铁路隧道是专供铁路运输使用的地下工程结构物，是铁路线路上的大型永久性建筑物，它包括衬砌、明洞、洞门等主体结构和避车洞、防排水设施等附属结构。随着铁路的现代化，隧道工程在铁路工程中的作用和地位日益重要。由于隧道贯通山体，其所处的环境条件和受力情况极为复杂，加之修建年代不同采用的技术标准不统一，以及在设计、施工上的某些局限性，既有铁路隧道结构存在着多种病害。截至2006年底，全铁路共有运营隧道6495座，总延长3768.7km。存在病害劣化的隧道合计有4255座，其中有AA级病作者简介：张洪，女，本科，汉族，高级工程师，现从事铁路工程施工技术管理与质量管理工作。河北铁道学会会员，E-mail：zhhong9554@126.com823 害劣化的隧道195座，占全路运营隧道总座数的3.32%；有A1级病害劣化的隧道2846座，占全路运营隧道总[1]座数的46%。隧道病害中，结构渗漏水、衬砌裂损、衬砌腐蚀混凝土强度不足、仰供铺底变形损害占绝大多数。这些隧道病害的产生多数与隧道的排水、防水有密切关系。排水与防水在隧道工程的设计与施工中越来越受到人们的重视，排水工程应尽量做到使隧道与周围生态环境的协调，以“堵排结合，大堵小排”的理念有效地保护水资源和生态环境。衬砌防水施工是减少隧道病害的重要措施之一，但是现有的复合式衬砌，即喷射混凝土层、防水板与模筑二次衬砌之间并不能很好地彼此贴合，形成“三张皮”，难以保证[2]共同作用，而且会在衬砌中产生空隙。随着新型防水材料的发展，新型防水材料防水层与初期支护和二次衬砌之间有效结合成为可能。本文介绍新型防水材料的进展，探讨新型防水材料在隧道防水工程中的应用。2新型防水材料的发展现状新型防水材料可以分为三类：防水卷材、防水涂料与刚性防水材料。2.1防水卷材防水卷材分为高聚物改性沥青防水卷材与高分子防水卷材：高聚物改性沥青防水卷材主要包括APP、SBS作为改性材料的防水卷材，以聚酯胎和玻璃纤维胎为主。此种防水卷材是我国发展最快的一种新型防水材料，自20世纪80年代以来从国外引进了十几条生产线，现在达到年产2亿平米的生产能力。高聚物改性沥青防水卷材的施工，目前大多常采用的火焰枪热熔施工法及冷玛蹄脂粘结，部分工程采用冷自粘卷材施工。高分子防水卷材主要包括三元乙丙、聚氯乙烯、氯化聚乙烯、氯化聚乙烯-橡胶共混、聚乙烯丙纶等防水卷材。我国先后从日本引进三元乙丙防水卷材生产线，全国的年生产能力在1600万平米左右，近年来主要用于地铁、水利和体育场馆工程的建设；聚氯乙烯防水卷材我国自行研制已有较长时间，年生产能力约1200万平米；氯化聚乙烯（CPE）防水卷材包括以玻璃布增强的卷材、无胎体卷材和氯化聚乙烯-橡胶共[3]混卷材，全国生产能力约为1500万平米。2.2防水涂料防水涂料主要指有机物防水涂料，有机物防水涂料以高分子防水涂料和改性沥青防水涂料为主。高分子防水涂料主要是聚氨酯防水涂料、丙烯酸乳液防水材料、JS复合防水涂料、乙烯一醋酸乙烯防水涂料，其中聚氨酯防水涂料使用最多；改性沥青防水涂料为中档防水涂料，主要有阳离子型氯丁胶乳沥青防水材料、SBS改性沥青防水涂料，水性PVC防水涂料。阳离子型氯丁胶乳沥青防水涂料应用最为广泛。其主要机理是分层涂刷或喷涂在需要进行防水处理的基层表面上，通过溶剂挥发或水分蒸发或反应固化后形成的连[3]续膜隔断水的渗透，达到防水作用。2.3刚性防水材料刚性防水材料包括水泥基渗透结晶型防水涂料和掺加外加剂的防水混凝土和防水砂浆。渗透结晶型防水材料是由硅酸盐水泥、石英砂、化学活性物质以及各种添加剂组成的无机粉末状防水材料，是在催化反应的基础上发展的一类刚性防水材料，它以水为载体通过具有催化作用的物质促使混凝土中未水化的水泥在混凝土或砂浆的内部孔隙中反应，形成不溶于水的枝蔓状结晶体，堵塞封闭毛细孔通道和缝隙，与混凝土结构结合成防水层整体，提高混凝土的抗渗能力。该种防水材料赋予混凝土自修复能力和可靠的永久性防水抗渗作用，并可以提高混凝土或砂浆的机械强度，减少吸湿作用、毛细作用、化学侵蚀作用、渗透作用和冻融作用对混凝土结构的侵害，显著增加混凝土的耐久性。从20世纪70年代以来，渗透结晶型防水材料在发达国家的建筑防水施工中得到广泛的应用。在国内生产销售的产品有：加拿大赛柏斯（XYPEX）渗透结晶型防水材料，德国防挡水（FORMDEX）系列产品，美国膨内传(PENETRON)系列产品，澳大利亚捷邦824 104(CRYSTALSEALER)产品，以及国内自行研制并生产的WD和YJH渗透结晶型防水材料。水泥基渗透结晶[4-6]型防水涂料执行国标GB18455-2001《水泥基渗透结晶型防水材料》。3铁路隧道工程中防水目前存在的问题目前的铁路隧道工程中的防水材料主要还是防水板和防水卷材，但从使用这种防水系统的经验来看，这样的防水系统存在以下不足：（1）防水板和防水卷材本身不能和混凝土密贴，安设时的冲击、背面突出物等易将防水板扎破，导致漏水；（2）如遇壁面混凝土有较大空洞和凹凸的场合，浇筑二次衬砌时，防水板和卷材将受较大的拉力，局部会变薄，甚至破损，特别是结合部易发生断裂破坏；（3）防水板与防水板间的接合部是薄弱环节，稍有不慎，会导致整个防水体系失效；（4）防水板缺乏封闭围岩和初衬表面裂隙的能力，地下水可能在防水板后面的空间内扩散，对二衬造成影响；（5）由于围岩具有流变性，后期围岩应力调整、发生地震等自然灾害时，围岩及初期支护产生变形，在基面不平整或有突出点处防水板和卷材很容易产生穿刺性损伤，造成防水层失效；（6）目前防水板和防水卷材为人工铺设，效率低，铺设质量不能保证，且采用铆钉铺设或无钉焊接[6]工艺，会对防水板造成一定的伤害，易出现质量问题。4水泥基渗透结晶型防水材料在铁路隧道工程中的应用设想由于目前在铁路隧道工程中使用的防水系统存在着上述的一些不利方面，因而，可设想用水泥基渗透结晶型防水材料代替一般的防水卷材或防水板，使铁路隧道防水工程的施工更加方便、快捷，更重要的是使用水泥基渗透结晶型防水材料具有永久性的防水效果，使其防水系统更加合理、更加耐久。水泥基渗透结晶型防水材料在施工时所需的工具比较简单,一般采用喷涂施工法或者刷涂施工法。采用水泥基渗透结晶型防水材料对铁路隧道的防水处理可在初期支护后进行，也可在二次衬砌施工后进行，具体施工工艺如下：（1）对施工基面的要求：首先初期支护混凝土基面应该干净无浮尘、旧涂膜、尘土及其他杂物，以利于材料的渗透和结晶体的形成。若混凝土表面特别光滑，除进行以上处理外，还可以采用凿击、钢丝刷刷洗等方法处理。对所有要涂刷CCCW的混凝土，必须仔细检查是否有结构上的缺陷，如裂缝、蜂窝麻面等，针对以上状况，均应凿除、[7]修理，用CCCW进行堵缝、补强、找平处理。（2）施工方法：a.施工前必须用清水彻底润湿工作面，形成内部水分饱和，以利于CCCW借助水分向混凝土结构内部渗透。但要注意润湿的表面不能有多余的存水，如施工过程中发现局部还是过于干燥，必须重新润湿[7]。b.按产品说明书的要求配置水泥基渗透结晶型防水涂料，边搅拌边将水加入，然后用手提搅拌器搅拌成均匀的涂料，搅拌时问约为3～5min。每次调好的浆料应尽可能在30min内用完，当混合物变稠时应频繁搅动，不可加水冲稀。c.喷涂或刷涂：由于隧道表面（初期支护或二期支护后的表面）可不用再做找平处理，所以表面较粗糙，用刷涂法施工不宜取得良好的效果，因此建议使用喷涂法施工，即快捷又能保证工程质量，一般喷涂两遍，涂层要求均匀，各处都要喷涂到，涂层太厚养护困难，一般每层厚0.3～0.6mm。（3）检查验收及养护：用观察法检查涂层是否喷涂均匀，不许有漏喷和漏底；按规定做好养护，保证养护时间、次数及使用雾水。同时，养护期间不得有磕碰；喷涂层不得有起皮、剥落、裂纹等现象出现。825 5水泥基渗透结晶型防水材料与传统防水材料相比的优越性5.1性能比较（1）具有长久防水作用：水泥基渗透结晶型防水材料是一种渗透结晶型的混凝土化学防水材料。一般的表面防水材料在经过一段时间的老化作用后，即开始丧失它的防水功能。而目前最为理想的防水材料就是高科技毛细管渗透结晶型防水材料，具有永久性的防水效果，它的独特之处就在于它遇到水以后不断地渗透结晶。随着时间的推移，它的防水效果往往会更好。（2）不存在与基体的黏结性问题：水泥基渗透结晶型防水材料与其它有机或无机防水涂料不同之处，是其渗透结晶后涂层与基层混凝土成为一体，形成整体防水与永久防水，而不是仅形成“外套”粘结，那种涂层与基层混凝土虽然粘合一起，但还是“两张皮”，日久天长，在外界环境作用下，还是会分离的。（3）自修复功能：CCCW防水材料因涂层空穴小且较少，所以有很大一部分活性物质被封堵在涂层中并未聚合或只产生低聚现象，从而使涂层具有一定的活性，在基层含水的情况下，活性物质自动释放出来，可再次随水带人基层缺陷处并逐渐进一步聚合产生稳定的结晶体以封堵水的通道，从而起到自动弥补缺陷的作用。防水性随时间增强，使防水能力达到最高。5.2施工比较水泥基渗透结晶型防水材料施工工艺非常简单，只需要对施工人员进行简单培训，即可掌握要领。简单方便，易于操作。传统防水材料工艺比较复杂，需要施工人员有一定的专业素质方可施工。6结论传统的防水层做法与水泥基渗透结晶性防水材料做法及其耐久性对比如下：（1）传统的防水层做法及其耐久性：a.做找平层,必须保持基体干燥施工；b.施工工艺麻烦,多种工艺交错施工,工期长；c.综合造价高；d.柔性防水材料是有机物,年久会老化失去防水作用。（2）水泥基渗透结晶性防水材料做法及其耐久性：a.无须找平,施工方便；b.可在潮湿的基体上施工；c.施工简便,节约工期，综合造价低；d.无机高效环保型材料，不老化长期抗渗耐受强水压．具有独特的自我修复能力．增加砼强度．保护钢筋．防水作用永久．与混凝土寿命共存。通过与传统防水材料相比，可知水泥基渗透结晶型防水材料是一种刚性防水材料，能较好解决目前常规防水板不能与围岩密贴、接缝部位薄弱、容易刺破等问题，其施工方法和良好的物理化学性能保证了喷涂防水层的整体防水效果，由于其广泛的适应性决定了它能够应用于隧道及地下工程防水，并具有良好的市场前景。参考文献[1]铁道部运输局基础部组织编写.铁路隧道检测技术手册[M]．北京：中国铁道出版，2007，2-6．[2]王建宇．关于山岭隧道工程的技术进步[J]．现代隧道技术，2004年增刊：1-10．[3]沈春林．路桥防水材料[M]．北京：化学工业出版社，2006，202-203．[4]薛绍祖．国外水泥基渗透结晶型防水材料的研究与发展[J].中国建筑防水，2006(6)：11-12．826 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