绿色地下工程墙地面渗水隔水排放材料系统制备

胡 豪，邓跃全，贾 彬，张 辉，王 姚，杨 威（.西南科技大学材料科学与工程学院， 四川 绵阳600；.微纳米颗粒应用研究科技国际合作实验室， 四川 绵阳 600）

由于水文地质及挡墙厚度不够的原因，所以地下工程深入地下易造成地下工程墙面和地面渗水问题，既对墙体造成了破坏，又影响了墙体自身的美观，对地下工程通讯和通风设施造成影响和破坏[1-4]。现有的方法一般是防水堵漏，但“堵”并非一种有效解决方式，需要提出“疏”的方法，标本兼治地解决问题。透水混凝土是一种能“疏”的城市积水排放手段，并可借此打造“海绵城市”，消除城市内涝，增加地表含水量[5-7]。其由集料（多采用单粒级或间断粒级）、水泥、增强剂、水等组成，一薄层水泥浆包覆在粗集料表面，相互黏结而形成孔穴均匀分布的多孔蜂窝状结构[8-9]。一般采用大粒径集料（粒径可达 25 mm），虽然透水率可达10～15 mm/s[10-13]，可快速有效地排除雨水，但其厚度大、用材多，适合于地上地面工程的排水。但地下工程渗水量一般都不大且稳定，需要特制低渗水小集料的薄层透水砂浆，在墙脚开排水沟导入排水系统，从而低成本解决其渗水排出问题，同时为保持墙面干燥，需要采用防水砂浆进行面层处理[14-17]。一般的防水丙烯酸或者聚氨酯乳液有刺激性单体挥发，影响健康。沥青不但有有毒气体放出，而且颜色较黑，影响感观，不宜用作面层装饰材料；聚乙烯醇水溶胶没有气味，常用作食品胶黏剂，具有较好的环保性能[18-20]。本文提出一种绿色的地下工程墙地面渗水隔水排放材料系统的制备方法，制备了相应的透水混凝土、透水砂浆、防水砂浆，结合渗水量设计了透水砂浆层厚度以及排水沟透水混凝土层截面积计算方法，采用无味的聚乙烯醇水泥基砂浆面层防水材料。最终可隔绝水的渗出，并起到美观的作用，不失为一种绿色的国防人防等地下工程墙面渗水问题解决方法。

1 试验部分

1.1 原料及试剂

（1）水泥：普通 325 号 或者 425 号硅酸盐水泥。

（2）集料粒径范围为 1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm。

（3）MS-400 型羟丙基纤维素醚，山东戈麦斯化工有限公司。

（4）FY 型木质纤维素，山东阜盈生物科技有限公司。

（5）C-150 型聚乙烯醇，广东中联邦精细化工有限公司。

1.2 仪器

（1）JBL 型干粉砂浆混合机，安丘市华宇建材机械厂。

（2）CMT5105 型微机控制电子万能试验机，优鸿测控技术(上海)有限公司。

（3）YP 型电子天平，常州宏衡电子仪器厂。

（4）秒表计时器。

1.3 试验方法

1.3.1 地下工程排水沟透水混凝土的制备方法

在干粉砂浆混合机内先加入水泥和集料（粒径范围为5～10 mm），再依次加入羟丙基纤维素醚和木质纤维素。搅拌均匀后，用水调配至适合施工的状态，备用。

1.3.2 地下工程墙面透水砂浆的制备方法

在干粉砂浆混合机内先加入水泥和集料（粒径范围为3～5 mm），再依次加入羟丙基纤维素醚和木质纤维素。搅拌均匀后，用水调配至适合施工的状态，备用。

1.3.3 地下工程净味聚乙烯醇水泥防水砂浆的制备方法

聚乙烯醇水溶胶的制备：取一份聚乙烯醇加入 18 份水中，水浴加热至 85～95 ℃，待溶液至透明状态，制得聚乙烯醇水溶胶，备用。

在干粉砂浆混合机内先加入 18.7% 水泥和 55.9% 集料（粒径范围为 1～3 mm），再依次加入 0.1% 纤维素增稠剂、0.3% 木质纤维素，搅拌均匀后，再加入 25% 的聚乙烯醇水溶胶搅拌至均匀，最后加适量的水调配至适合施工的状态，备用。

1.3.4 含水率的测试方法

先称干重的质量，用水浸泡一段时间后，再称湿重的质量，最后计算含水率，其计算公式如式（1）所示。

式中：湿重、干重，g。

1.3.5 透水率和孔隙率的测试方法

根据以下计算式计算透水率和孔隙率，其中V和V0为已知量，V＊、t始和t终为待测量，其计算公式如式（2）、式（3）所示。

式中：r—模具的半径，m；

式中：V0—材料的孔隙体积，mL；

V＊—材料的表观体积，mL。

1.3.6 强度的测试方法

按照 GB/T 17671—1999 《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行测试。

1.4 地下工程墙地面渗水隔水排放系统的构成

本法地下工程墙地面渗水隔水排放系统的构成示意如图1 所示。

图 1 地下工程墙地面渗水隔水排放系统的构成示意图

在渗水墙面上做透水砂浆，墙面与地面连接部位开挖一条紧靠墙脚的排水沟。隔一定距离，开挖一条连接对面的排水沟（排水沟内做透水混凝土，并与墙面透水砂浆连通），与地下工程原有的排水沟连通。墙面层的渗水通过透水砂浆和透水混凝土流入原排水沟排出，采用防水砂浆对透水砂浆和透水混凝土层进行盖面处理，保持墙面干爽，从而消除墙面渗水的影响。

2 结果与讨论

2.1 排水沟透水混凝土的制备

一般情况下，地下工程渗水量不大，因此设计透水混凝土透水率略小一些。试验发现，加水量的影响最为显著，因此固定集料的粒径范围为 5～10 mm，木质纤维素、羟丙基纤维素醚、水泥和集料的含量、试验水的加入量对排水沟透水混凝土性能的影响结果如表 1 所示。

表 1 水的加入量对排水沟透水混凝土性能的影响

由试验结果可知，随着水含量由 6.5% 增至 9.1%，含水率逐渐增加，孔隙率先减小后增大，透水率基本呈减小趋势，抗折强度由 2.1 MPa 增至 3.0 MPa，抗压强度由 7.5 MPa 增至 10.5 MPa，可达到 C 7.5、C 10 等级的要求。这是因为水的含量越多，水泥浆体会增多，水化越好。当水泥含量为 14%、水含量为 6.5% 时，透水率、抗折强度和抗压强度分别为 7.1 mm/s、2.101 8 MPa、7.462 7 MPa，获得的排水沟透水混凝土各性能较为合适。

2.2 墙面透水砂浆的制备

此次试验需制备一种适合于地下工程墙面低渗水用的透水砂浆。选用粒径范围为 3～5 mm 的小集料，达到低厚度、低成本的效果。试验发现，水泥和水的加入量对强度和透水率影响较大，因此分别试验了 2 个因素加入量对墙面透水砂浆性能的影响。

2.2.1 水泥的加入量对墙面透水砂浆性能的影响分析

固定木质纤维素和羟丙基纤维素醚的含量，水的加入量为调配砂浆适合状态，水泥和集料的总量保持为 91%，并以此确定集料的加入量，试验水泥的加入量对墙面透水砂浆性能的影响，结果如表 2 所示。

表 2 水泥的加入量对墙面透水砂浆性能的影响

由试验结果可知，随着水泥含量由 10% 增至 23%，含水率先增大后减小，孔隙率和透水率都逐渐减小，抗折、抗压强度均逐渐增大。这是因为水泥含量越多，集料之间的黏接程度越强，表面孔隙大部分被堵塞。当水泥含量为13%～14% 时，透水率急剧下降，出现质的突变，变化范围很大。考虑到透水率的要求，当水泥含量为 10%～14%时较适宜，透水率在 1.0～1.6 mm/s，抗压强度为 4.6～8.6 MPa，可达到 M 2.5、M 5、M 7.5 等级的要求。

2.2.2 水的加入量对墙面透水砂浆性能的影响分析

考虑到透水率的要求，分别在水泥加入量为 11% 和14% 的情况下，试验水的加入量对墙面透水砂浆性能的影响，结果如表 3 和表 4 所示。

表 3 水的加入量对墙面透水砂浆性能的影响（水泥加入量 11%）

由试验结果可知，随着水含量由 7.4% 增至 9.3%，含水率总体增大，透水率和孔隙率均逐渐减小，抗折强度保持在 2.0 MPa 左右，抗压强度在 4.7～6.0 MPa，可达到 M 2.5、M 5 等级的要求。

表 4 水的加入量对墙面透水砂浆性能的影响（水泥加入量 14%）

由试验结果可知，随着水含量由 7.4% 增至 9.1%，含水率总体增大；孔隙率逐渐减小，透水率先增大后减小，抗折强度为 1.8～3.0 MPa，抗压强度为 7.5～8.6 MPa，可达到 M 2.5、M 5、M 7.5 等级的要求。

水含量越多，吸水孔就越多，水化程度就越好，砂浆之间结合得更加紧密，强度增大而透水率减少。

总体而言，水含量对墙面透水砂浆的透水率影响较大。当水泥含量为 14%、水含量为 8.3% 时，透水率、抗折强度和抗压强度分别为 1.40 mm/s、1.868 5 MPa、7.598 4 MPa，获得的墙面透水砂浆各性能较为合适。

2.3 聚乙烯醇水泥防水砂浆的制备

试验表明，采用防水砂浆对透水砂浆和透水混凝土层进行盖面处理，可隔绝水的渗出墙面，使墙面层的渗水通过透水砂浆和透水混凝土流入原排水沟排出，生态无味，可达到设计要求。

2.4 计算

根据墙面的渗水情况计算墙面透水砂浆层的厚度 h墙透水砂浆 及排水沟透水混凝土层的截面积s沟透水混凝土，步骤如下所示。

（1）墙面透水砂浆层的厚度计算如式（4）、式（5）所示。

由（4）（5）式得：h墙透水砂浆=k墙s墙/(q墙透水砂浆L墙透水砂浆)式中：k墙—墙面层的渗水率，m/s；

s墙—墙面层的面积，m2；

q墙透水砂浆—墙面透水砂浆层的透水率，m/s；s墙透水砂浆—墙面透水砂浆层的面积，m2；L墙透水砂浆—墙面透水砂浆层的宽度，m。（2）排水沟透水混凝土层的截面积的计算如式（6）所示。

由式（6）得：s沟透水混凝土=q墙透水砂浆s墙透水砂浆/q沟透水混凝土

式中：q沟透水混凝土—排水沟透水混凝土层的透水率，m/s。

2.5 机理分析

透水混凝土材料的形貌图如图 2 所示，透水砂浆材料的形貌图如图 3 所示。

图 2 透水混凝土材料的形貌图

图 3 透水砂浆材料的形貌图

影响透水率的因素主要有 3 个。

（1）集料粒径的大小、水泥的含量和水的含量，集料的粒径越大，形成的孔洞尺寸越大，透水率也相应增大。

（2）水泥含量越多，表面孔隙大部分被堵塞，各颗粒间形成的孔洞较少，呈致密状态，集料之间的粘接程度越强，强度增大而透水率减小。

（3）水的含量对透水率影响较大，水含量越多，水化就越好，砂浆之间呈紧密状态，导致透水率减小，反之亦然。

3 结 语

针对地下工程墙地面的渗水问题，提出一种绿色的地下工程墙地面渗水隔水排放材料系统的制备方法，制备了相应的透水混凝土、透水砂浆、防水砂浆。试验表明，集料粒径的大小、水泥的含量和水的含量对透水性能影响较大。

制备排水沟透水混凝土材料，集料粒径范围为 5～10 mm、水含量为 6.5%、水泥含量为 14%，相应的透水率、抗折强度和抗压强度分别为 7.1 mm/s、2.101 8 Mpa、7.462 7 MPa。

（2）制备墙面透水砂浆材料，集料粒径范围为 3～5 mm、水含量为 8.3%、水泥含量为 14%，相应的透水率、抗折强度和抗压强度分别为 1.40 mm/s、1.868 5 MPa、7.598 4 MPa。

（3）采用无味的聚乙烯醇水泥基砂浆面层防水材料，生态环保，符合防水要求。

（4）结合渗水量设计了透水砂浆层厚度以及排水沟透水混凝土层截面积计算方法。

（5）获得的国防人防等地下工程墙面渗水问题的解决方法，生态绿色，可靠性强，应用价值突出。