用于地下建筑變形縫的膏狀止水材料性能模擬試驗(yàn)

劉 昶，楊海榮

(華北水利水電大學(xué) 建筑學(xué)院，河南 鄭州 450045)

我國(guó)現(xiàn)行《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》[1](GB 50108—2008)明確規(guī)定：無(wú)論何種地下工程類型，無(wú)論采用明挖法還是暗挖法，無(wú)論防水等級(jí)高低，都必須在變形縫內(nèi)設(shè)置中埋式止水帶。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)工程實(shí)際情況及防水要求，變形縫構(gòu)造中還需另設(shè)一至兩種防水措施。

國(guó)內(nèi)對(duì)變形縫的設(shè)置規(guī)定不盡相同，相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范做出了不同的要求。整體式襯砌變形縫設(shè)置要求在《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊(cè) 土建工程》[2](JTG 3370.1—2018)第8.3.2條～第8.3.5條中有詳細(xì)規(guī)定：在距明洞口5～12 m的位置以及洞內(nèi)軟硬地層明顯分界處應(yīng)設(shè)沉降縫；嚴(yán)寒與酷熱溫度變化大的地區(qū)，距洞口100～200 m范圍的襯砌段應(yīng)根據(jù)情況增設(shè)伸縮縫；沉降縫、伸縮縫縫寬應(yīng)大于20 mm，且垂直于隧道軸線設(shè)置?！豆匪淼涝O(shè)計(jì)細(xì)則》[3](JTG/T D70—2010)第12.1.3條規(guī)定：當(dāng)明洞位于地質(zhì)變化較大地段時(shí)，應(yīng)設(shè)置沉降縫；在溫差較大地區(qū)，應(yīng)結(jié)合地基的地質(zhì)情況設(shè)置伸縮縫，石質(zhì)地基伸縮縫間距宜為20～30 m?！惰F路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[4](TB 10003—2016)中規(guī)定：隧道襯砌變形縫處混凝土結(jié)構(gòu)的厚度不應(yīng)小于300 mm；用于沉降的變形縫其最大允許沉降值不應(yīng)大于30 mm，當(dāng)計(jì)算沉降值大于30 mm時(shí)，應(yīng)采取特殊設(shè)計(jì)；用于沉降的變形縫寬度宜為20～30 mm，用于伸縮的變形縫寬度宜小于此值。鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)變形縫沉降極值有了彈性空間，但采用何種特殊設(shè)計(jì)，沉降值上限到底是多少，仍需依托實(shí)際工程項(xiàng)目或者實(shí)體模型積累經(jīng)驗(yàn)?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](GB 50157—2013)中第11.7.1條指出：地下結(jié)構(gòu)的變形縫可分為伸縮縫和沉降縫；在區(qū)間隧道和車站結(jié)構(gòu)中不宜設(shè)置沉降縫，在車站結(jié)構(gòu)與出入口通道、風(fēng)道等附屬結(jié)構(gòu)的結(jié)合部宜設(shè)置變形縫；明挖結(jié)構(gòu)沿縱向每隔一定距離設(shè)置伸縮縫。這說(shuō)明對(duì)于車站主體結(jié)構(gòu)而言，一般情況下不設(shè)置專門的沉降縫。但是對(duì)于變形縫的縫寬，該規(guī)范中沒有給出數(shù)值。

在實(shí)際工程中，變形縫十有九漏，是造成地下工程安全隱患的主要因素。變形縫防水中最常用的中埋式止水帶由于受材料、安裝工藝和現(xiàn)場(chǎng)施工等多方面因素的影響，在混凝土澆筑過(guò)程中易發(fā)生移位、扭曲、折皺變形等問(wèn)題，繼而造成變形縫防水失敗[6]。為了減少滲漏發(fā)生，提高地下工程變形縫的防水耐久性，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的建筑防水技術(shù)都逐步向綠色、高質(zhì)量和長(zhǎng)壽命方向發(fā)展。

1 變形縫防水堵漏材料及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 變形縫處新型防水堵漏材料研究

技術(shù)人員文忠[7]發(fā)明了一種以丁基橡膠為主，與其他材料熔融共混硫化而成的變形縫專用防水堵漏膠泥，作為主要填塞型止漏密封材料。采用多種橡膠共混方式生產(chǎn)的防水膠泥可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的綜合性能，增強(qiáng)嵌縫材料自身粘合力，延長(zhǎng)防水年限。雖然該防水堵漏膠泥可以在變形縫里形成長(zhǎng)久穩(wěn)定的止水層，但此類材料主要用于變形縫的滲漏治理。

鑒于地下變形縫的滲水維修難度大、成本高，沈敏[8]等在原有埋設(shè)中埋止水帶的變形縫防水構(gòu)造中，另外加入由止水膠層、塑料薄膜層、密封膠層和堵漏寶層構(gòu)成的槽體和注漿結(jié)構(gòu)，借此彌補(bǔ)中埋止水帶開裂造成的滲水。但如此操作使得構(gòu)造尤為復(fù)雜，施工工藝流程增多且容錯(cuò)率低，不適用于實(shí)際工程。

1.2 變形縫處新型防水材料的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

在檢驗(yàn)嵌縫材料防水性能的試驗(yàn)裝置上，國(guó)內(nèi)技術(shù)人員已研發(fā)相關(guān)測(cè)試裝備。肖明清[9]等利用左右相連的夾具和試塊結(jié)合構(gòu)成水平圓柱狀的完整艙體，左右半邊部分的艙體接合處形成環(huán)形接縫槽，在接縫槽部位填充嵌縫防水材料。通過(guò)進(jìn)水口向艙體內(nèi)注水并觀測(cè)水壓表數(shù)值，記錄所述嵌縫材料的防水性能。該模型的特殊形體主要針對(duì)水下隧道盾構(gòu)工法中出現(xiàn)的人為接縫滲漏問(wèn)題，但模型僅適用于防水滲漏試驗(yàn)，無(wú)法用于防水材料的變形試驗(yàn)。

Thomas H.-K[10]等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)前設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)防水橡膠條的要求較少，并且對(duì)防水材料施加荷載與防水性能之間的關(guān)系研究有限，他認(rèn)為密封劑的壓縮性能和黏結(jié)性能是影響防水性能的關(guān)鍵因素。于是針對(duì)用于地下預(yù)制混凝土段之間界面裂縫處的膩?zhàn)踊鶑?fù)合橡膠條，提出了一種實(shí)驗(yàn)室模型，用以檢測(cè)不同壓縮應(yīng)力下橡膠條的防水能力。試驗(yàn)裝置包括兩種不同尺寸的預(yù)制混凝土界面槽、通用試驗(yàn)機(jī)、上下混凝土壓縮板、百分表、壓力表以及控制泵。測(cè)試基于不同壓力荷載下的三組水平預(yù)制混凝土模塊，在每個(gè)加載階段后注入定量水，一旦達(dá)到擬定水壓值，就測(cè)量水壓和壓縮應(yīng)力的變化。該試驗(yàn)操作過(guò)程復(fù)雜，控制變量較多，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總分析需嚴(yán)格把控。

2 新型膏狀體嵌縫材料

本文研究的新型膏狀體嵌縫材料，是一類具有較高性價(jià)比的高彈性密封膠和膠粘劑，屬改性聚氨酯材料，見圖1。通常情況下，這種不定型防水密封材料在施工中不受接縫形狀的限制，可呈膏狀密實(shí)地填充于變形縫之間，1～3 d固化，固化后呈彈性固態(tài)，具有良好的防水性、封閉性、耐候性、耐久性、粘結(jié)性、延展性以及高恢復(fù)性。

圖1 改性聚氨酯

3 膏狀體止水材料的性能模擬試驗(yàn)

為了能客觀直接地反映不同防水材料的防滲漏效果，提前評(píng)價(jià)其防水性能，避免用于實(shí)際工程后才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，開展實(shí)體模型試驗(yàn)是現(xiàn)階段切實(shí)可行的方法。在此基礎(chǔ)上，本文提出用于地下混凝土結(jié)構(gòu)變形縫的膏狀止水材料的防水構(gòu)造試驗(yàn)裝置與檢測(cè)方法，力圖以簡(jiǎn)單便捷的裝置來(lái)達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

本研究涉及三套試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置及方法，分別是測(cè)試膏狀止水材料防水性能的模擬試驗(yàn)裝置和方法以及用于地下工程變形縫膏狀止水材料拉伸變形和沉降變形的模擬試驗(yàn)裝置及方法。通過(guò)上述現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)集防水性能、延展性能與沉降性能為一體的地下工程變形縫防水構(gòu)造測(cè)試系統(tǒng)。并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)地下工程變形縫膏狀體止水材料的新型防水構(gòu)造。

3.1 用于膏狀止水材料防水性能的模擬試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)裝置如圖2所示，其中包括固定于對(duì)應(yīng)基座的SG-1、SG-2兩固定試塊，采用C35以上混凝土澆筑而成。首先將與試塊同寬的單邊側(cè)翼用螺栓固定在硬化地面上，然后在SG-1、SG-2固定試塊之間形成用于填充膏狀止水材料的變形縫，且連通外界。在固定試塊SG-1中設(shè)置有注水腔，在固定試塊SG-2中設(shè)置有對(duì)應(yīng)的空腔，且注水腔、空腔朝向變形縫開口并對(duì)應(yīng)。固定試塊SG-1中的注水腔貫通至試塊對(duì)應(yīng)變形縫一側(cè)的外立面開口而形成操作口，同時(shí)固定試塊SG-2中的空腔也對(duì)外貫通，用以向變形縫施作膏狀止水材料，施作完成后在操作口封堵相應(yīng)的活動(dòng)密封蓋。試驗(yàn)擬定膏狀止水材料的厚度為20 mm，試塊兩側(cè)的開口大小均為300×300 mm。最后在右固定試塊SG-1上設(shè)置用于連通注水腔和外部水源的注水管以及用于監(jiān)測(cè)注水腔中水壓的壓力表。

圖2 防水性能模擬試驗(yàn)裝置構(gòu)造示意圖

待上述裝置準(zhǔn)備就緒后，經(jīng)由注水管向固定試塊SG-1的注水腔中注滿水，觀測(cè)達(dá)到滿水狀態(tài)的水壓表數(shù)值；繼續(xù)注入一定量的水，觀測(cè)記錄對(duì)應(yīng)的水壓值；若水壓值無(wú)明顯變化，則逐步增加注水量，直至水壓值發(fā)生明顯變化，表明膏狀體止水材料發(fā)生滲漏。此時(shí)所發(fā)生滲漏的水壓值即為膏狀止水材料在變形縫正常止水狀態(tài)下的水壓承載力的極限參數(shù)。

3.2 用于膏狀止水材料的拉伸變形模擬試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)裝置如圖3所示，具體包括活動(dòng)試塊LY-1、固定試塊LG-1和拉伸機(jī)構(gòu)。首先將試塊LG-1固定于地坪上，活動(dòng)試塊LY-1經(jīng)由拉伸機(jī)構(gòu)牽拉平移，與固定試塊LG-1之間形成用于填充膏狀止水材料的變形縫。在固定試塊LG-1中設(shè)置注水腔，在活動(dòng)試塊LY-1中設(shè)置對(duì)應(yīng)的空腔，且注水腔、空腔朝向變形縫開口并對(duì)應(yīng)，并與外側(cè)開口貫通，用以向變形縫施作膏狀止水材料，施作完成后用活動(dòng)密封蓋封口。然后在固定試塊LG-1上設(shè)置用于連通注水腔和外部水源的注水管以及用于監(jiān)測(cè)注水腔中水壓的壓力表。試塊準(zhǔn)備就緒后，在固定試塊與活動(dòng)試塊兩側(cè)各安裝固定一省力型剪式千斤頂，通過(guò)搖動(dòng)手柄加力拉伸活動(dòng)試塊。水平放置固定直尺，直尺0刻度處與固定試塊LG-1左側(cè)邊齊平。

圖3 拉伸變形模擬試驗(yàn)裝置構(gòu)造示意圖

膏狀止水材料的拉伸變形模擬試驗(yàn)利用上述拉伸變形模擬試驗(yàn)裝置實(shí)施。待全部試驗(yàn)裝置安裝完成后，經(jīng)固定試塊LG-1中的注水管向注水腔注滿水，記錄達(dá)到滿水狀態(tài)的水壓值；水平拉伸剪式千斤頂，使活動(dòng)試塊LY-1平移遠(yuǎn)離固定試塊LG-1，令變形縫寬度達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定的拉伸值并保持，觀測(cè)記錄拉伸值及對(duì)應(yīng)的水壓值；若水壓值無(wú)明顯變化，則逐步拉伸活動(dòng)試塊LY-1，使其平移遠(yuǎn)離固定試塊LG-1一定的距離，直到水壓值發(fā)生明顯變化，則表明膏狀體止水材料滲漏，此時(shí)發(fā)生滲漏的拉伸值即為膏狀止水材料在變形縫正常止水狀態(tài)下可拉伸變形的極限參數(shù)。

3.3 用于膏狀止水材料的沉降變形模擬試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)裝置如圖4所示，包括活動(dòng)試塊CY-1、固定試塊CG-1、水壓表、百分表、門式架、電動(dòng)千斤頂、直尺以及膏狀體止水材料。首先，將固定試塊CG-1上的單邊固定高臺(tái)用螺栓固定于硬化地面上，活動(dòng)試塊CY-1經(jīng)由其下的四個(gè)電動(dòng)千斤頂支撐上升最高至相應(yīng)高度，與固定試塊CG-1之間形成用于填充膏狀止水材料的變形縫并持平。在固定試塊CG-1中設(shè)置注水腔，在活動(dòng)試塊CY-1中有對(duì)應(yīng)的空腔，且注水腔、空腔朝向變形縫開口并對(duì)應(yīng)，并與外界開口貫通；其次，在固定試塊CG-1上安裝用于連通注水腔和外部水源的注水管，再設(shè)置用于監(jiān)測(cè)注水腔中水壓的壓力表。在注水腔貫通至固定試塊CG-1對(duì)應(yīng)于變形縫一側(cè)的外立面開口形成操作口，用以向變形縫施作膏狀止水材料，并用活動(dòng)密封蓋封堵操作口。在活動(dòng)試塊CY-1兩側(cè)橫跨設(shè)置門式架，固定在地面上且不接觸活動(dòng)試塊。在門式架的橫梁上安裝兩個(gè)用于測(cè)量活動(dòng)試塊位移的百分表，百分表下面的測(cè)量頭抵于活動(dòng)試塊的上表面。固定直尺垂直放置于地面上，與變形縫下端齊平。最后，通過(guò)千斤頂下降活動(dòng)試塊CY-1，觀察水壓變化，得出變形縫正常止水狀態(tài)下沉降變形極限值。

圖4 沉降變形模擬試驗(yàn)裝置構(gòu)造示意圖

4 結(jié)論

本文提出地下建筑變形縫膏狀止水材料的水壓試驗(yàn)、拉伸變形試驗(yàn)以及沉降變形試驗(yàn)裝置及方法，可有效檢測(cè)出變形縫膏狀止水材料承受水壓的極限參數(shù)以及在正常止水狀態(tài)下拉伸變形和沉降變形的極限參數(shù)。試驗(yàn)便于實(shí)際操作，數(shù)據(jù)可靠直觀，為進(jìn)一步確定用于變形縫膏狀止水材料的構(gòu)造設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。