聚合物噴膜防水材料在隧道工程中的應(yīng)用與性能研究

樊康佳，李凡

摘要：通過在隧道試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭羞M(jìn)行噴膜防水施工試驗(yàn)，對(duì)隧道工程噴膜防水施工工藝進(jìn)行研究，此工藝使用的是高壓無(wú)氣噴涂模式，防水材料為丙烯酸鹽聚合物噴膜。在催化劑效應(yīng)下，丙烯酸鹽聚合物水溶性單體在很短時(shí)間之內(nèi)就能產(chǎn)生彈性防水膜，且具有較高強(qiáng)度，常用于隧道工程中。研究此防水材料的配方并進(jìn)行了分析，其中涉及到增塑劑、成膜物質(zhì)、填料與引發(fā)劑等，剖析了該材料性能受到的影響，通過試驗(yàn)研究得出該防水材料的應(yīng)用與推廣價(jià)值較為顯著。

關(guān)鍵詞：聚合物；丙烯酸鹽；噴膜防水材料；隧道工程

中圖分類號(hào)：U454;TQ635.55

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）12-0161-04

Research on the application and performance of polymer spray film waterproofing materials in tunnel engineering

FAN Kangjia，LI Fan

（College of Highway and Railway Engineering，Shaanxi College of Communications Technology，Xian 710086，China）

Abstract：Through the spray film waterproofing construction test in the tunnel test model，the waterproof construction technology of the tunnel project was studied.This process used a high-pressure airless spray mode and the waterproofing material was an acrylic polymer spray film.Under the catalyst effect，the water-soluble monomer of acrylate polymer elastic waterproof film in a very short time，and? high strength，which is often used in tunnel engineering.The formulation of this waterproof material was studied and analyzed，including plasticizer，film-forming material，filler and initiator，etc，the effects of material performance were analyzed.Through experimental studies，it is concluded that the application and promotion value of the waterproof material is significant.

Key words：polymer;acrylate;spray film waterproof material;tunnel engineering

根據(jù)隧道工程防水材料的開發(fā)與發(fā)展趨勢(shì)，研究的CM-1型噴膜防水材料的核心構(gòu)成就是丙烯酸合成物，可以很好符合上述發(fā)展趨勢(shì)。因?yàn)樵摬牧暇哂休^佳的性能，進(jìn)入到20世紀(jì)60年代，全球很多國(guó)家開始進(jìn)一步將其用作灌漿材料，處理軟土層、堵漏等。日本在20世紀(jì)80年代之后則將其作為成膜物質(zhì)在地下工程中得到成功運(yùn)用。2002年，《新型建筑材料》期刊重點(diǎn)論述噴膜防水系統(tǒng)技術(shù)，研究主要是對(duì)丙烯酸鹽聚合物的不同構(gòu)成性能與具體的工程應(yīng)用情況進(jìn)行分析。

1丙烯酸鹽聚合物的合成物及其成膜性能

1.1丙烯酸鹽聚合物單體制備

制作這種單體就是將鹽和丙烯酸等原料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，具體反應(yīng)流程參見圖1。

1.2丙烯酸鹽聚合物單體聚合成膜條件

該聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制即為自由基的連鎖反應(yīng)，由于丙烯酸單體有著較高的水溶性，可以將水用作溶劑，促進(jìn)其聚合反應(yīng)。在此過程中還需要運(yùn)用水溶性引發(fā)劑，生成的聚合物具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與橡膠硫化之后的交聯(lián)結(jié)構(gòu)頗為相類。丙烯酸單體可以在很短時(shí)間里完成交聯(lián)聚合，使之形成高分子材料，且具有一定強(qiáng)度。

聚合反應(yīng)過程中，丙烯酸單體的雙鍵會(huì)形成加成反應(yīng)，因?yàn)槠渲写嬖谥}鍵結(jié)點(diǎn)，這與橡膠硫化反應(yīng)生成的交聯(lián)點(diǎn)頗為相似，于是就能使聚合物有著較高彈性，其彈性值和交聯(lián)密度關(guān)系密切，呈現(xiàn)出反相關(guān)性。單液體和引發(fā)體劑濃度以及配比將會(huì)對(duì)交聯(lián)密度產(chǎn)生決定性影響。由于此單體有著較快的聚合反應(yīng)速度，而且會(huì)生成大量熱，若是不能很好散熱，容易產(chǎn)生暴聚現(xiàn)象，就不能正常進(jìn)行聚合反應(yīng)，因此噴射聚合成膜工藝需要對(duì)散熱進(jìn)行科學(xué)控制，這也是實(shí)現(xiàn)聚合成膜的重要前提。

1.3丙烯酸鹽聚合物單體和引發(fā)體系濃度確定

研究開展超過70組的篩選試驗(yàn)，涉及到不同的引發(fā)體系配比、單體濃度。最終結(jié)果顯示，單體濃度過高、過低時(shí)會(huì)分別導(dǎo)致聚合物粘接性變差與強(qiáng)度過低。在相同聚合速度下，單體濃度的改變會(huì)引起還原劑和氧化劑用量的密切改變。根據(jù)材料粘接性、聚合速度等要素，最終選定的單體濃度為25%～35%，氧化劑與還原劑配比在3∶1～2∶1，此時(shí)只需要在2～6 s就能生成凝膠彈性體，進(jìn)而滿足防水需求。

1.4引發(fā)體系對(duì)膜性能影響

引發(fā)劑容易被分解，并生成自由基化合物，在輻射能、熱能的效應(yīng)下，其分子結(jié)構(gòu)上的弱鍵就會(huì)斷裂，形成自由基，其聚合溫度最低為40 ℃，最高達(dá)到100 ℃，分解活化能為125～147 kJ/mol。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，最終選擇的引發(fā)體系為亞硫酸鈉與過硫酸鈉，通過適當(dāng)添加引發(fā)劑，有助于分解溫度下降，這樣就能在低溫下實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)。對(duì)該引發(fā)體系的分解反應(yīng)進(jìn)行分析得知，該活化能為40～50 kJ/mol，在0 ℃左右便能實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)。通過實(shí)驗(yàn)還得出，引發(fā)劑濃度上升，會(huì)加快聚合反應(yīng)速度；但聚合物分子量下降，其力學(xué)性能也會(huì)減弱。相反，若是濃度下降，則會(huì)減慢反應(yīng)速度，于是就不能快速成膜。為此，該成膜工藝的重要技術(shù)參量就是引發(fā)劑的配比與濃度。

2成膜物質(zhì)的添加劑及填料

2.1交聯(lián)劑

在烯酸單體濃度一致下，使用與不使用交聯(lián)劑，后者反應(yīng)得到的成膜物質(zhì)彈性會(huì)逐步朝著塑性方向轉(zhuǎn)變；前者反應(yīng)物的彈性則具有穩(wěn)定性。然而，聯(lián)劑比例增加到一定值之后，成膜主液黏稠度會(huì)顯著增長(zhǎng)，就很難運(yùn)用噴射工藝，而且成膜物質(zhì)的彈性性能也會(huì)減弱。通常摻入的交聯(lián)劑比例最低為2%，最高5%；此時(shí)生成的防水膜彈性性能較為出色，耐水性也較強(qiáng)。

2.2填料

僅僅利用丙烯酸單體成膜，其力學(xué)與成型性能存在著一定局限性，譬如缺乏耐酸堿性，容易出現(xiàn)體積收縮等問題。為此，摻入一定的填充材料可以實(shí)現(xiàn)改性，該防水材料的制備常見填料為高嶺土、白炭黑、滑石粉等。在具體研究中需要結(jié)合失水率、彈性、拉伸強(qiáng)度等指標(biāo)通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分析成膜性能受到填料的影響。最終結(jié)果顯示：填料種類不同不會(huì)影響最終成膜性能，摻入量則有著明顯影響。摻入比例增長(zhǎng)后，成膜彈性有一定下降，失水率有一定上升，而拉伸強(qiáng)度則有所上升，需要更長(zhǎng)的聚合時(shí)間。根據(jù)實(shí)踐應(yīng)用，填料不同組分用量可以控制在不超過10%，總量不能超過50%。

2.3增塑劑

增塑劑有助于提升膜的柔性，而且還能稀釋聚合物，并對(duì)其降溫。大量研究顯示，水是性能較佳的增塑劑，因?yàn)樗肿芋w積小，還有相應(yīng)的極性與滲透性，可以更好和聚合物大分子進(jìn)行作用，使得大分子相互之間的作用力有所減弱，促進(jìn)大分子鏈段產(chǎn)生內(nèi)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而提升其柔性。增塑劑還能為該內(nèi)旋轉(zhuǎn)提供相應(yīng)的自由體積，這樣就能實(shí)現(xiàn)降溫與稀釋效應(yīng)。由此可見，水含量會(huì)顯著影響到膜體的彈性，然而環(huán)境會(huì)對(duì)水含量產(chǎn)生明顯影響，為了保證成膜防水材料的性能，還需要摻入一定的保水劑。通過大量實(shí)驗(yàn)，甘油等屬于效果較佳的增塑劑，占比為10%～15%時(shí)能夠產(chǎn)生較佳的增塑效果。

2.4助劑

為了成膜材料的性能更為穩(wěn)定、耐久，還需要摻入一定不同種類的助劑，如消泡、抗菌防霉等助劑。

3噴膜防水材料的工程應(yīng)用

3.1試驗(yàn)工程概況

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇的是某鐵路線上的2個(gè)區(qū)域，分別為第五連接通道和大竹林隧道進(jìn)口平導(dǎo)，前者為DK169 +440區(qū)域；后者為DK168 +080～DK168 +103段，外形呈現(xiàn)出馬蹄形直墻。

前者通道端屬于裸露石灰?guī)r，其裂隙已經(jīng)發(fā)育，滲漏水問題較為顯著，需要增設(shè)排水。其中，有5 m區(qū)域需要進(jìn)行滿鋪無(wú)紡布試驗(yàn)，其他區(qū)域需要在巖體上進(jìn)行噴膜試驗(yàn)；后者段為軟巖，已噴混凝土，然而基面較為潤(rùn)濕，有著顯著滲水現(xiàn)象，需要局部排水?？梢栽诨炷辽线M(jìn)行噴膜試驗(yàn)，此隧道內(nèi)部的相對(duì)濕度較高，最低為70%，最高時(shí)達(dá)到100%；整個(gè)基面不具有規(guī)整性，需要對(duì)其加以整形。

3.2噴膜防水工程試驗(yàn)段的施工

第1工程試驗(yàn)段，掛無(wú)紡布并在裸巖體上進(jìn)行噴膜防水試驗(yàn)。此段隧道施工完工已有較長(zhǎng)時(shí)間，巖體表面積塵嚴(yán)重。為此，需要對(duì)巖體面通過高壓水進(jìn)行沖洗，其覆蓋面達(dá)到了170 m2，長(zhǎng)度也達(dá)到了17 m，使之達(dá)到清潔水平，含塵率不超過10.0%。隨后清理界面，填補(bǔ)孔洞、去除危石等。同時(shí)還對(duì)50 m2的巖體面鋪掛無(wú)紡布（5 m）。噴射最大距離可達(dá)20 m、氣壓超過6 MPa、相對(duì)濕度為100%、洞內(nèi)溫度為10～15 ℃、基面潤(rùn)濕度達(dá)到手摸有水跡、pH值為8。在施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室得出的配方先進(jìn)行少量聚合成膜驗(yàn)證，同時(shí)對(duì)引發(fā)劑、主液、輔液等進(jìn)行調(diào)整，獲取最佳配比。接著按照現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)噴射設(shè)備的參量進(jìn)行調(diào)試。在完成上述準(zhǔn)備后，還需要進(jìn)行試噴作業(yè)，根據(jù)噴射距離、噴射移動(dòng)線、移動(dòng)速度等完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

第2工程試驗(yàn)段，局部有較大滲水量，界面已有混凝土，并開展噴膜防水試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)段建設(shè)時(shí)間已經(jīng)較長(zhǎng)，是典型的平行導(dǎo)坑，因?yàn)閲娀炷磷鳂I(yè)不夠精細(xì)，其中有凸起毛刺，最長(zhǎng)達(dá)到5 cm，大多為1～2 cm，需要在噴膜前對(duì)這些毛刺進(jìn)行處理，同時(shí)還需要清洗積塵較為嚴(yán)重的區(qū)域。倘若局部出現(xiàn)嚴(yán)重滲水問題，需要配置無(wú)紡布排水材料，其寬度在25～30 cm。這一段的試驗(yàn)長(zhǎng)度與面積分別為23 m與230 m2，所選的噴射參量與環(huán)境參量：氣壓超過6 MPa、噴射最大距離為20 m、相對(duì)濕度為70%～80%、環(huán)境溫度為20～25 ℃，基面潤(rùn)濕度與滲水pH值分別為手摸有水跡和6，其他過程與第1工程試驗(yàn)段保持一致。

3.3現(xiàn)場(chǎng)噴膜防水材料性能測(cè)試

通過比較實(shí)驗(yàn)室噴膜樣品和現(xiàn)場(chǎng)樣品，二者密實(shí)度相差較小，固體含量不低于45%。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室之間噴涂界面的平面相差非常大，進(jìn)而現(xiàn)場(chǎng)的成膜平整性與實(shí)驗(yàn)室差異性較大，成膜厚度均勻性也比較差。所采集的樣品能滿足最小防水厚度的技術(shù)要求，薄膜厚度至少2 mm。因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)無(wú)法使用實(shí)驗(yàn)室所使用的標(biāo)準(zhǔn)試件，僅用一個(gè)簡(jiǎn)單的拉力計(jì)將噴涂界面上的成膜材料折斷，并測(cè)量它的粘接強(qiáng)度，鋼筋、混凝土界面以及巖石表面的粘接力略低于實(shí)驗(yàn)室中使用相同的方法的粘接力，分別相差5.4%、9.3%和10.5%。

3.4噴膜防水材料和防水板的經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

把現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和噴膜材料的試驗(yàn)指標(biāo)與隧道施工中使用的防水板進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在滿足相關(guān)性能指標(biāo)基礎(chǔ)上，雖然本次研究的噴膜材料整體成本超過了防水板材料，然而這種噴膜工藝的施工成本較低，其總成本僅僅比防水板工藝稍高。但噴膜防水工藝的整體性、防水效果、施工速度、技術(shù)先進(jìn)性、材料利用率等都顯著超過防水板工藝。

4結(jié)語(yǔ)

研究將丙烯酸單體用為成膜原料，通過摻入高嶺土、白炭黑等填料，構(gòu)成噴射成膜主液，在一定引發(fā)體系引導(dǎo)下，該主液的聚合速度非?？?，幾乎在瞬間就能獲得高彈性膜材料，并且強(qiáng)度較高，能和噴射的基面更好粘接，這樣就能形成整體性、無(wú)接頭防水膜，且具有穩(wěn)定的化學(xué)性能、良好的隔水性、較高的耐酸堿性以及阻燃性與環(huán)保性。另外，根據(jù)某鐵路隧道工程試驗(yàn)，得出該防水工藝在地下工程防水施工中有著更為廣闊的應(yīng)用空間。

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