孙 毅， 赵 勇， 张顶立 (. 中国铁路经济规划研究院 博士后科研工作站， 北京 00038；. 北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室，北京 00044)

隧道工程在施工与运营阶段都会受到水环境的影响，过量的水不但妨碍了隧道的正常使用，还加速了混凝土的劣化与内部钢筋的锈蚀[1]，甚至于威胁到隧道的使用寿命与安全[2]。含有混凝土材料的初衬、二衬结构在承载过程中都会或多或少产生裂纹与裂缝，可以说它们是无法完全杜绝的，而渗流的路径恰恰是由这些微小的裂纹与裂缝提供的，有的甚至进一步发展成为透水的管路。隧道的初期支护一般而言不专门做防水处理，大多数隧道采用多道防水措施的防水系统，初衬与二衬间的防水板是整个防水系统中最重要的环节，其施工质量决定了隧道防水系统的成败[3]。传统的防水材料常由于接茬不严、局部黏结或焊接失效、压磨破损等原因难以隔绝围岩中水流浸入，加之施工缝未采用专门防排水措施或防排水措施不过关等原因造成了隧道局部的渗漏水问题[4]。

在隧道渗漏水病害的治理方面常用的处理手段无外乎表面涂抹、凿孔注浆、破除重筑。表面涂抹法的弊端在于对材料的混凝土渗透能力、黏结性能要求高，由于多数防水材料不能与混凝土发生化学反应形成分子层面的连接，只能形成壳衣式的包裹，待到衬砌周围水压升高时极易发生失效。凿孔注浆法的缺点是对衬砌结构的整体性有所损坏，其在造孔过程中难免出现切割钢筋、击穿既有防水板等问题。此外，其渗透压力也需要特别控制，避免因浅层注浆压力过大发生衬砌的鼓胀破坏。破除已经发生渗漏的二次衬砌重新进行模筑是治理的终极手段但费时费工，造价较前两者都大。水性渗透结晶性材料的出现为解决这些问题提供了新的思路，本文从该材料的抗渗反应机理出发全面讨论其在隧道工程中应用的前景。

1 水性渗透结晶性材料的抗渗机理

水泥材料在隧道的建设过程中的使用量十分可观，无论是初期支护中的喷射混凝土、二次衬砌中的模筑混凝土或是注浆加固中的浆液都离不开他的参与。对水泥材料的组分研究已经十分成熟，从本质上来说混凝土的强度主要依赖于C—S—H水化硅酸钙胶体、C—A—H水化铝酸钙胶体以及其他类似水化胶体的形成与结晶[5]。事实上除了C—A—H反应迅速之外，混凝土内部在混凝土初凝后仍一直在进行着缓慢的C—S—H水合反应，这种反应在自然状况下无法完全进行，总有大量游离的Ca2+(少量[SiO4]4-、[Al(OH)2]-)。一般来说水泥的水化反应主要有以下4种方式:

( 1 )

( 2 )

( 3 )

( 4 )

式( 3 )、式( 4 )的反应是在有石膏的前提下进行的，若在纯水中进行结果稍有不同但生成的物质大致类似，可以发生转化不再赘述。从上面的反应式不难看出整个水泥的水化反应都是在Ca(OH)2的饱和溶液中进行的，过程中还会伴随着大量游离的CaO。然而从相关学者的研究中不难看出各类生成物中Ca(OH)2、CaO对混凝土的强度贡献非常少[6-7]，因此各类渗透结晶性的抗渗材料都设法通过加入某些活性离子去与这些游离的Ca2+进行反应，将其转化成不溶于水的晶体，从而达到填补空隙的目的。

1.1 活性物质的反应原理

首先之所以被称为水性或水基渗透结晶型材料是因为该材料亲水性好，易溶于水且常温下处于液态，流动性极佳可以进行喷洒作业。其次是防水剂与活性催化剂的概念，其中防水剂也就是渗透结晶型材料的主要反应物，作用是生成含Ca的沉淀物。活性催化剂的作用则是加快或减缓这一过程，其特征之一就是反应前后自身的含量并不发生变化，具体原理将在下面展开说明。

本文研究的水性渗透结晶性材料是一种以水玻璃Na2SiO3为主防水剂的材料，其典型反应式为

Na2SiO3+Ca(OH)2→CaSiO3↓+2NaOH

( 5 )

式中:CaSiO3会进一步形成晶体，该过程与式( 1 )、式( 2 )类似，还需指出的是这部分结晶反应速度快、消耗量也很大，单纯依靠防水剂只能在混凝土表面起到一定作用，无法深入各种缝隙，也无法解释二次抗渗原理，因此必然存在其他活性物质的参与。事实上该类产品中掺入的活性物质各厂商不尽相同且都未公布具体的化学式。从已有的研究来看[8-10]这些活性物质大都离不开与游离的Ca2+离子发生络合阴离子，且这种阴离子大都含有机基团，本文暂用[C—H—X]2-来代表这一类阴离子，可给出其络合-沉淀-解离反应的基本流程，见图1。

上面的反应显示：正是由于Ca2+钙离子络合物的存在减缓了防水剂快速的水化反应。该物质在化学势梯度、布朗运动、干粒子反应等驱动力的作用下不断向着混凝土内部扩散，待到活性阴离子[C—H—X]2-的浓度下降时Ca2+再次被SiO32-夺取生成稳定的C—S—H晶体。整个过程中[C—H—X]2-含量守恒。前面提到的有机基团的另一个功能就是在主反应的沉淀物生成后形成非极性的有机基团排列向外形成憎水层进一步起到防水的作用。

从上面的介绍也可以看出阴离子[C—H—X]2-能够带走Ca(OH)2中的Ca2+，最终将Ca2+沉淀，从而增加了混凝土的密实度，使得后续的渗水量减少，进一步减少了混凝土中的各种材料的流失。可以说

这种中间络合产物在整个水性渗透结晶材料与水泥发生反应的过程中起到了关键性的作用，使得材料的抗渗性能得到平稳、充分、深入地发挥，这也是各厂商的技术关键所在。

1.2 SEM分析涂层基体的结晶情况

为了更好地展示水性渗透结晶材料的抗渗原理，现将混凝土用水性渗透结晶抗渗材料(壁驱水CS1000)涂抹，并对涂抹前后的效果进行电竞扫描，以观察其生成的产物，见图2。

图2(a)中是未涂抹水性渗透结晶材料的原始混凝土微观结构，由于该混凝土试样已完成养护水化反应进入末期，其中C—S—H的层状结构较为明显，此外还可以看到不少的块状晶体(形状接近六面薄片)疑似Ca(OH)2。图2(b)是经过涂抹材料后混凝土显微结构，图示可知经历络合-沉淀-解离反应的材料表面处生成了大量的针状不溶物形状与徐明根[10]、曾昌洪[11]等的研究成果一致，这些物质基本上填充满了混凝土原有的裂隙与孔洞。整体来说SEM分析形象地验证了抗渗结晶材料的抗渗物理过程，但生成物中少量块状、细管状晶体的具体成分仍难以确定,有待进一步的化学分析。

1.3 二次结晶的意义

从水性渗透结晶型防水剂的抗渗机理分析可知，其材料主要成分就是我国早已普遍使用的防水剂，因此，二次抗渗不是其所独有，其他防水剂如硅酸钠、硅粉等也具有少许该性能。但二次抗渗的效果大小并不完全取决于防水剂，还与催化剂、混凝土基层的含水率、水泥水化程度、水化物含量有关[12]。各类渗透结晶型防水剂的主要特点还是引入了催化剂。水性渗透结晶型防水剂二次结晶抗渗的先决条件是混凝土裂缝中暂时无自由水的存在，且抗渗材料停止反应与扩散活动。在此前提下各种材料呈现为各自相应的晶体状态，而当空洞缝隙中再次充满水时上面所叙述的反应将被激活继续平稳地生成相应的沉淀物。

结合前面关于反应机理的研究，本文认为二次结晶含义有两层：第一层是当水再次充满裂隙与各种通道时以残余防水剂为主的水化沉淀反应再次发生，继续生成晶体堵塞过水通道；第二层是即使防水剂部分已经完全被消耗殆尽，前面所提到的络合阴离子[C—H—X]2-亦可以与游离的Ca2+进行反应生成络合物晶体并继续堵塞空隙，这一步里[C—H—X]2-反应物的角色大于催化剂角色。对于降水受季节影响明显的区域而言，隧道渗漏水病害往往存在周期性变化[13]，该材料的预防、储备优势明显大于其他一次性抗渗材料，意义重大。

1.4 地下水对隧道工程渗漏水治理的影响

从上面的介绍可知衬砌混凝土中的Ca(OH)2含量是非常充裕的，然而该物质的存在并未给混凝土的强度带来多少提升，反而常常由于其自身的溶解或分解造成了混凝土微观的损伤与开裂进而减弱了整体强度。地下水对衬砌结构的负面影响主要是溶解Ca(OH)2晶体，这不仅导致混凝土的成分流失与强度降低而且形成了更多的微观空隙，进一步增加了渗漏水量和钢筋的腐蚀程度。但其也有积极的方面，首先适量的水是完成渗透结晶反应的前提和载体，其次由于各地区地下水中所含的离子差异较大，其中不乏富含Ca2+、Mg2+、Fe3+等阳离子的地域，因此在适当的含量前提下有些甚至可以促进渗透结晶反应并生成相应的沉淀物，如2MgO·3SiO2·nH2O等。

2 混凝土抗渗性能的改良效果评价

在隧道工程中初期支护、二次衬砌都会面临渗漏水的问题，尤其是初期支护，考虑到其构成材料中喷射混凝土占了很大的比重，而这种材料的抗渗性能非常不稳定，在此应用水性渗透结晶材料对其进行改良，并以同样配比的模筑混凝土改良效果作为对比进行综合评价。其中抗渗材料依然选用壁驱水CS1000型。

2.1 试验准备

试验试块共分四组，分别为喷射混凝土(未涂抹抗渗材料)、模筑混凝土(未涂抹抗渗材料)、喷射混凝土(涂抹抗渗材料)、模筑混凝土(涂抹抗渗材料)。配制模筑混凝土试件按表1进行。

表1 混凝土试件的配合比

用机械拌合混凝土，震动捣实合成型后，制作(φ175×φ185×150)mm圆台形混凝土抗渗标准试件12个，其中6个为基准试件，6个为涂刷试件。配置喷射混凝土直接从施工现场取样(配比相同)，试件数量与模筑混凝土相同。取6个试件成型后24 h拆模，在标准条件下养护至28 d备用；另外6个试验用试件成型后24 h拆模，待表面晾干后，在需要进行防水处理的试件背水面朝上涂刷试样，涂量控制在0.25～0.35 kg/m2，涂抹完成后在标准试验条件下养护至3 d之后，将涂层混凝土浸在深度为试件高度3/4的水中养护(涂层面不浸水)，继续在标准试验条件下养护至28 d备用(前后共养护28 d)。

需要注意的是，在制备试块时尽量采用医用注射器(塑料材质)对抗渗材料用量进行精确控制，见图3。整个过程分2～3次涂抹，每次涂抹需等涂抹层手触发干时进行下次涂抹。待到养护完成后分组进行抗渗试验，试验过程严格遵循文献[14]的相关规定。

2.2 抗渗效果评定方法

试验中每级加载完成后应保持8 h恒水压，在此期间出现图4所示的状态时即可判定为时间渗透失效。试块混凝土的抗渗等级应以每组6个试件中有3个试件未出现渗水时的最大水压力确定。混凝土的抗渗等级计算式为

P=10H-1

( 6 )

式中：P为混凝土抗渗等级；H为6个试件中有3个试件渗水时的水压力，MPa。

2.3 抗渗效果对比分析

本次试验分别选用2.1节配比的混凝土材料进行了喷射注模、捣实注模两种方法制作了若干试块进行比较。就喷射注模的标准混凝土而言其自身抗渗能力为0，即试验中试块均在0.1 MPa时发生了严重的渗漏水现象；在涂抹试剂后抗渗能力达到1，即在试验中多个试块均在0.2 MPa时发生渗透失效；注模混凝土其自身抗渗能力为2，即在试验中试块均在0.3 MPa时发生了严重的渗漏水现象；在涂抹试剂后抗渗能力达到5，即在试验中多个试块均在0.6 MPa时才发生渗透失效。

根据上文关于抗渗要求的论述易知：混凝土的抗渗性能改良不仅取决于抗渗试剂的成分和用量，更与其自身的细观结构、水泥含量等因素密切相关。表2显示出在混凝土配比相同的前提下模筑混凝土的抗渗能力高于喷射混凝土，其抗渗能力的提升空间也大于喷射混凝土。原因在于喷射混凝土的细观空间结构要比模筑混凝土稀疏的多[15]，事实上空隙中水的流速大于材料的扩散速度时将阻碍材料的逐水扩散作用甚至被冲刷流失，即使能形成部分晶体，考虑到其直径远小于过水的通道也难以发挥有效的堵塞作用。

表2 混凝土试块抗渗性能测试结果

3 抗渗材料对混凝土强度的影响及施作时机建议

隧道工程的开挖过程中的围岩压力在隧道掌子面挖除后的一段时间内集中释放，后期则较为平稳[16]，该阶段喷射混凝土是重要的支护手段之一[17]。在支护过程中喷射混凝土不仅要对开挖后裸露的围岩进行包裹支撑，还要对型钢拱架与格栅拱架的空隙进行填充，使其与围岩紧密贴合，从而提高结构整体的承载能力。这就要求初支护阶段的混凝土能够尽可能的提供高的初期强度[18]。因此不能对强度产生负面影响就成为了各种抗渗材料使用的前提条件。

考察水性渗透结晶材料对混凝土强度的影响，需根据材料加入混凝土的时间将其分为试块养护完成后涂抹试剂、试块制作过程中掺入试剂2组。定义Sp为抗渗材料占水泥材料的质量百分比，为了保证对比试验的可靠性，分别以上面两种方法配制到两组混凝土立方体试块中，其尺寸均为100 mm×100 mm×100 mm，两组中Sp均为0%、0.5%、0.8%、1.2%、1.5%(见图5)。将上述试块进行标准养护28 d后，进行强度试验，其中混凝土的配比与表1相同。

3.1 强度换算标准

混凝土立方体试块抗压强度fcu的计算式为

fcu=F/A

( 7 )

式中：F为抗压极限荷载，kN；A为受压面积，mm2。

根据规定，试验以每组3个试件测值的算术平均值为测定值，如任何一个测值与平均值的差超过平均值的15%时，则取中值为测定值；若有两个测值的差值均超过上述规定时，则该组试验结果无效，试验结果精确至0.1 MPa。

混凝土抗压强度试验中立方体试块的标准尺寸为150 mm×150 mm×150 mm，对于本试验的试块，计算结果应乘以抗压强度换算系数0.95。

3.2 强度试验结果及讨论

根据上面的试验设计进行强度测试后，各组试块的强度结果呈现以下规律：

第一组试验显示混凝土试块经过28 d的充分水化反应后，再进行表面的涂抹时涂量的大小对强度影响很小，各组试验结果波动性也不大，其方差约为0.49，具体结果见表3。

表3 第一组混凝土试块抗压强度试验结果

第二组试验的混凝土试块在制备过程中需在先将水性渗透结晶性材料进行稀释后与水泥、砂石料等拌合，否则其将迅速与水泥发生反应影响试块的制成。其试验结果显示在水化反应发生之前就加入抗渗材料，对混凝土试块的28 d强度有明显的负面影响，具体结果见表4。

对表3与表4的数据数据进行整理可知混凝土单轴抗压强度与水性渗透结晶型材料含量的关系，见图6。

表4 第二组混凝土试块抗压强度试验结果

从试验结果来看已经基本完成水化反应的混凝土与抗渗材料接触会进一步生成沉淀物增加混凝土的致密性，而增加的这部分致密性是应该是通过夺取对混凝土强度贡献极小的Ca(OH)2等产物的Ca2+离子实现的，但这部分生成物的强度并不大。若材料直接参与水化反应则会影响效成分：C—S—H水化硅酸钙胶体、C—A—H水化铝酸钙胶体的生成量，从而影响混凝土试块的整体强度。

将图6中两组数据的散点进行拟合，可得到相应的拟合式为

S=0.26C+40.7

( 8 )

S=8.51e(-C/0.374)+32.76

( 9 )

式中：S为单轴抗压强度，MPa；C为抗渗材料含量。

式( 8 )所代表的第一组试验结果显示：抗渗材料的含量增大可以小幅提升混凝土强度，C与S的关系基本为水平线性。其原因在于抗渗材料的结晶作用增加了部分混凝土的密实性，但其数量有限不能带来大的提升。式( 9 )所代表的第二组试验结果显示：随着抗渗材料的增多混凝土的强度逐步下降并在含量达到0.8%时出现拐点，即强度稍许恢复但仍呈现降低的态势。可以定性地认为混凝土强度与水性渗透结晶型材料含量为负相关关系。事实上在隧道工程中混凝土尤其是喷射混凝土的强度下降是不可接受的，这有悖于喷射混凝土材料利用其早期强度高、硬化快的特点来控制围岩变形的初衷。考虑到硬化水泥浆体的性质大多是由水化早期决定的[19]，因此该类材料应至少在混凝土完成达到初凝后再进行喷涂施作。

4 抗渗材料在前山隧道渗漏水治理工程中的应用

前山隧道位于合福高速铁路武夷山站附近，该隧道区域内地表水系发达，深埋段基岩裂隙水为主，浅部残坡积层赋存松散岩类孔隙水。隧道在完成二次衬砌浇筑后，洞内出现了多处渗、漏水现象，尤其是洞口围岩变化段最为严重。相关单位在隧道全线贯通前集中进行了整治，其中部分区域应用了水性渗透结晶型防水材料取得了很好的抗渗、补漏效果。

4.1 DK550+180左侧综合洞室渗漏水治理

该位置有两处渗漏水点，第一处在拱顶中心，其出水量较大，现场处理中心出水点，面积约0.2 m2，处理后效果较明显，但四周仍有少许湿渍，挂水滴。

渗漏水原因：原有立模木块在施工结束后被浇筑入洞室衬砌内。由于木块体积较大且与富水岩层相近，再加上其与混凝土胶结不实，逐渐形成了渗漏水的路径，随着木块水涨、腐蚀在拱顶处形成了较为严重的漏水病害，尤其是雨季常常漏水挂线，严重威胁着洞室内的电气设备使用安全。

处理步骤：

Step1电钻开凿取出木块，进行引流降低水头；

Step2用速凝型堵漏宝处理开凿槽体表面；

Step3制作水泥砂浆并拌合水性渗透结晶型防水材料(该处对强度不作要求)；

Step4回填水泥砂浆并立模保护。

具体效果见图7。

第二处靠近洞口侧，墙底部渗水面积约0.12 m2,处理后效果较佳，无湿渍及水印。

渗漏水原因：与拱顶处类似，都是模筑混凝土内夹杂施工残留方木导致渗水，但由于其位置较低，且地面排水槽设计出水量无法满足超量漏水，以至于地面低洼处出现了成片的倒淤积水，混凝土结构侵蚀严重，水中已经出现了大量混凝土中析出的Ca(OH)2白色不溶物。

处理步骤同上，具体效果见图8。

4.2 DK550+100左侧边墙水印处理

该处左侧侧沟顶部上部边墙出现了针眼式渗水，面积约0.8 m2，处理前采用水清洗，再进行药剂喷洒，处理后水印湿渍消失。

渗漏水原因：该位置受力较为复杂，衬砌结构难免出现纵向的微裂纹，且衬砌背后防水板可能已经被破坏并形成了漏水的路径，因此渗流点均沿隧道纵向排列，该处渗漏水量小但是面积分布较大，不能满足验收要求。

处理步骤：

Step1清理边墙表面；

Step2配置水性渗透结晶型防水材料；

Step3进行抗渗材料的喷洒覆盖(喷洒面积略大于渗水面积)。

具体效果见图9。

4.3 DK548+230底板渗水处理

该位置临近隧道底板的环向接缝，长度约1.5 m，清洁表面淤水后迅速喷洒抗渗材料，处理后出水量逐渐减少直至干燥。

渗漏水原因：渗漏水节点位于拱底且靠近轨道板接缝处，其环向四周均无其他渗漏水节点，因此水压较大。整浇轨道板与仰拱浇筑存在裂缝，虽然不影响结构安全但由于地面轨道板沿线出现了较大面积的润湿，无法通过验收。

处理步骤：

Step1清洁淤水区域，寻找可疑的裂缝；

Step2配置水性渗透结晶型防水材料；

Step3集中喷洒可疑区域。

具体效果见图10。

4.4 水性渗透结晶型防水材料应用特点

通过前山隧道渗漏水处理工程的应用，可以总结出水性渗透结晶型防水剂的一些应用特点：

(1) 该材料可修补外墙的细裂纹，但基本上不改变其外观。防水剂渗入接缝处的水泥层，密实毛细孔，从而达到了阻止渗漏的目的。使用该材料后，由于发生化学反应而渗出NaOH等碱性液体(失水干燥后呈现为白色覆盖物)，因此可以不时用水冲刷干净由此进一步加快反应速度。从渗漏水的处理方法与结果来看，有明水径流的病害处应先经行开凿堵漏等初步处理，然后再加入水基渗透结晶材料提高水泥砂浆的水化凝结速度，处理部位的混凝土恢复干燥状态的时间约为1周且伴有明显的深色痕迹；大面积润湿以及针眼式的渗流可以通过直接喷洒或涂抹的方式进行处理，处理部位变干的时间约为48 h，其颜色与周围衬砌无明显区别。

(2) 由于水性渗透结晶抗渗材料进入混凝土裂隙需要水的媒介作用，而且相关活性材料与混凝土衬砌裂缝中的Ca(OH)2反应生成晶体也需要水的参与。因此，治理过程需要提供湿润环境，但不能出现明水以防材料冲刷流失。其保湿养护可以采用喷雾或覆盖的方式，本文现场试验在南方地区(武夷山)隧道中进行，富水环境较好且空气湿度有保障，所以无需特殊养护作业，其他地域环境应因地制宜选择养护方式。

(3) 从处理过程还可以看出隧道工程的渗漏水处理方式与其他建筑工程有着明显的不同。以DK550+180的处理为例，在空间上应先处理拱顶再转向边墙渗漏水点，否则拱顶处的水头会在下部漏水点停止渗漏之后升高为下一步处理带来困难；在水头较大的地方应先进行开凿引流处理来降低水头，否则材料药剂无法附着，严重影响处理效果。实际上由于隧道特别是山岭隧道水系发达，渗漏水处理效果往往差强人意，甚至会出现治理一部分，转移一部分的现象。从治理经验上来说还是应该尽量利用既有的防排水系统，以排为主，排堵结合。出现渗漏水点需因地制宜选择治理方法，不应贸然地认为该类产品拥有微观和宏观的双重功效，毕竟，该类防水剂产生的“结晶体”的单晶长度仍处于纳米级[20]至于其这些晶体堆积物能堵塞多么宽的裂缝，还没有绝对的答案。

5 结论

水性渗透结晶型防水材料由于流动性极佳便于向裂隙内部渗透，可以直接用于极为细小的不宜进行灌浆的裂缝修复，并且由于具有水硬性可以二次甚至多次结晶增加了混凝土材料的自我修复功能。通过本文的材料反应机理研究与实际工程应用形成了以下主要结论：

(1) 水性渗透结晶型防水材料由两部分构成，其中防水剂主成分为Na2SiO3、催化剂有效成分含有一种络合阴离子[C—H—X]2-。该材料的抗渗功能主要依靠络合-沉淀-解离过程来实现。利用试块的电镜扫描可以验证相关产物。

(2) 通过对比试验发现：由于细观结构松散，喷射混凝土的原始的抗渗性能与涂抹试剂后的抗渗性能均低于相同配比的模筑混凝土。使用水性渗透结晶型防水材料可以增加混凝土的密实性，但效果有限。

(3) 结合水性渗透结晶型防水材料的基本反应原理，可以解释该材料作为掺合料时对混凝土强度产生负面影响的原因，本文认为这类材料至少应当在水泥完成初凝后进行施作。这样一来既不会影响支护结构的强度又能很好地保证抗渗效果。

(4) 武夷山前山隧道的部分典型渗漏水病害处理验证了水性渗透结晶型防水材在隧道工程应用的可行性与可靠性。在此基础上总结了相关治理经验，可以为类似工程提供参考。

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