防水机理对防水技术的影响_地下工程防水技术问题探究_蒙炳权.docx

防水堵漏材料及施工技术交流会 防水机理对防水技术的影响 一地下工程防水技术问题探究 广东省建筑科学研究院蒙炳杈 削 g 本文的 “ 地下工程 ” 是指 “ 地下钢筋混凝土结构空间工程 ” ；隧道、地下轨道交通 系统、建筑物地下室、地下城市广场等都属此列。 自 1991年我国实施 “ 治理屋面渗漏 ” 和 “ 提高防水工程质量 ” 政策以来，我们为改 善地下工程防水质量做了大量工作，各种严厉措施也执行至今，但据综合统计 ,我国地 下工程渗漏率已髙达 65-80%,市场依然混乱，防水材料产能严重过剩。 上世纪五、六十年代，我国主要防水材料只有沥青纸胎油毡，但地下工程渗漏率却 能低至百分之几；如今我国防水材料的品种和数量，己居世界前列，可是渗漏率却猛增了十多倍；事情发生 在推行以防水材料为主导防水技术的我国今天，问题更显费解和凝重。 地下工程防水质量之所以旧貌难改，原因复杂，但看来 “ 主要原因还是在于科学发展观念薄弱以及与国 际脱节 ” 。因而面对当前状况，我们在继续坚持大力提升防水材料质量的同时，我们似有必要把目光投向 我国防水技术和管理机制等方面，看是否存在一些更深层次的问题。历史证明，面对任何技术，找到一种健 康的发展模式和正确定位的制度，将比盲目追求数字上的突破更有意义。 1我国地下工程防水技术的发展历史和现状 1.1发展历史 我国地下工程技术发展大体可分为三个阶段。 1) 结构本体防水技术发展阶段 （ 1950年以前 ） 在这段漫长的岁月里， 我国地下工程结构主要采用砖、石结构，地下工程的防水采取结构本体防水技 术。当时采用的工艺主要是在结构施工中尽量缩小砌块间隙，砌块之间做到紧密衔接，同时釆用性能优良的 接缝粘结料等解决渗漏问题。 2) 结构本体防水及以结构本体防水为主外加防水层为辅的技术发展阶段 （ 1950-2000年 ） 。 (1) 结构本体防水技术发展阶段 上世纪 60年代大量砖砌 “ 人防工程 ” 是结构本体防水的典型例子。当时的主要做法是：用氯化铁、氯化 铝等无机金属盐类防水剂配制水泥砂浆，用于砖的砌筑以及砖砌体表面的抹灰，达到砖结构地下工程结构本 体防水目的。 上世纪 50年代，我国开始建造钢筋混凝土地下空间，冶金建筑系统是较早的先行者，为我国早期地下工 程防水技术的发展贡献良多。当时我国主要取如下的结构本体防水做法： 作者简介：蒙炳权广东廣肇庆市人，广东省建筑科学研究院原副院长。高级工程师。广东省建设工程质 量安全监督检测总站原副站长兼总工程师。退休后现任广东省建筑科学研究院专家顾问。广东省土木建 筑学会特聘资深专家。主要学术研究方向：防水材料与工程。 1967年负责研究成功中国第一个建筑防水 涂料 氣丁橡肢沥青防水涂料。 防水堵漏材料及施工技术交流会 (A) 地下 X程构设盲沟、集水井、疏水层等排水措施； (B) 结构设计中正确选型和采取结构防裂、抗裂设计； (C) 变形缝和施工缝等部位进行防水处理； (D) 配制、使用防水混凝土： “1950 -1960年采用集料连续级配防水混凝土； 1960-1970代采用富砂浆 普通防水混凝土 ” ； 1970年以后开始采用外加剂防水混凝土；上个世纪九十年代中后期开始采用以美国杜拉 纤维为代表的聚丙烯纤维防水混凝土等。 我国地下工程结构本体防水在上世纪五、六十年代取得良好效果， “60 年代曾对我国 70个本体自防水工 程进行系统调研，可测得渗透水的工程仅 3例，占 4%” 。 (2) 以结构本体防水为主外加防水层为辅的防水技术阶段 从 1980年起的十年内，我国建筑防水材料中除传统的沥青防水卷材 .(沥青纸胎油毡）、水乳型再生胶沥 青防水涂料等 几种橡胶沥青类防水涂料和 PVC塑料油膏 (胶泥 )外，聚氨酯 （ PU)防水涂料、三元乙丙橡胶卷 材 (EPDM)、 SBS改性沥青防水卷材、 APP性沥青防水卷材等相继进人建筑市场，为地下工程防水质量的提 升创造了更有利的条件；以结构本体防水为主外加防水层为辅的防水技术逐渐形成并在工程广泛实施。 (3) 以外加防水层防水为主的发展阶段 （ 2000年 -现在） 在此期间，我国建筑防水领域推行以防水材料为主导的防水技术方针，建筑防水材料产业迅速发展，建 筑市场出现了数十种 “ 新型建筑防水材料 ” ，我国地下工程防水逐渐釆取了以外加防水层为主的技术路线， 防水工程被界定为防水层施工工程。 1.2发展现状 1) 当前我国解决地下工程防水问题基本在如下的机制下运作： 以防水材料为主导，防水工程界定为防水层施工工程； 工程所用防水材料必须有国家标准并只须满足这些标准的要求，材料无地下和屋面工程适用之分； 防水工程在土建工程中单列外分包；防水工程规定由具有专业施工资质的防水工程公司承包（大多数防 水材料生产厂商都在兼营）、并对工程防水质量负责。 2) 目前我国地下工程防水存在下述状况 ： (1) 工程防水质量差 长期以来，渗漏率不断攀升。近数年大型地下空间工程发展较快，但工程结构严重开裂、大面积渗漏事 故不断出现；工程才竣工，灌浆堵漏随即开工的现象绝非少见； . (2) 工程防水设计未能反映工程实际需求 当前我国地下工程防水设计基本以建筑师对防水层材料的选择和防水层道数的确定为主；应由结构设计 工程师履行职责的、对工程防水功能起重要作用的结构本体防水设计被忽视。 (3) 当前我国地下工程用的防水材料基本上与屋面工程所用无异，未能满足地下工程对防水材料的一 系列要求；我国为 “ 照顾国情 ” 而制定的防水材料国家标准未能达到国外同种产品的性能水准 ;材料的耐久性 更与经济发达国家相差甚远 ,对材料吸水率 (反影耐水性 )无要求，造成防水层的防水效果和耐用性普遍不良。 (4) 土建总包方在结构施工中只重视结构安全质量，忽视结构本体防水的众多措施， 对于分包给专业 防水工程公司的防水层施工缺乏照顾、配合，影响防水层施工质量。 (5) 工程防水质量责任模糊，质量出现问题时结构土建总包方与防水工程（防水层施工工程）分包方 互相推诿，渗漏事故往往无人真正承责。 ' 2地下工程的防水机理 研究地下工程的防水机理，就是探究其产生渗漏的过程和原理，寻求防止渗漏的有效途径和方法。 2.1渗漏的定义 地下工程处于地下，具有压力的地下水会透过微 孔和缝隙等空隙进入混凝土，然后选择那些能贯通结构 的通道进人地下空间，于是造成渗漏。 渗漏是什么？ “ 渗漏是透过结构或防水层的水量大於该部位的蒸发量、并在背水面形成湿渍或渗流的一 种现象 ” 。由此可见，地下工程发生渗漏必然具备两个条件：第一，结构存在贯通性空隙；第二，透水量大 于蒸发量。 因此，观察地下空间结构内部 .(背水面 ） 有否渗漏现象，就能判别它是否具备防水功能。 2.2渗漏源及渗漏源的形成过程 产生渗漏的地方，我们称之为渗漏源。 根据前面分析可知，如果地下空间结构存在 ” 透水量大于蒸发量的贯通性空隙 “ ，工 程就会产生渗漏。 因此， ” 透水量大于蒸发量的贯通性空隙 ” 就是地下空间结构的渗漏源头 ;分析渗漏源如何形成以及对渗漏源 怎样治理便是地下工程防水机理的核心内容。 1>渗漏源 对大量地下混凝土工程的调查表明，渗漏通常出现在如下一些地方： (1) 混凝土结构蜂窝麻面处； (2) 因混凝土形体化 (由温度、收缩、不均匀沉降等因素引起 )或载荷造成的裂缝； (3) 发生倒灌水的地下工程出人口、排水管沟、地漏、窗井和风井等部位； 混凝土结构中变形缝、诱导缝、施工缝、后浇带、穿墙管（盒）、予埋件、预留通道接口等部位； (5)贯通性结构裂缝处（会造成严重漏水 ） 。 2) 渗漏源的形成 (1) 混凝土品质差：由于防水混凝土配合比设计失当、大体积混凝土水化热控制不善、混凝土浇筑、 振操作不严格、水养护不足等原因，导致混凝土疏松、出现蜂窝、产生温差裂缝和过大的收缩裂缝等，形 成渗漏源； (2) 混凝土工程各种缝的施工质量 .不良：如对变形缝、施工缝等一系列部位的接缝由于施工不够严 谨、细致，留下缝隙 ， (3) 由于工程结构在设计和施工中的欠妥，导致在工程出入口、风井等部位出现倒灌水源头； 结构裂缝的产生：混凝土结构设计中抗裂设计 #虑不周以及混凝土施工不良等多种原因造成结构裂缝。 2.3渗漏源的治理 1)阻止和抑制渗漏源在混凝土结构中的形成 阻止灌通性空隙的产生或使之被抑制成 ” 透水量少于蒸发量 ” 的空隙，是我们治理渗漏源的目标 . (1) 正确选择地下混凝土空间结构的防水设计 以地质勘探提供的地下土壤、地下水位和地下水质等地下环境条件作为地下工程防水设计的依据；根据 工程环境和需要，决定是否采取并如何采取排水措施；在结构选型上要有利于防止渗漏源产生；防止倒灌水 防水堵漏材料及施工技术交流会 的设计，正确的结构抗浮设计；正确选择防水混凝土；周到的抗裂设计，以杜绝结构裂缝、特别是贯通性结 构裂缝发生等。 精确的细部构造设计；对变形缝、施工缝等部位有明确可靠的密封防水设计等。 (2) 高质量防水混凝土的制备 防水混凝土由混凝土搅拌站专门生产：含有防水外加剂或微纤维等特殊成份的专用防水混凝土配方由混凝 土工程通过精确试配确定，并负责拌制质量，将优质产品运送工地现场，供地下混凝土结构工程施工使用。 (3) 精心的地下混凝土空间结构的防水施工 A) 由结构施工工程师负责，按设计施工严格执行施工规程，在防水混凝土的浇筑均匀、合理振捣（不 漏振、不欠振、不超振）、湿养护充分等方面进行精心施工，确保抗裂防渗混凝土质量； B) 精确的细部处理 :在混凝土结构施工过程中，安排专人负责监督、落实各个细部构造的密封措施和工 程防倒灌措施：正确安装止水带、止水板、密封圖等配件准确就位不让偏移；止水带等两侧的混凝土填灌 满密实，不留空隙隐患等。 C) 对穿插于结构施工过程的防水层施工，实施严格有效的协作和管理。 在地下混凝土空间结构的设计和施工全过程中釆取上述一系列措施，使工程的渗漏源得到最大程度的防 止和神制，让结构本体获得防渗漏功能。 2)外加防水层（防护层）对混凝土结构的封闭 当渗漏源在地下工程结构得到最大程度的防止或抑制的情况下，在结构的迎 水面设置优质防水层（防护 层），以加强封闭渗漏源、通过桥键作用封闭未来新生的渗漏源 （ 防治渗漏未病）、防止地下水的腐蚀性介 质侵蚀混凝土结构。 3防水工程的涵义和定位 3.1防水工程的涵义 何谓防水工程？顾名思义，实施防水工程应是赋予对象以防水功能的工作过程。 因此，地下工程的防水工程是造就该工程结构防水功能的工作过程。但从前述的防水机理分析得知，复 杂的地下工程的防水功能并非单靠一项操作可以造就。从大量工程实践可以发现，赋予地下空间工程防水功 能的 “ 防水工程 ” 实际从工程地质勘探时就己开始，它贯穿于结构设计和结构施工的全过程，其中防水混凝 土的配制应用以及外防水层（防护层）的铺设都被包含在结构施工进程之中；因此，地下工程的防水工程实 际是一个工程概念，是一个由多种工作有机组合的工作过程。 3.2防水工程的定位 上世纪 90年代以前，我国建筑防水技术领域里通常使用 ” 沥青油毡工程 ” 、 ” 两布三涂防水工程 ” 、 ” 聚氨酯防水涂膜工程 ” 等术语，未见 ” 防水工程 ” 以独立词使用。 1990年以后，我国防水材料产业以惊人的速度扩展，各种新型防水材料进人市场 ;在我国基本建 设蓬勃发展的 背景下，我国建筑防水材料领域推行以防水材料为主导的防水技术路线，防水层施工工程被界定为防水工程。 防水工程定位为防水层施工工程，对加速我国建筑防水材料产业发展带来极大好处 ;但当前屋面及地下工 程防水质量下滑、防水材料产能严重过剩 ,也给建筑防水材料产业界带来压力不小。 但就防水技术所具的科学性而言，按照防水工程的涵义，防水工程定位为防水层施工工程显然值得商榷。 如下理由足以说明防水工程不宜定位为防水层施工工程： VEN JI 防水堵漏材料及施工技术交流会 1) 从防水机理及大量工程实践说明，地下工程防水功能主要甚而基本由结构本体防水造就；防水层设 置是个重要环节，但其作用并非主要，更不是唯一者。 2) 石油沥青和合成高分子材料是世界防水材料的基本来源，但它们实现工业生产分别只有近 200年和 60 余年的历史，可见之前数千年人类地下工程的防水是靠构本体而非依靠外加防水层。 3) 地下工程的防水工程定位为防水层施工工程，会令人产生错觉，认为防水层的设置是工程获得防水功 能的主要甚至是唯一的手段；误导结构土建总承包方忽视结构本体防水措施，酿成工程防水质量低下的恶果。 4) 地下空间工程的防水工程被界定为防水层施工工程并单列分包于外，会误导结构土建总承包方认为 工程防水质量已有专业防水工程公司负责，与己关系不大 1为保土建工程利益最大化，不惜将分包他人的防 水工程造价压至超低水平。 5) 工程的防水质量是地下工程质量的重要组成部分，理应由工程结构土建总承包方承责；但防水工程 被定位为防水层施工工程且单列分包给专业防水工程公司， .总包方并无参与其中， '工程防水质量似乎又是专 业防水工程公司负 责之事；责任模棱两可，无人真正承责。 假如今后地下工程防水还需使用 “ 防水工程 ” 这个术语，那么地下工程的防水工程可定位为：以结构本 体防水为主、外加防水层防水为辅的综合工作过程。地下工程防水工程的实施，贯穿于地下工程结构设计、 结构施工和防水混凝土配制等环节之中；外防水层的设置作为工程结构施工过程中一道工序予以完成。 在防水技术中，防水层虽然不是地下工程防水功能的主要提供者，但其独特的作用不容忽视 .在国外，对 于地下水含腐蚀性介质的地下工程必设防水层（实质己是防护层 ）， 以保护钢筋混凝土结构免受腐蚀。以优质 地下专用防水材料构成的防水层，能加强防水效果，有防治渗漏未病（封闭新生渗漏源）的功效和防地下水腐 蚀的作用 当然真正意义上的地下工程防水层 （ 防护层），绝对不可能用廉价低质的非地下专用防水材料和粗糙的 施工造就。至于防水层施工工程的称谓，可恢复传统的叫法：如沥青油租工程、聚氨酯防水涂膜工程、 SBS改 性沥青防水卷材工程等。 4地下工程对防水材料的质量要求 地下工程是埋人地下的钢筋混凝土构筑物，要长期承受地下水的压力和经受土壤及地下水中腐蚀性介质 和霉菌等的侵蚀，故地下工程所用的防水材料要比屋面材料经受不同的、 严峻得多的周边环境影响 .因此，在 美国等经济发达国家，他们的地下工程防水材料与屋面防水材料并不相同，两者不能互换使用。 地下工程与屋面工程的使用环境确实存在很大的差别 ,，两者使用相同的防水材料，显然错误。为适应地 下工程的需要，我们应制造专门的地下防水材料，使我国地下工程外防水层起到它应有的作用。 根据地下环境条件，结合外国经验，地下工程防水材料须满足如下要求： 1) 有优良的耐久性 ;防水材料必须具有较长的预期使用年限、方能适应地下工程外防水层往往无法维 修和无法更换的使用条件 ;(注 :设计使用年限与结构同步是个合 理要求 .低造价的防水层只能使用短寿命的材 料，加上马虎施工，这样的防水层是形同虚设，浪费资源 )； 2) 低吸水率 （ 美国一般低于 4%，）；吸水率低意味着其耐水性优，防水层能长期浸泡在地下水中而不 变，不致出现溶胀、膨胀和脱落； 3) 有较好的机械力学性能；能适应在结构施工过程中的交叉作业；能抗静水压；高地下水位下能保持良 好状态； 防水堵漏材料及施工技术交流会 4) 有柔性，厚度均一，抗拉强度和延伸率符合需要 ,使防水 (护 )层能起 ” 桥键作用 ” ； 5) 耐根穿刺； 6) 耐酸碱盐等化学腐蚀； 7) 防霉菌侵蚀。 在技术先进国家，人们在选择地下防水材料时，会根据具体工程所处环境条件，要求生产商提供 上述有 关性能的检测结果；但他们更重要的选择依据是产品的成熟性和可靠性以及生产商的信誉。 5耐久性与防水性的关系 地下工程是埋人地下的钢筋混凝土空间结构，其耐久性之重要毋庸置疑，例如我国的地下轨道交通结构 系统的设计使用年限就是 100年 （ 混凝土髙铁桥梁也是 ） 。 我们知道，钢筋混凝土结构使用寿命的长短，取决于它在使用寿命期间遭受破坏的程度和速度。因而它 的耐久性与其在使用期间经受破坏的情况息息相关。 5.1钢筋混凝土结构的破坏机理 世界各国学者长期大量的研究证明 5,钢筋锈蚀、碱集料反应、硫酸盐侵蚀、冻融循环和收缩开裂等五 个主要破坏机理导致钢筋混凝土损坏。 前三个破坏机理为化学破坏机理，是造成混凝土腐蚀的化学反应过程；后两个属物理破坏机理，是物理 过程。 在破坏机理中，化学腐蚀对混凝土造成的伤害隐蔽而严重，是钢筋混凝土遭受破坏的主要原因。 实践证明，在所有破坏机理中，钢筋锈蚀对钢筋混凝土的破坏作用最大。而导致钢筋快速腐蚀有两个主要 因素：混凝土的碳化和氯离子通过毛细孔在混凝土中的扩散；两者破坏了保护钢筋的碱性钝化层而促成腐蚀。 造成钢筋混凝土结构腐蚀的化学反应过程有许多，其中主要有： 碳化 ,它是混凝土水泥浆体中的氢氧化钙等与空气中的二氧化碳在水分参与下发生的化学反应； 碱骨料反应是混凝土中的碱性骨料与反应性硅在渗透水介入下生成能遇水膨胀的水玻璃（硅酸钠）等的 反应； 离子交换腐蚀是酸、碱、盐等介质与水泥中某些成分进行离子交换生成可溶物的反应，它导致水泥石 (水泥水化产物）的破坏； 另外，氯离子扩散、硫酸盐腐蚀等亦均属此列。 细观以上化学反应，我们不难发现，它们全有水的参与 .可见水在钢筋混凝土结构腐蚀过程中的重要作用。 5.2防腐蚀 与防水的差别 1)地下工程的防腐蚀 混凝土的腐蚀是钢筋混凝土结构在使用寿命期间遭受破坏的主要因素，因此防止腐蚀便成为提高地下工 程耐久性的主要途径。 如何防腐蚀？根据混凝土腐蚀机理，防腐蚀就是要防止所有化学腐蚀反应在钢筋混凝土结构体内发生； 为此必须隔绝所有参与反应的物质组份（包括空气和水）与混凝土接触。 水是混凝土多个主要化学腐蚀反应的参与者，说明 “ 防水 ” 与 防腐蚀 ” 密切相关。 不过 “ 防腐蚀 ” 中的 “ 防水 ” 是要防止水分参与混凝土的化学腐蚀反应；是要杜绝任何水分 (包括水蒸 汽 )到达混凝土表面并进而透入混凝土结构体内，与建筑防水的 “ 防水 ” 截然不同。 论文集 © 至于怎样做才能高效防止混凝土腐蚀，这是世界至今仍在不断研究的课题。当前除了釆用防腐蚀混凝土 结构，常用的方法就是在钢筋混凝土结构表面铺设耐腐蚀的防腐蚀（防护 ） 层，使混凝土表面得到严密而持久 的封闭，使所有导至腐蚀的介质不能到达混凝土表面和进入混凝土内部，从而阻止任何化学腐蚀反应的发生。 当然防护材料及其形成的防护层的选择，绝非易事 ;它们必须满足钢筋混凝土结构防腐蚀的特殊要求 ;其 中材料自身的耐腐蚀性、耐久性、对混凝土潮湿表面的高度粘结力以及防护层与基层表面粘附的持久性等，缺 一不可 .高性能环氧防护涂料施用于 地铁盾构法混凝土管片，形成防护 (防腐蚀 )层，便是成功案例。至于使用寿 命要达 100年的地下轨道交通系统 ,如何规避使用寿命期间钢筋混凝土的破坏，绝不是搞个好的防水层就能奏效 的事；它将是一个复杂的系统工程 :包括构筑能防止混凝土破坏机理运行的防腐蚀钢筋混凝土结构 ;在结构表 面铺设优质防护 (防腐蚀 )层；通过结构工程的设计、施工、防腐蚀混凝土的配制、优质防护材料的施用等多 方合作，才可能实现这个目标。 2) 地下工程的防水 防止地下水渗漏进入地下空间，使工程得以正常使用 ,这是地下工程防水的目的。 在地下混凝土空间内壁面（背水面）检查不到渗流或湿渍，表明该工程不渗漏、是个能防水的地下工程。 具有防水功能的地下工程是否就具有防腐蚀功能、就有好的耐久性？答案是否定的。 理由很简单；地下空间的 “ 防水 ” 与防腐蚀的 “ 防水 ” 含义不同：前者是防渗漏，后者是防止水与混凝 土接触、防止水参与混凝土的化学腐蚀反应。 地下工程防水的标志是无渗漏，它并不防止水份接触混凝土迎水面的表面，并不阻拦水份通过空隙渗透 进入混凝土内；因为只要空隙不连成贯通，或者透过贯通空隙的透水量少于蒸发量，背水面虽无渗漏现象， 但水参与的混凝土化学 腐蚀反应已在混凝土内不断进行。 地下工程的防水不能使它防腐蚀，它无助于地下工程耐久性的提高。因为 “ 钢筋混凝土结构防护与建筑 防水是两个不同的概念、两个不同的工程技术范畴 ” 。 6 结论 1) 结构本体防水是地下工程获得防水功能的主要条件。 2) 地下工程的结构本体防水功能的形成是结构设计、防水混凝土配制和结构施工协同工作的结果。 3) 地下工程防水层须按高要求的防护层考虑，它对进一步完善防水质量、防治渗漏未病 (封闭新生渗漏 源 )、防止地下水腐蚀具有重要作用；但必须釆用优质地下专用防水材料精心施工造成。 4) 地下工程防水工程定位 :以结构本体防水为主、外加防水层防水为辅的综合工作过程。 5) 地下防水材料与屋面防水材料有别 ;其性能需符合地下防水材料的特殊要求。 . 6) 防水与防腐蚀（提高耐久性 ） 机理不同、性质不同；防腐蚀必防水，反之不成立；有防水功能的地 下工程不等于其耐久性也好。