隧道及地下工程防水失效性分析

发布时间：2008-08-28 阅读 次

　　防水层由于地下结构环境不均匀变形所产生的破坏主要体现在防水层的物理性质上，也就是由于外界结构变化对防水层所产生的受力变化影响上。一旦某项力学指标超过了防水层材料的允许值，防水层的完整性将发生破坏，而造成防水层失效。另外，防水材料在受力的情况下，其耐久性也将发生变化，即防水材料的力学环境也将有可能加速材料本身老化或失效，这也是造成防水层失效的因素。
　　采用不同的防水方法，防水层在地下结构环境中所受到的破坏和影响程度是不一样的，因此研究在这些外力作用下，对防水层本身物理性能的破坏影响程度，据此来确定防水层和结构施工过程中需要相应采取的工程措施，对防止地下防水体系的失效有着重要的工程意义。
　　2．2防水材料的失效性检测
　　隧道及地下工程防水体系目前选用的防水材料多为有机高分子材料，对其老化与失效的研究主要集中在高分子材料的光热老化、热氧老化、光氧老化、化学介质中的老化机理及稳定性方面。对于地下工程防水材料而言，由于其处于密闭环境中．极少受到大气紫外线辐射作用，因此上述环境因素所产生的老化影响是次要的，主要的影响因素为环境介质即霉菌等微生物、水以及化学腐蚀性介质（酸、碱、盐）。
　　1）霉菌等微生物的影响：目前使用在地下工程中的防水材料种类繁多，其分子组成与结构有很大不同，高分子材料体系所加入的添加剂中含有不同的增塑剂及油脂类化合物，其中含脂肪酸结构的化合物极易感染霉菌，在潮湿恒温地下环境中，霉菌的分泌物会引起材料分解并转化为醇类和有机酸等物质，这些物质的存在为霉菌生长繁殖提供了养料．促进了霉菌向纵深发展．形成材料降解导致其性能失效。
　　2）水的影响：隧道及地下工程中的防水材料与地下水是密切接触的，这种长期接触会在材料表面形成水膜，进而发展到水渗人材料内部，使材料内部某些水溶性物质和增塑剂中含有亲水基团的物质被溶解、抽提或吸收，从而改变了材料的组成而促使材料老化甚至使得材料功能失效。
　　3）化学腐蚀性介质的影响：地下工程中通常遇到的腐蚀介质有混凝土中析出的强碱和盐等，或地下水中含有的腐蚀性化学元素。当高分子防水材料与这类化学腐蚀性介质接触后，它们之间的作用比起高分子材料的光氧化、热氧化等要复杂得多。由于介质的渗入，腐蚀性介质一方面对高分子材料内部的低分子物质发生溶出和抽提作用，使高分子材料发生膨胀、软化或溶解，另一方面又可以与添加剂发生系列的化学反应．最终导致材料外观改变和物理性能下降，使材料所具有的功能逐渐失效。
　　上述情况表明，研究隧道及地下工程防水材料失效性具有相当的难度．建立相应的检测手段和评价体系需要进行大量艰巨的工作。目前我国采用的自然环境老化实验和人工加速老化实验方法，虽然可在室内模拟环境条件，并通过强化某些因素进行快速累计试验（如强酸、强碱、各种浓度盐溶液等化学腐蚀性介质对材料的腐蚀老化，无氧高压力下微生物的繁殖以及对材料侵蚀，在流动介质作用下的冻融实验等），能在短期内获得材料老化失效实验结果，但针对地下工程特定领域材料的失效特点及机理很难做出定量评判。国外同行学者认为，地下工程防水使用的高分子材料在使用的过程中宏观物理性质发生了不可逆转的变化，其主要原因是由于高分子材料内部微观结构发生改变。因此，提出微观分析方法是探讨高分子材料失效机理的重要途经，其研究的手段是采用FTIR、UV等技术研究腐蚀性介质中高分子主链结构的变化；采用NMR、GC、GC—MS等技术对降解产物进行分析；利用AFM、SEM、TEM、XRD等设备考察高分子材料形貌的变化情况：结合高分子材料在失效过程中所发生的力学性能变化（如拉伸强度、断裂伸长率等）得出材料可能的降解程度和失效机理，所得的实验数据既可比较不同材料的失效程度及机理．也可作为评价材料失效程度的量化指标。
　　2．3 隧道及地下工程防水的工程检测
隧道及地下工程所采取的防水方法不同，对各项施工工艺以及力学、物理、化学指标的要求也不同；不同的使用环境，影响因素差异也较大，因此检测项目、检测指标以及检测方法也相应不同。隧道及地下工程的设计寿命期远远长于一般建筑工程，其防水工程的寿命与使用年限应是同样的尺度，因此，也要求对防水材料的工程性和耐久性有一个科学适用的检测方法。
　　2．3．1 防水工程失效性检测内容
　　隧道及地下工程防水失效原因可分为两类：一类是基于施工方法与工艺的建设期影响因素，另一类是工程建成后的使用期耐久性因素。前者主要与施工方法、施工管理有关，应对各种防水方法细化施工规范与操作规程，重点主要集中在现场施工管理、施工工艺以及质量监控等方面。而后者引起的失效问题则难以控制，由于地下工程特点，施工后难以检测，发现问题难以修补，影响失效性的因素很多，往往在工程交付使用后较长的时期才出现防水失效，这些都是防水工程检测应研究的重点。
使用阶段发生防水失效因素可分为两类：一类是外界环境条件造成材料失效，另一类是材料自身缺陷或质量问题造成失效。前者包括水作用，含有酸、碱、盐腐蚀性介质的水质的侵蚀，微生物的腐蚀，地下工程力场作用的破坏，大气环境以及时问的作用导致高分子等有机材料的降解等，此类因素本文前已论述。后者是材料在生产、运输、储藏过程中产生偏差造成的，属于质量问题。因此，检测的目的一是针对材料的性能鉴别能否满足防水使用年限要求，二是检测材料是否满足质量控制要求。
　　2.3.2现行检测指标分析
　　目前我国针对工程进行的耐久性检测中，高分子防水卷材检测指标主要有：常规检测指标（外观及尺寸、拉伸和撕裂强度、伸长率、热处理尺寸变化率、低温弯折性、抗穿孔性、不透水性、剪切状态下的粘合性）和耐久性检测指标（热老化处理、耐化学侵蚀、人工气候加速老化）两大项。喷涂材料还要增加喷涂材料与潮湿基面的粘结强度、表干和实干时间、加热伸缩率等项。
　　常规检查部分可以直观地反映材料的物理力学性能，如果这些指标合格．一般认为可以满足隧道及地下工程建设阶段对材料质量控制的要求，目前已将其作为隧道工程使用期围岩变形时防水材料抵抗失效能力的基本判定。耐久性指标主要反映高分子防水材料的耐腐蚀性和抗老化能力。其中除耐化学侵蚀检测具有针对性外，其他两项对隧道及地下工程这类特殊建筑是不适用的。根据笔者前述对国内200座隧道的调研结果分析，发现防水层出现脆化、粉化破坏现象的隧道使用期都在5～20年，其防水失效期还要低于这个时间．由此可见现有材料耐久性指标的设置检测项目及其相应的检测方法是有缺陷的。如霉菌和微生物的生物侵蚀作用、基岩与衬砌间基于围岩缓慢变形产生的挤压作用、地下结构混凝土析出物的腐蚀作用、电及流动介质对高分子材料老化作用等因素导致的失效机理还未被充分认识．还没有评价的指标和检测的手段．