聚合物喷膜防水材料在隧道工程中的应用与性能研究

樊康佳，李凡

摘要：通过在隧道试验模型中进行喷膜防水施工试验，对隧道工程喷膜防水施工工艺进行研究，此工艺使用的是高压无气喷涂模式，防水材料为丙烯酸盐聚合物喷膜。在催化剂效应下，丙烯酸盐聚合物水溶性单体在很短时间之内就能产生彈性防水膜，且具有较高强度，常用于隧道工程中。研究此防水材料的配方并进行了分析，其中涉及到增塑剂、成膜物质、填料与引发剂等，剖析了该材料性能受到的影响，通过试验研究得出该防水材料的应用与推广价值较为显著。

关键词：聚合物；丙烯酸盐；喷膜防水材料；隧道工程

中图分类号：U454;TQ635.55

文献标志码：A文章编号：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

根据隧道工程防水材料的开发与发展趋势，研究的CM-1型喷膜防水材料的核心构成就是丙烯酸合成物，可以很好符合上述发展趋势。因为该材料具有较佳的性能，进入到20世纪60年代，全球很多国家开始进一步将其用作灌浆材料，处理软土层、堵漏等。日本在20世纪80年代之后则将其作为成膜物质在地下工程中得到成功运用。2002年，《新型建筑材料》期刊重点论述喷膜防水系统技术，研究主要是对丙烯酸盐聚合物的不同构成性能与具体的工程应用情况进行分析。

1丙烯酸盐聚合物的合成物及其成膜性能

1.1丙烯酸盐聚合物单体制备

制作这种单体就是将盐和丙烯酸等原料产生化学反应，具体反应流程参见图1。

1.2丙烯酸盐聚合物单体聚合成膜条件

该聚合反应实现机制即为自由基的连锁反应，由于丙烯酸单体有着较高的水溶性，可以将水用作溶剂，促进其聚合反应。在此过程中还需要运用水溶性引发剂，生成的聚合物具有网状结构，与橡胶硫化之后的交联结构颇为相类。丙烯酸单体可以在很短时间里完成交联聚合，使之形成高分子材料，且具有一定强度。

聚合反应过程中，丙烯酸单体的双键会形成加成反应，因为其中存在着盐键结点，这与橡胶硫化反应生成的交联点颇为相似，于是就能使聚合物有着较高弹性，其弹性值和交联密度关系密切，呈现出反相关性。单液体和引发体剂浓度以及配比将会对交联密度产生决定性影响。由于此单体有着较快的聚合反应速度，而且会生成大量热，若是不能很好散热，容易产生暴聚现象，就不能正常进行聚合反应，因此喷射聚合成膜工艺需要对散热进行科学控制，这也是实现聚合成膜的重要前提。

1.3丙烯酸盐聚合物单体和引发体系浓度确定

研究开展超过70组的筛选试验，涉及到不同的引发体系配比、单体浓度。最终结果显示，单体浓度过高、过低时会分别导致聚合物粘接性变差与强度过低。在相同聚合速度下，单体浓度的改变会引起还原剂和氧化剂用量的密切改变。根据材料粘接性、聚合速度等要素，最终选定的单体浓度为25%～35%，氧化剂与还原剂配比在3∶1～2∶1，此时只需要在2～6 s就能生成凝胶弹性体，进而满足防水需求。

1.4引发体系对膜性能影响

引发剂容易被分解，并生成自由基化合物，在辐射能、热能的效应下，其分子结构上的弱键就会断裂，形成自由基，其聚合温度最低为40 ℃，最高达到100 ℃，分解活化能为125～147 kJ/mol。根据实验，最终选择的引发体系为亚硫酸钠与过硫酸钠，通过适当添加引发剂，有助于分解温度下降，这样就能在低温下实现聚合反应。对该引发体系的分解反应进行分析得知，该活化能为40～50 kJ/mol，在0 ℃左右便能实现聚合反应。通过实验还得出，引发剂浓度上升，会加快聚合反应速度；但聚合物分子量下降，其力学性能也会减弱。相反，若是浓度下降，则会减慢反应速度，于是就不能快速成膜。为此，该成膜工艺的重要技术参量就是引发剂的配比与浓度。

2成膜物质的添加剂及填料

2.1交联剂

在烯酸单体浓度一致下，使用与不使用交联剂，后者反应得到的成膜物质弹性会逐步朝着塑性方向转变；前者反应物的弹性则具有稳定性。然而，联剂比例增加到一定值之后，成膜主液黏稠度会显著增长，就很难运用喷射工艺，而且成膜物质的弹性性能也会减弱。通常掺入的交联剂比例最低为2%，最高5%；此时生成的防水膜弹性性能较为出色，耐水性也较强。

2.2填料

仅仅利用丙烯酸单体成膜，其力学与成型性能存在着一定局限性，譬如缺乏耐酸碱性，容易出现体积收缩等问题。为此，掺入一定的填充材料可以实现改性，该防水材料的制备常见填料为高岭土、白炭黑、滑石粉等。在具体研究中需要结合失水率、弹性、拉伸强度等指标通过对比实验，分析成膜性能受到填料的影响。最终结果显示：填料种类不同不会影响最终成膜性能，掺入量则有着明显影响。掺入比例增长后，成膜弹性有一定下降，失水率有一定上升，而拉伸强度则有所上升，需要更长的聚合时间。根据实践应用，填料不同组分用量可以控制在不超过10%，总量不能超过50%。

2.3增塑剂

增塑剂有助于提升膜的柔性，而且还能稀释聚合物，并对其降温。大量研究显示，水是性能较佳的增塑剂，因为水分子体积小，还有相应的极性与渗透性，可以更好和聚合物大分子进行作用，使得大分子相互之间的作用力有所减弱，促进大分子链段产生内旋转，进而提升其柔性。增塑剂还能为该内旋转提供相应的自由体积，这样就能实现降温与稀释效应。由此可见，水含量会显著影响到膜体的弹性，然而环境会对水含量产生明显影响，为了保证成膜防水材料的性能，还需要掺入一定的保水剂。通过大量实验，甘油等属于效果较佳的增塑剂，占比为10%～15%时能够产生较佳的增塑效果。

2.4助剂

为了成膜材料的性能更为稳定、耐久，还需要掺入一定不同种类的助剂，如消泡、抗菌防霉等助剂。

3喷膜防水材料的工程应用

3.1试验工程概况

试验地点选择的是某铁路线上的2个区域，分别为第五连接通道和大竹林隧道进口平导，前者为DK169 +440区域；后者为DK168 +080～DK168 +103段，外形呈现出马蹄形直墙。

前者通道端属于裸露石灰岩，其裂隙已经发育，渗漏水問题较为显著，需要增设排水。其中，有5 m区域需要进行满铺无纺布试验，其他区域需要在岩体上进行喷膜试验；后者段为软岩，已喷混凝土，然而基面较为润湿，有着显著渗水现象，需要局部排水。可以在混凝土上进行喷膜试验，此隧道内部的相对湿度较高，最低为70%，最高时达到100%；整个基面不具有规整性，需要对其加以整形。

3.2喷膜防水工程试验段的施工

第1工程试验段，挂无纺布并在裸岩体上进行喷膜防水试验。此段隧道施工完工已有较长时间，岩体表面积尘严重。为此，需要对岩体面通过高压水进行冲洗，其覆盖面达到了170 m2，长度也达到了17 m，使之达到清洁水平，含尘率不超过10.0%。随后清理界面，填补孔洞、去除危石等。同时还对50 m2的岩体面铺挂无纺布（5 m）。喷射最大距离可达20 m、气压超过6 MPa、相对湿度为100%、洞内温度为10～15 ℃、基面润湿度达到手摸有水迹、pH值为8。在施工现场根据实验室得出的配方先进行少量聚合成膜验证，同时对引发剂、主液、辅液等进行调整，获取最佳配比。接着按照现场环境，对喷射设备的参量进行调试。在完成上述准备后，还需要进行试喷作业，根据喷射距离、喷射移动线、移动速度等完成现场试验。

第2工程试验段，局部有较大渗水量，界面已有混凝土，并开展喷膜防水试验。这个试验段建设时间已经较长，是典型的平行导坑，因为喷混凝土作业不够精细，其中有凸起毛刺，最长达到5 cm，大多为1～2 cm，需要在喷膜前对这些毛刺进行处理，同时还需要清洗积尘较为严重的区域。倘若局部出现严重渗水问题，需要配置无纺布排水材料，其宽度在25～30 cm。这一段的试验长度与面积分别为23 m与230 m2，所选的喷射参量与环境参量：气压超过6 MPa、喷射最大距离为20 m、相对湿度为70%～80%、环境温度为20～25 ℃，基面润湿度与渗水pH值分别为手摸有水迹和6，其他过程与第1工程试验段保持一致。

3.3现场喷膜防水材料性能测试

通过比较实验室喷膜样品和现场样品，二者密实度相差较小，固体含量不低于45%。因为现场与实验室之间喷涂界面的平面相差非常大，进而现场的成膜平整性与实验室差异性较大，成膜厚度均匀性也比较差。所采集的样品能满足最小防水厚度的技术要求，薄膜厚度至少2 mm。因为在现场无法使用实验室所使用的标准试件，仅用一个简单的拉力计将喷涂界面上的成膜材料折断，并测量它的粘接强度，钢筋、混凝土界面以及岩石表面的粘接力略低于实验室中使用相同的方法的粘接力，分别相差5.4%、9.3%和10.5%。

3.4喷膜防水材料和防水板的经济技术比较

把现场试验数据和喷膜材料的试验指标与隧道施工中使用的防水板进行对比，结果如表1所示。

由表1可知，在满足相关性能指标基础上，虽然本次研究的喷膜材料整体成本超过了防水板材料，然而这种喷膜工艺的施工成本较低，其总成本仅仅比防水板工艺稍高。但喷膜防水工艺的整体性、防水效果、施工速度、技术先进性、材料利用率等都显著超过防水板工艺。

4结语

研究将丙烯酸单体用为成膜原料，通过掺入高岭土、白炭黑等填料，构成喷射成膜主液，在一定引发体系引导下，该主液的聚合速度非常快，几乎在瞬间就能获得高弹性膜材料，并且强度较高，能和喷射的基面更好粘接，这样就能形成整体性、无接头防水膜，且具有稳定的化学性能、良好的隔水性、较高的耐酸碱性以及阻燃性与环保性。另外，根据某铁路隧道工程试验，得出该防水工艺在地下工程防水施工中有着更为广阔的应用空间。

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