隧道防水渗漏——橡胶密封材料力学性能测量

隧道防渗漏和普通民众的生命安全密切相关，透水事故给我们隧道工程的建设敲响警钟，隧道防渗漏技术和材料性能的研究需要高度重视。

对于刚性构件无法克服自身防水劣势的关键节点，采用柔性防水材料进行密封，做到刚柔结合。有时候一种防水方式不敢保证防水效果，或者为了万无一失，可以采用多种防水形式结合，构筑多道防线。

地下工程渗漏水的主要隐患

就我国地下工程渗漏水病害现状来说，造成地下工程渗漏水的主要有设计因素，材料因素，施工因素等，在这里着重跟大家介绍材料因素造成的渗漏。

1、商品混凝土材料：商品混凝土的推广应用，防水混凝土配制原则被打破，如泵送混凝土塌落度较大，水灰比超过限值，由于混凝土收缩增大, 易出现裂缝而造成渗漏。

2、新型防水材料选用：对新型防水材料的性能、作用和如何应用认识不清，如在防水混凝土中，不管是矿渣水泥还是普硅水泥，都机械地应用UEA复合膨胀剂、明矾石、膨胀水泥等,施工养护仍按传统施工工艺，未能取得预期效果。

3、材料质量达不到设计要求：近年来，我国的建筑防水材料发展很快，但在地下工程特殊环境下使用尚有局限性，材料质量达不到设计要求，易造成渗漏。

例如建筑拒水粉用于地下工程，由于拒水粉防水原理与地下工程防水不相适应而造成渗水。

山岭隧道防水的主要策略

作为地下工程的核心部分之一，山岭隧道防水非常重要。隧道漏水不仅会降低混凝土衬砌的耐久性，而且降低隧道内各种设施的功能，恶化隧道内的环境。建造不漏水的隧道，成了隧道施工的老课题。

目前国内外对山岭隧道的施工，主要用复合式衬砌法防水。复合式衬砌被应用于国内外大量的隧道工程，如日本的北陆新干线一间濑隧道、东京湾渡海公路海底隧道，北京西单折返线地铁以及京九铁路五指山隧道等，具有先进合理，防水可靠的优点。

复合式衬砌由一次支护，二次模注混凝土以及防水层组成。防水层设于一次支护与二次模注之间，表面光滑，除了防水，它还能减少喷射混凝土与二次衬砌模注混凝土之间的约束应力，防止二次模注混凝土产生裂缝，隧道复合式衬砌防水层主要的材料之一就是PVC橡胶材料。

施工缝防水橡胶材料的应用

施工缝指的是在混凝土浇筑过程中，因设计要求或施工需要分段浇筑，而在先、后浇筑的混凝土之间所形成的接缝。它并不是一种真实存在的“缝”，它只是因先浇筑混凝土超过初凝时间，而与后浇筑的混凝土之间存在一个结合面，该结合面就称之为施工缝。

地下工程施工缝防水设防的方法主要有遇水膨胀止水条、中埋式止水带、外贴式止水带等等，这些止水带主要防水材料是橡胶及其它助剂加工制成，当结构变形时，主要靠中间的橡胶段在混凝土变形缝之间被压缩或拉伸，遇水膨胀等，而起到密封止水作用。

例如，遇水膨胀止水条一般在橡胶中引入了吸水的成分，保证弹性止水材料自身的力学性能以及弹性性能，在吸水膨胀的作用下，堵塞了载弹性密封止水变形范围之内外的裂隙，同时还能对新型的裂隙产生一定的弹性密封力。

又如钢边橡胶止水带。它的两翼带有薄钢板，与混凝土粘接时，两边的钢板与周围的混凝土结构以及钢板与橡胶之间具有牢固的粘力。钢板止水带的防水原理主要靠中间的橡胶段在混凝土变形缝之间被压缩或拉伸，而起到密封止水作用。

橡胶材料力学性能分析

为了研究和开发更能满足建构筑物防水需求的防水材料，某大学材料研究实验室携手新拓三维，采用新拓三维自主研发的XTDIC三维应变变形测量分析系统，对用于施工缝防水的橡胶材料进行力学性能测量，以获取该种橡胶材料物理力学性能的技术性能指标。

橡胶止水带的材质是以氯丁橡胶、三元乙丙橡胶为主，其质量稳定、适应能力强，普遍适用于地下工程施工缝防水设防。依据《高分子防水材料 第二部分 止水带》GB 18173.2国家标准提出的，施工时应抽样复检拉伸强度、扯断伸长率和撕裂强度等力学性能指标等项目。

橡胶防水材料试件

本次试验采用2个橡胶材料试件，分别用隧道水压模拟冲涨变形试验和拉伸试验，测量其作为密封材料的拉伸模量、变形和断裂伸长量等力学性能。

实验一：隧道水压模拟冲涨变形试验

制备橡胶试件，喷涂黑白相间的散斑，将试件放入到圆柱装置，通过冲水加压进行冲压实验，新拓三维XTDIC系统相机同步采集各个变形状态数据。

运用新拓三维XTDIC系统，基于网格应变分析、数字图像相关法测量等技术，通过加压装置工作时试件变形的序列视频图像，计算出橡胶试件的胀形位移场和应变场。

实验表明，该橡胶试件在冲胀变形过程中，双向应力均匀扩展，成形性较好，在对橡胶试件进行位移性能、弹性模量分析时，可提供可靠的实验数据借鉴。

实验二：拉伸试验

对试样表面制备散斑，当试验机开始工作时，新拓三维XTDIC系统同步采集，直至试件断裂，停止并完成采集，对采集的图像进行分析计算。

新拓三维XTDIC系统，通过比较每一变形状态测量区域内各点的坐标的变化，得到物面的位移场，进一步计算得到试件物面的位移场和应变场。

本次试验，共测量了2个橡胶试件，精确地获取了试件的拉伸强度、最大伸长率、撕裂强度和弹性性能等，为橡胶材料的力学性能研究、材料的设计和有限元仿真的研究提供可靠的数据支撑，通过不断地研究材料的力学性能，找准材料的工程适用范畴，有助于更好的保证防水效果。

从实验数据可见，随着拉伸实验的进行，试件产生明显的变形和位移，关键部位的位移值和应变值不断增加，关键部位因产生断裂而破坏。通过采集记录，获取橡胶材料力学性能的数据，指导橡胶材料的研究、设计和优化。

实践表明，想要解决地下工程漏水这个世界性难题，单一防水方法无法胜任，当前人们已经趋向于采用混合防水法，通过多道防线，层层设防，以达到地下隧道不漏水之目的。从材料的角度来说，应合理选择高性能防水层和结构自防水材料，加强接缝和变形缝细部防水的处理。

新拓三维--国内知名的材料力学性能分析技术服务商

新拓三维技术(深圳)有限公司是一家集三维光学测量技术研究、测量设备应用研发及技术方案提供为一体的高新技术企业，是由一支来自西安交通大学从事3D光学测量的专家及技术人才的精英团队创立。

公司拥有XTDIC三维全场应变测量分析系统、XTOM三维光学扫描测量系统、Tube Qualify三维光学弯管测量系统、XTDP三维光学摄影测量系统等十余款光学测量产品，客户遍及包括世界500强在内的众多国内外知名企业、高校及研究机构，目前已成功应用于汽车制造、消费电子、航空航天、重型机械、医疗等行业，应用涵盖机械、材料、力学、土木工程等10多个学科领域。

新拓三维致力于三维光学测量技术的不断研究、创新、突破，为合作伙伴提供泰达到世界先进水平的三维光学测量产品及技术，并可根据客户在生产环节、研发过程中的需求定制个性化的解决方案。

XTDIC三维全场应变测量分析系统介绍

系统特点

采用非接触式测量方式，可快速、高精度、实时地进行测量物体的全场三维轮廓、三维位移及三维应变，XTDIC系统实时显示、记录、测量、分析物体的变形，并形成全面、直观、易理解的测量报告。

　应用范围

材料力学性能测量：火箭发动剂固体燃料、橡胶、光纤、压电薄膜、复合材料以及木材、岩石、土方等天然材料的力学性能的检测，还被广泛应用于破坏力学研究中。

损伤与破坏检测：复杂材料，如岩石、炸药材料的破坏检测中;特殊器件，如陶瓷电容器、电子器件，电子封装的无损检测。

生物力学测量：测量手术复位后肱骨头在内旋转及前屈运动下大小结节的相对位移量，颈椎内固定器对人体颈椎运动生物力学性能的影响等。

教学科研应用：软组织、金属及复合材料性能测试、力学性能测试分析、有限元分析验证等研究和教学实验。