防水层的避拉层及其材料蠕变性能研究.doc

柔性防水层的避拉层及其材料蠕变性研究the Averting Pulled Layer of The flexible waterproof layer and Creep Research of the Material张文华Zhang wenhuaAbstractThis paper puts forward the general concept and material requirement of averting pulled layer, and discusses its effect and mechanism and its application to waterproof engineering. And has conducted the research to the creep characteristic of the waterproofing material.8 屋面或地下柔性防水层由于基层开裂、防水材料的后期收缩等很容易被拉裂，如采用空铺、点粘、条粘等铺贴工艺，一旦渗漏会在防水层底部产生窜水现象，降低防水层设防的可靠性。因此，如能在防水层底部设置具有一定蠕变能力和自愈能力、粘结力强的避拉层来消除基层的应力，可以大大提高防水层的整体设防能力，减小防水层高应力状态下的老化速率，提高防水层的耐久性。1柔性防水层的开裂失效分析 采用柔性防水材料构筑防水层一直以来都是防水的主要手段，与刚性防水相比，柔性防水层具有较大的延伸率，能够较好地适应各种因素引起的基层开裂而不失去防水功能。然而在工程实践中，由于多方面的原因，仍有较多的柔性防水层在使用过程中出现开裂而失效。据有关数据统计，开裂导致柔性防水层失效引发的渗漏占到56%以上，而且防水层在高应力状态下的老化速度加快，由此可见，如何防止柔性防水层开裂仍是防水技术研究的重要课题。从力学的角度来说，防水层开裂是由于防水层所承受的拉应力超过了其断裂应力所致。防水层的拉应力主要由以下三种情况产生：一是当防水层完全满粘于基层上时，基层开裂瞬间防水层的应力大大超过其所能承受的断裂应力；二是在使用过程中，由于地基沉降、结构热胀冷缩、结构和找平层材料的收缩等原因造成的基层变形应力传递给防水层；三是防水材张文华 浙江工业大学建筑工程学院 教授级高级工程师料在使用过程中的收缩受到基层约束时产生的拉应力。 从以上三种受力状态分析，防水层开裂失效都与基层的状态相关，消除了这种影响，就能解决防水层开裂失效的问题。空铺、点粘、条粘等施工工法将防水层与基层脱离，解决了防水层的开裂失效问题，但是容易造成窜水问题，即一旦防水层在某个部位如接缝、收头或节点等出现渗漏，渗漏水会在整个防水层下蔓延，导致防水层整体失效。因此采取空铺、点粘、条粘等施工工法时，必须采取非常严格的施工管理要求，从基层条件、施工期气候、材料及配套材料、施工工艺、施工方法、施工机具、工程质量检查和验收、成品保护等各个环节严格把关，稍有疏忽就可能造成防水层的失效。因此在防水层的构造设计上，如在防水层下设置既能将防水层牢固粘结于基层、又能消除或减少基层对防水层不利作用的层次，即能同时解决防水层开裂失效和窜水的问题，可以大大提高防水层的整体设防能力，并能减小防水层高应力状态下的老化速率，提高防水层的耐久性。我们将这个层次成为“避拉层”。2防水层的避拉层2.1 避拉层的概念 避拉层中的“避拉”是避免防水层承受拉力的意思。设置避拉层的目的是为了消除或减少各种不利因素对防水层产生的拉应力，避免防水层受拉破坏，同时也对防水层的基层起封闭作用。2.2 避拉层的作用机理 当防水层的基层开裂拉伸防水层时，具有蠕变性能的避拉层吸收了来自基层的应力，使应力不会传递给防水层，避免防水层受到来自于基层的应力的作用，这首先解决了防水层由于基层开裂被拉断而破坏失效引起渗漏的问题。其次，由于防水层在使用过程中处于无应力状态，避免了防水层高应力状态下的快速老化，延长了防水层的使用寿命。第三由于避拉层的蠕变性消除了基层变形传递给防水层的应力，在基层热胀冷缩的动态变化过程中，防水层几乎没有拉压的应力变化，不会产生挠曲破坏现象。第四避拉层所采用的蠕变型防水材料具有压敏性，在防水层的整个耐用年限内都具有粘性和自愈能力，当防水层受到外力作用被戳破时，破坏点不会扩大，防水层底部也不会出现窜水现象，避拉层由于蠕变作用能逐渐将破坏点修复，大大提高了防水层的可靠性。2.3 避拉层材料的要求 根据上述要求，避拉层必须具有粘结能力强、抗拉强度低、延伸率大、低温柔性好的特点，即避拉层材料必须具有蠕变性。根据定义，聚合物材料在一定温度下承受恒定载荷时，将迅速地发生变形，然后在缓慢的速率下无限期地变形下去，这种在温度和载荷都是恒定的条件下，变形对时间依赖的性质，即称蠕变性质。我们曾经做过一个直观的试验，将两层厚度为1.2mm的聚氨酯涂膜用0.5mm厚的某防水涂料粘结，当我们把底层的涂膜拉伸至100%延伸率长度时，面层涂膜的被动拉伸延伸率不到1%，由于聚氨酯涂膜的弹性模量小，其延伸对应力的敏感性强，因此本试验说明底层卷材拉伸产生的应力基本上被粘结材料的蠕变所吸收，对面层涂膜几乎没有应力传递，我们认为这是蠕变性材料的本质所在。理论上任何一种材料都具有蠕变的性质，也包括防水材料在内。然而处于常温状态时，在防水材料最大拉力范围内的某恒定载荷作用时，大部分防水材料几乎不显现蠕变性质；有部分材料显现出一定蠕变性能，如丁基橡胶密封胶带、自粘卷材等；也有显现出较强蠕变性能的防水涂料。 那么怎样测定防水材料的蠕变性质？如何确定蠕变的性能参数？这是界定该种防水材料是否蠕变型材料的关键。以下的两个实验来解决这两个问题。3 防水材料的蠕变性实验3.1 实验1 根据蠕变性的定义，在防水材料的标准实验条件下，检测在恒定温度和荷载条件下，变形对时间依赖的性质。3.1.1 实验材料 1.5mm厚三元乙丙防水卷材及其配套胶粘剂，1.5mm厚双面自粘卷材，蠕变型改性沥青热熔涂料（粘结层厚度1.5mm）。图3.1.2 变形对时间依赖性检测3.1.2 实验方案 参考中国的材料试验标准GB/T 4851压敏胶粘带持粘性试验方法，将三元乙丙卷材沿纵向裁剪150mm50mm的试片，分别用配套胶粘剂、双面自粘卷材和蠕变型改性沥青热熔涂料粘结，粘结面长度100mm，在粘结面长度两端做好标记点，每组六个试件。在标准条件养护室中放置24h后，将试件悬挂在特制的试验架上，然后在试件下端悬挂一定质量的重物，使试件测试段的受力与粘贴面保持平行，如图3.1.2。在重物悬挂完成后测量两标记点长度作为基准长度，并开始计时，根据事先确定的计时点测量两标记点的长度，将测量的长度减去基准长度作为该时间点的伸长量。3.1.3 实验结果及分析 三种粘结方法的各组试件在各计时点的伸长量平均值见表3.1.3和图3.1.3。表3.1.3 试件两标记点间伸长量平均值（mm）时间（min）粘结方法配套胶粘剂粘结双面自粘卷材粘结蠕变型改性沥青热熔涂料粘结00001.00.101.62.00.20.22.43.00.20.33.05.00.20.53.6（脱落）10.00.21.015.00.31.020.00.31.030.00.31.060.00.31.590.00.32.0120.00.32.2 配套胶粘剂粘结 双面自粘卷材粘结 蠕变型涂料粘结图3.1.3 试件两标记点间伸长量平均值曲线3.1.4 结果分析 从表3.1.3和图3.1.3的实验数据及实验过程对试件的观察可见： （1）采用配套胶粘剂粘结的试件，其粘结面相对滑移很小，几乎为零，其伸长量即是三元乙丙卷材的蠕变量，说明三元乙丙卷材虽然有一定的蠕变，但其蠕变量是非常小的。 （2）采用双面自粘卷材粘结的试件，其伸长量包括三元乙丙卷材的蠕变量和双面自粘卷材的剪切蠕变量。在实验过程中观察试件，可明显的看出其粘结面产生了一定的剪切变形。将本组数据减去对应的采用配套胶粘剂粘结的数据即为双面自粘卷材的剪切蠕变量。 （3）采用蠕变型改性沥青热熔涂料粘结的试件，其剪切蠕变非常明显，试件脱落后对粘结面进行观察，在两个试片的粘结面上都有一定厚度的粘结材料，说明剪切变形是发生在蠕变型改性沥青热熔涂料内。3.1.5 本实验存在的问题 （1）三组试件的检测数据和实验过程差别很大，第三组的每个试件均产生脱落现象。因此采用该方法进行材料的蠕变性定量测定具有很多不确定性。 （2）防水材料对拉伸应力的释放情况，在本实验中未表现出来。 因此需要更改试验方案来解决这些问题。3.2 实验2 实验1对比了三元乙丙卷材、双面自粘卷材和蠕变型改性沥青热熔涂料在恒定温度条件下承受相同荷载时蠕变特性，体现了在恒定荷载条件下的变形状态。在实际工程应用中，针对基层开裂产生的拉伸应力，与基面接触的材料对该应力所作出的反应如何，在实验1中并未直观的表现出来。因此采用应力松弛的方法，设计了实验方案2来考察在拉伸应力的作用下，材料的蠕变性对拉伸应力的影响。 应力松弛是指材料在恒温和长时间的恒应变条件下，应力降低的现象，应力松弛与蠕变有很强的相关性，蠕变越大应力松弛能力越强。剪切应力松弛现象可以直观地反应与基面接触的防水材料对基层开裂应力所作出的反应。 由于三元乙丙卷材的蠕变很小，蠕变对拉应力的影响微乎其微，故在实验2中不采用三元乙丙卷材。3.2.1 实验材料 1.5mm厚双面自粘卷材，蠕变型改性沥青热熔涂料（粘结层厚度1.5mm），100mm50mm铝板。3.2.2 实验方案 分别用双面自粘卷材和蠕变性改性沥青热熔涂料粘结两片铝板，粘结面积为50mm50mm，每组六个试件，在标准条件下放置24h。每组中取出三个试件分别测试其最大拉力，计算出每组三个试件的最大拉力平均值。将每组剩余的三个试件在拉力机上以100mm/min的速率拉伸至最大拉力平均值的75%，停止拉伸，固定拉力机夹具的距离并开始计时，根据事先确定的计时点读取拉力机的拉力值。3.2.3 实验结果 两种粘结方法的试件在各计时点的拉力平均值见表3.2.3-1和图3.2.3-1。表3.2.3-1 两组试件在各计时点的拉力平均值（N）时间（min）粘结方法双面自粘卷材粘结蠕变型改性沥青热熔涂料粘结01801500.516888116240215823515521101532015152203015220601511912015019双面自粘卷材粘结 蠕变型涂料粘结图3.2.3-1 两组试件在各计时点的拉力平均值曲线 表3.2.3-1的实验数据和图3.2.3-1的曲线表明，双面自粘卷材和蠕变型改性沥青热熔涂料对拉伸剪切应力都有比较明显的应力松弛现象，加载初期的应力松弛速率较快，并逐渐降低。将上述两组数据分别按式1和式2计算每个计时点的应力松弛量和应力松弛率，得到表3.2.3-2的结果，绘制能够曲线后如图3.2.3-2。 F=F0-Fi 式1 =F/F0100% 式2其中：F应力松弛量 F0停止拉伸时的拉应力Fi第i个计时点时的拉应力 应力松弛率表3.2.3-2 两组试件在各计时点的应力松弛量及占初始值比例时间（min）双面自粘卷材粘结蠕变型涂料粘结FiFFiF018000%15000%0.5168126.7%886241.3%11621810.0%4011073.3%21582212.2%2312784.7%51552513.9%2112986.0%101532715.0%2013086.7%151522815.6%2013086.7%301522815.6%2013086.7%601512916.1%1913187.3%1201503016.7%1913187.3% 双面自粘卷材粘结 蠕变型涂料粘结图3.2.3-2 应力松弛率曲线 3.2.4 结果分析 根据试验2的实验数据和实验过程，可以得到如下的结论： （1）采用应力松弛方法检测防水材料蠕变性是可行的方案；实验中粘结层对剪切应力的松弛反应符合工程应用实际； （2）加载初期的应力松弛速率较快，并逐渐降低； （3）双面自粘卷材和蠕变型改性沥青热熔涂料对拉伸剪切应力都有比较明显的应力松弛现象； （4）在相同试验条件下，蠕变型涂料的应力松弛量较双面自粘卷材大很多，双面自粘卷材的应力松弛量为17%，而蠕变型涂料的应力松弛量达到87%。4