防水材料的蠕變及其作用-建筑防水分會(huì)年會(huì)論.doc

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防水材料的蠕變及其作用 張文華 浙江工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院 摘要：本文從高分子物理學(xué)的角度闡述了防水材料的蠕變形變和溫度對(duì)蠕變形變的影響，據(jù)此對(duì)蠕變型防水材料的進(jìn)行了界定，探討了蠕變型防水材料的在防水工程中的做法和作用機(jī)理。 關(guān)鍵詞：蠕變 蠕變形變 粘流溫度 蠕變型防水材料 1 前言 延伸率是防水材料的重要力學(xué)指標(biāo)，從材料的基本性質(zhì)上來(lái)看，一直以來(lái)我們將具有較高延伸率的材料理解為具有較好的彈性或塑性。在防水材料的研發(fā)及工程應(yīng)用研究中，提高材料的彈塑性從而加大防水材料的延伸率被認(rèn)為是避免柔性防水層被拉裂的重要手段。但從建筑防水技術(shù)的“零變位原理”來(lái)看，基層裂縫從無(wú)到有的過程，即基層開裂的瞬間，計(jì)算防水層延伸率的起始寬度為零，即開裂對(duì)防水層產(chǎn)生無(wú)窮大的拉伸應(yīng)變，因此沒有任何一種防水材料能夠克服基層開裂而帶來(lái)的防水層斷裂現(xiàn)象。但在工程實(shí)踐中，即使防水層牢固粘結(jié)于基層，基層產(chǎn)生的細(xì)微裂縫并不會(huì)拉裂防水層，只有當(dāng)裂縫寬度達(dá)到一定量時(shí)，防水層才會(huì)被拉斷，這與“零變位原理”是相矛盾的。因?yàn)樵凇傲阕兾辉怼敝袑⒎浪畬涌醋魇抢硐氲膹椥圆牧?，而防水材料是由聚合物組成，防水層的形變行為是介于理想彈性體和理想粘性液體之間的，這種性能在高分子物理學(xué)中稱為“粘彈性”，即聚合物的力學(xué)性能是隨時(shí)間發(fā)生變化的，這種變化包括蠕變、應(yīng)力松弛、滯后和力學(xué)損耗等。本文主要討論防水材料的蠕變及其在防水工程中的作用。 2 防水材料的蠕變 2.1 蠕變的定義 蠕變是指在恒溫、恒負(fù)荷條件下，防水材料的形變隨時(shí)間延長(zhǎng)逐漸增加的現(xiàn)象。其原因是在外力作用下比較緩慢的鏈段運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的分子間相對(duì)位置的調(diào)整。 2.2 蠕變形變的力學(xué)模型 柔性防水材料均是聚合物材料，根據(jù)高分子物理學(xué)，聚合物材料的蠕變形變包括普彈形變、高彈形變和塑形形變?nèi)糠纸M成。 普彈形變（ε1）是指防水材料受力時(shí)，瞬間發(fā)生的高分子鏈的鍵長(zhǎng)、鍵角變化引起的形變。其力學(xué)模型服從虎克定律，當(dāng)外力除去時(shí)，普彈形變立刻完全回復(fù)，如圖1所示。其中t1為受力瞬間，t2為外力除去瞬間（下同）。 圖1 普彈形變 高彈形變是指防水材料受力時(shí)，高分子鏈通過鏈段運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的形變，高彈形變不是瞬間完成，而是與時(shí)間相關(guān)。當(dāng)外力除去后，高彈形變逐漸回復(fù)，如圖2所示。 圖2 高彈形變 塑形形變是指防水材料受力時(shí)發(fā)生分子鏈的相對(duì)位移。外力除去后塑形形變不能回復(fù)，是不可逆形變，如圖3所示。 圖3 塑性形變 當(dāng)防水材料受力時(shí)，上述三種形變是同時(shí)發(fā)生的，故蠕變形變由上述三部分組成。如圖4所示。 圖4 蠕變形變 2.3 溫度對(duì)蠕變的影響 溫度對(duì)防水材料的蠕變形變有很大的影響，溫度越高，相同應(yīng)力時(shí)的蠕變形變?cè)酱?，并在脆性溫度（tb）和粘流溫度（tf）附近產(chǎn)生較大的變化。在玻璃化溫度（tg）和脆性溫度之間，聚合物處于玻璃態(tài)，僅一小部分鏈段、側(cè)基、支鏈和較小的鏈節(jié)能做內(nèi)旋轉(zhuǎn)，聚合物分子只能在原位震動(dòng)，形變量極為有限，主要為普彈形變；在此溫度區(qū)段，防水材料受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生脆性斷裂現(xiàn)象。在脆性溫度和粘流溫度之間時(shí)，聚合物體現(xiàn)出高彈狀態(tài)，當(dāng)受到拉伸作用時(shí)，分子鏈由卷曲狀變?yōu)樯熘?，外力除去后，分子鏈又恢?fù)到卷曲狀，形變量較大，這種形變主要為高彈形變；此時(shí)防水材料體現(xiàn)出較大的彈性變形。當(dāng)外界溫度升高到粘流溫度后，聚合物由高彈態(tài)轉(zhuǎn)入粘流態(tài)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，整個(gè)分子鏈和局部鏈段都作運(yùn)動(dòng)，形變非常容易而強(qiáng)烈，形變量大而且不可逆，以塑性形變?yōu)橹?，防水材料體現(xiàn)出較大的蠕變形變。 2.4 蠕變型防水材料 某種材料的主要組份或者混合物的粘流溫度低于常溫時(shí)，該材料在常溫下的性狀就處于粘流態(tài)，具有較大的蠕變形變，如同時(shí)能夠滿足防水工程的其他性能要求，具有一定的不透水性，達(dá)到工程需要的粘結(jié)強(qiáng)度，具有與工程應(yīng)用環(huán)境條件相適應(yīng)的耐高低溫性能和耐久性，這類材料可以被認(rèn)為是蠕變型防水材料。由于粘流態(tài)物質(zhì)的形態(tài)是不定型的，因此蠕變型防水材料只能以防水涂料的形式存在。 防水材料的蠕變性國(guó)內(nèi)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)化的檢測(cè)手段。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究，可采用兩種方法進(jìn)行檢測(cè)：一是從蠕變的定義出發(fā)，在恒定溫度條件下，將試件拉伸到一定應(yīng)力后，保持該應(yīng)力，檢測(cè)隨時(shí)間變化的變形情況；二是采用應(yīng)力松弛方法進(jìn)行檢測(cè)，即在恒溫條件下，將試件拉伸一定的伸長(zhǎng)量后，固定伸長(zhǎng)量不變，檢測(cè)隨時(shí)間變化的應(yīng)力情況。應(yīng)力松弛與蠕變有很強(qiáng)的相關(guān)性，蠕變?cè)酱髴?yīng)力松弛能力越強(qiáng)。應(yīng)力松弛現(xiàn)象更直觀地反應(yīng)了與基面接觸的防水層對(duì)基層開裂應(yīng)力所做出的反應(yīng)。采用上述兩種方法，將三元乙丙防水卷材、自粘卷材和蠕變型熱熔防水涂料三種典型材料進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三元乙丙防水卷材形變與所受的拉力基本成正比關(guān)系，外力去除后殘余形變幾乎為零，其形變表現(xiàn)為普彈形變；自粘卷材在受拉力作用時(shí)，形變隨拉力的增加而增大，在拉力持續(xù)階段，形變繼續(xù)加大，外力去除后，部分形變迅速回復(fù)，放置一段時(shí)間后，形變?nèi)杂胁糠只貜?fù)，但有明顯的殘余形變，說明自粘卷材在受到外力作用后，既有普彈形變，又有高彈形變和塑形形變。蠕變型熱熔防水涂料在較小的應(yīng)力作用下，其變形就會(huì)不斷產(chǎn)生，外力去除后，形變基本沒有回復(fù)，說明其普彈形變和高彈形變很小，而塑形形變很大。[1] 3 蠕變型防水材料的作用 3.1 蠕變型防水材料防水層的構(gòu)成 蠕變型防水材料可以作為防水涂料單獨(dú)使用或與卷材復(fù)合組成復(fù)合防水層。 蠕變型防水材料雖然是一種粘滯性材料，但其形成的涂層不透水性指標(biāo)達(dá)到0.1MPa以上，完全可以作為一道獨(dú)立的防水層使用。作為防水涂料獨(dú)立構(gòu)成防水層時(shí)，材料的粘流溫度宜與常溫接近，材料的形態(tài)更接近于固態(tài)，便于形成涂層。涂布完成后，涂層上覆蓋一層塑料薄膜以防粘腳，便于后續(xù)工序的施工。由于蠕變型材料的耐熱度一般在70℃左右，在屋面工程中推薦使用倒置式屋面構(gòu)造，在涂膜層上直接鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫板保溫層，上部澆筑40mm厚細(xì)石混凝土保護(hù)層。地下室底板的外防水涂膜層完成后，澆筑40mm厚的細(xì)石混凝土保護(hù)層，再進(jìn)行地下室底板鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序。地下室墻板在涂膜防水層完工后，直接粘貼聚苯乙烯泡沫板作保護(hù)，進(jìn)行回填土的施工。[2] 蠕變型防水材料與卷材復(fù)合使用可以大大提高防水層的可靠性和耐久性。新修訂的《屋面工程技術(shù)規(guī)范》明確提出了復(fù)合防水層的概念，并對(duì)卷材與涂料的復(fù)合做法、不同防水等級(jí)時(shí)復(fù)合防水層中卷材與涂膜的厚度、以及復(fù)合防水層設(shè)計(jì)的具體要求做出了明確的規(guī)定。蠕變型防水材料與卷材構(gòu)成復(fù)合防水層是采用一次成型的施工方式，即是以涂料作為卷材的粘結(jié)劑，邊涂布涂料邊鋪貼卷材的成型方式，復(fù)合防水層中卷材和涂膜的復(fù)合較為完整，具有良好的共同作用能力，是復(fù)合防水層的較好形式。[3]施工前，根據(jù)涂膜層的厚度計(jì)算出材料的單方用量，在基層上按卷材寬度彈出每幅卷材的鋪貼線，施工時(shí)，在涂布蠕變型防水材料的同時(shí)進(jìn)行卷材的鋪貼。并在卷材接縫部位騎縫刮抹20mm寬、1.0mm厚的蠕變型防水材料封閉接縫口。再按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行保護(hù)層的施工。 3.2 蠕變型防水材料的作用機(jī)理 據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，開裂導(dǎo)致柔性防水層失效引發(fā)的滲漏占到56%以上，而且防水層在高應(yīng)力狀態(tài)下的老化速度加快，從力學(xué)的角度來(lái)說，防水層開裂是由于防水層所承受的拉應(yīng)力超過了其斷裂應(yīng)力所致。防水層的拉應(yīng)力主要由以下三種情況產(chǎn)生：一是當(dāng)防水層完全滿粘于基層上時(shí)，基層開裂瞬間防水層的應(yīng)力大大超過其所能承受的斷裂應(yīng)力；二是在使用過程中，由于地基沉降、結(jié)構(gòu)熱脹冷縮、結(jié)構(gòu)和找平層材料的收縮等原因造成的基層變形應(yīng)力傳遞給防水層；三是防水材料在使用過程中的收縮受到基層約束時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力?？梢姺浪畬娱_裂失效都與基層的狀態(tài)相關(guān)，消除了這種影響，就能解決防水層開裂失效的問題?？珍?、點(diǎn)粘、條粘等施工工法將防水層與基層脫離，解決了防水層的開裂失效問題，但是容易造成竄水問題。如果防水層材料本身具有很好的吸收應(yīng)力的能力，或者在防水層下設(shè)置既能將防水層粘結(jié)于基層、又能消除或減少基層對(duì)防水層不利作用的層次，即能同時(shí)解決防水層開裂失效和竄水的問題，可以大大提高防水層的整體設(shè)防能力，并能減小防水層高應(yīng)力狀態(tài)下的老化速率，提高防水層的耐久性。[4]而蠕變型防水材料正是能滿足該要求的材料。 涂布在基層上的蠕變型防水材料，其粘流態(tài)的性狀使其能很好地封閉基層的毛細(xì)空洞和微細(xì)裂縫，使基層具有一定的防水能力，其自身形成的涂層也具有很好的防水能力。當(dāng)防水層的基層開裂拉伸防水層時(shí)，由蠕變型防水材料形成的構(gòu)造層次通過分子鏈和鏈段的運(yùn)動(dòng)吸收了來(lái)自基層的應(yīng)力，使應(yīng)力不會(huì)傳遞給防水層，避免防水層受到來(lái)自于基層的應(yīng)力作用，這首先解決了防水層由于基層開裂被拉斷而破壞失效引起滲漏的問題。其次，由于防水層在使用過程中處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，避免了防水層高應(yīng)力狀態(tài)下的快速老化，延長(zhǎng)了防水層的使用壽命。第三由于材料的蠕變性消除了基層變形傳遞給防水層的應(yīng)力，在基層熱脹冷縮的動(dòng)態(tài)變化過程中，防水層幾乎沒有拉壓的應(yīng)力變化，不會(huì)產(chǎn)生撓曲破壞現(xiàn)象。第四蠕變型防水材料具有壓敏性，在防水層的整個(gè)耐用年限內(nèi)都具有粘性和自愈能力，當(dāng)防水層受到外力作用被戳破時(shí)，破壞點(diǎn)不會(huì)擴(kuò)大，防水層底部也不會(huì)發(fā)生竄水現(xiàn)象，而且由于蠕變作用能逐漸將破壞點(diǎn)修復(fù)，大大提高了防水層的可靠性。[2] 4 結(jié)語(yǔ) 防水材料的蠕變性能已經(jīng)逐漸在防水領(lǐng)域?yàn)榇蠹宜J(rèn)識(shí)，蠕變型防水材料的開發(fā)和應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，隨著修訂后《屋面工程技術(shù)規(guī)范》的實(shí)施，蠕變型防水涂料在復(fù)合防水層中的作用會(huì)有更好的體現(xiàn)。我們對(duì)防水材料蠕變的研究和蠕變型防水材料的開發(fā)尚處于起步階段，在防水材料蠕變性能與其它性能之間的關(guān)系，蠕變性的檢測(cè)方法和性能參數(shù)的確定，蠕變型防水材料種類的開發(fā)，蠕變型防水材料的適用范圍，與卷材復(fù)合的相容性等方面還有待于作進(jìn)一步的研究和探討。 [1] 何若象、張文華 蠕變型熱熔防水涂料在復(fù)合防水中的應(yīng)用 新型建筑材料 2012.4 [2] 張文華、項(xiàng)樺太 蠕變性防水材料在防水工程中的作用機(jī)理 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2009.6 [3] 張文華 屋面防水工程中的復(fù)合防水和復(fù)合防水層 中日韓防水技術(shù)研討會(huì) 2011.10 [4] 張文華柔性防水層的避拉層及其材料蠕變性研究 韓中日防水技術(shù)交流會(huì) 2010.10