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(guò)程，即基層開(kāi)裂的瞬間，計(jì)算防水層延伸率的起始寬度為零，即開(kāi)裂對(duì)防水層產(chǎn)生無(wú)窮大的拉伸應(yīng)變，因此沒(méi)有任何一種防水材料能夠克服基層開(kāi)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(guò)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)酱螅⒃诖嘈詼囟龋╰b）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(kāi)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(shuō)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(méi)有回復(fù)，說(shuō)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(kāi)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(shuō)，防水層開(kāi)裂是由于防水層所承受的拉應(yīng)力超過(guò)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(kāi)裂瞬間防水層的應(yīng)力大大超過(guò)其所能承受的斷裂應(yīng)力；二是在使用過(guò)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(guò)程中的收縮受到基層約束時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力?？梢?jiàn)防水層開(kāi)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(kāi)裂失效的問(wèn)題?？珍仭Ⅻc(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(kāi)裂失效問(wèn)題，但是容易造成竄水問(wèn)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(kāi)裂失效和竄水的問(wèn)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(kāi)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(guò)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(kāi)裂被拉斷而破壞失效引起滲漏的問(wèn)題。其次，由于防水層在使用過(guò)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(guò)程中，防水層幾乎沒(méi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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