防水材料的蠕变及其作用-建筑防水分会年会论.doc

防水材料的蠕变及其作用张文华浙江工业大学建筑工程学院摘要：本文从高分子物理学的角度阐述了防水材料的蠕变形变和温度对蠕变形变的影响，据此对蠕变型防水材料的进行了界定，探讨了蠕变型防水材料的在防水工程中的做法和作用机理。关键词：蠕变 蠕变形变 粘流温度 蠕变型防水材料1 前言 延伸率是防水材料的重要力学指标，从材料的基本性质上来看，一直以来我们将具有较高延伸率的材料理解为具有较好的弹性或塑性。在防水材料的研发及工程应用研究中，提高材料的弹塑性从而加大防水材料的延伸率被认为是避免柔性防水层被拉裂的重要手段。但从建筑防水技术的“零变位原理”来看，基层裂缝从无到有的过程，即基层开裂的瞬间，计算防水层延伸率的起始宽度为零，即开裂对防水层产生无穷大的拉伸应变，因此没有任何一种防水材料能够克服基层开裂而带来的防水层断裂现象。但在工程实践中，即使防水层牢固粘结于基层，基层产生的细微裂缝并不会拉裂防水层，只有当裂缝宽度达到一定量时，防水层才会被拉断，这与“零变位原理”是相矛盾的。因为在“零变位原理”中将防水层看作是理想的弹性材料，而防水材料是由聚合物组成，防水层的形变行为是介于理想弹性体和理想粘性液体之间的，这种性能在高分子物理学中称为“粘弹性”，即聚合物的力学性能是随时间发生变化的，这种变化包括蠕变、应力松弛、滞后和力学损耗等。本文主要讨论防水材料的蠕变及其在防水工程中的作用。2 防水材料的蠕变2.1 蠕变的定义 蠕变是指在恒温、恒负荷条件下，防水材料的形变随时间延长逐渐增加的现象。其原因是在外力作用下比较缓慢的链段运动所导致的分子间相对位置的调整。2.2 蠕变形变的力学模型 柔性防水材料均是聚合物材料，根据高分子物理学，聚合物材料的蠕变形变包括普弹形变、高弹形变和塑形形变三部分组成。 普弹形变（1）是指防水材料受力时，瞬间发生的高分子链的键长、键角变化引起的形变。其力学模型服从虎克定律，当外力除去时，普弹形变立刻完全回复，如图1所示。其中t1为受力瞬间，t2为外力除去瞬间（下同）。图1 普弹形变 高弹形变是指防水材料受力时，高分子链通过链段运动产生的形变，高弹形变不是瞬间完成，而是与时间相关。当外力除去后，高弹形变逐渐回复，如图2所示。图2 高弹形变 塑形形变是指防水材料受力时发生分子链的相对位移。外力除去后塑形形变不能回复，是不可逆形变，如图3所示。图3 塑性形变 当防水材料受力时，上述三种形变是同时发生的，故蠕变形变由上述三部分组成。如图4所示。图4 蠕变形变2.3 温度对蠕变的影响 温度对防水材料的蠕变形变有很大的影响，温度越高，相同应力时的蠕变形变越大，并在脆性温度（tb）和粘流温度（tf）附近产生较大的变化。在玻璃化温度（tg）和脆性温度之间，聚合物处于玻璃态，仅一小部分链段、侧基、支链和较小的链节能做内旋转，聚合物分子只能在原位震动，形变量极为有限，主要为普弹形变；在此温度区段，防水材料受力时会产生脆性断裂现象。在脆性温度和粘流温度之间时，聚合物体现出高弹状态，当受到拉伸作用时，分子链由卷曲状变为伸直，外力除去后，分子链又恢复到卷曲状，形变量较大，这种形变主要为高弹形变；此时防水材料体现出较大的弹性变形。当外界温度升高到粘流温度后，聚合物由高弹态转入粘流态，当受到外力作用时，整个分子链和局部链段都作运动，形变非常容易而强烈，形变量大而且不可逆，以塑性形变为主，防水材料体现出较大的蠕变形变。2.4 蠕变型防水材料 某种材料的主要组份或者混合物的粘流温度低于常温时，该材料在常温下的性状就处于粘流态，具有较大的蠕变形变，如同时能够满足防水工程的其他性能要求，具有一定的不透水性，达到工程需要的粘结强度，具有与工程应用环境条件相适应的耐高低温性能和耐久性，这类材料可以被认为是蠕变型防水材料。由于粘流态物质的形态是不定型的，因此蠕变型防水材料只能以防水涂料的形式存在。 防水材料的蠕变性国内尚无标准化的检测手段。根据相关试验研究，可采用两种方法进行检测：一是从蠕变的定义出发，在恒定温度条件下，将试件拉伸到一定应力后，保持该应力，检测随时间变化的变形情况；二是采用应力松弛方法进行检测，即在恒温条件下，将试件拉伸一定的伸长量后，固定伸长量不变，检测随时间变化的应力情况。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。应力松弛现象更直观地反应了与基面接触的防水层对基层开裂应力所做出的反应。采用上述两种方法，将三元乙丙防水卷材、自粘卷材和蠕变型热熔防水涂料三种典型材料进行对比性试验发现，三元乙丙防水卷材形变与所受的拉力基本成正比关系，外力去除后残余形变几乎为零，其形变表现为普弹形变；自粘卷材在受拉力作用时，形变随拉力的增加而增大，在拉力持续阶段，形变继续加大，外力去除后，部分形变迅速回复，放置一段时间后，形变仍有部分回复，但有明显的残余形变，说明自粘卷材在受到外力作用后，既有普弹形变，又有高弹形变和塑形形变。蠕变型热熔防水涂料在较小的应力作用下，其变形就会不断产生，外力去除后，形变基本没有回复，说明其普弹形变和高弹形变很小，而塑形形变很大。13 蠕变型防水材料的作用3.1 蠕变型防水材料防水层的构成 蠕变型防水材料可以作为防水涂料单独使用或与卷材复合组成复合防水层。 蠕变型防水材料虽然是一种粘滞性材料，但其形成的涂层不透水性指标达到0.1MPa以上，完全可以作为一道独立的防水层使用。作为防水涂料独立构成防水层时，材料的粘流温度宜与常温接近，材料的形态更接近于固态，便于形成涂层。涂布完成后，涂层上覆盖一层塑料薄膜以防粘脚，便于后续工序的施工。由于蠕变型材料的耐热度一般在70左右，在屋面工程中推荐使用倒置式屋面构造，在涂膜层上直接铺设聚苯乙烯泡沫板保温层，上部浇筑40mm厚细石混凝土保护层。地下室底板的外防水涂膜层完成后，浇筑40mm厚的细石混凝土保护层，再进行地下室底板钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序。地下室墙板在涂膜防水层完工后，直接粘贴聚苯乙烯泡沫板作保护，进行回填土的施工。2 蠕变型防水材料与卷材复合使用可以大大提高防水层的可靠性和耐久性。新修订的屋面工程技术规范明确提出了复合防水层的概念，并对卷材与涂料的复合做法、不同防水等级时复合防水层中卷材与涂膜的厚度、以及复合防水层设计的具体要求做出了明确的规定。蠕变型防水材料与卷材构成复合防水层是采用一次成型的施工方式，即是以涂料作为卷材的粘结剂，边涂布涂料边铺贴卷材的成型方式，复合防水层中卷材和涂膜的复合较为完整，具有良好的共同作用能力，是复合防水层的较好形式。3施工前，根据涂膜层的厚度计算出材料的单方用量，在基层上按卷材宽度弹出每幅卷材的铺贴线，施工时，在涂布蠕变型防水材料的同时进行卷材的铺贴。并在卷材接缝部位骑缝刮抹20mm宽、1.0mm厚的蠕变型防水材料封闭接缝口。再按设计要求进行保护层的施工。3.2 蠕变型防水材料的作用机理 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，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；三是防水材料在使用过程中的收缩受到基层约束时产生的拉应力。可见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。如果防水层材料本身具有很好的吸收应力的能力，或者在防水层下设置既能将防水层粘结于基层、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。4而蠕变型防水材料正是能满足该要求的材料。 涂布在基层上的蠕变型防水材料，其粘流态的性状使其能很好地封闭基层的毛细空洞和微细裂缝，使基层具有一定的防水能力，其自身形成的涂层也具有很好的防水能力。当防水层的基层开裂拉伸防水层时，由蠕变型防水材料形成的构造层次通过分子链和链段的运动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。第三由于材料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，防水层底部也不会发生窜水现象，而且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。24 结语 防水材料的蠕变性能已经逐渐在防水领域为大家所认识，蠕变型防水材料的开发和应用也越来越广泛，随着修订后屋面工程技术规范的实施，蠕变型防水涂料在复合防水层中的作用会有更好的体现。我们对防水材料蠕变的研究和蠕变型防水材料的开发尚处于起步阶段，在防水材料蠕变性能与其它性能之间的关系，蠕变性的检测方法和性能参数的确定，蠕变型防水材料种类的开发，蠕变型防水材料的适用范围，与卷材复合的相容性等方面还有待于作进一步的研究和探讨。1 何若象、张文华 蠕变型热熔防水涂料在复合防水中的应用 新型建筑材料 2012.42 张文华、项桦太 蠕变性防水材料在防水工程中的作用机理 湖北工业大学学报 2009.63 张文华 屋面防水工程中的复合防水和复合防水层 中日韩防水技术研讨会 2011.104 张文华柔性防水层的避拉层及其材料蠕变性研究 韩中日防水技术交流会 2010.10