超高层建筑地下管廊组合防水材料性能研究

2018-06-14贾晓东邢霖

新型建筑材料 2018年5期

贾晓东，邢霖

（重庆工商职业学院城市建设学院，重庆 400074）

0 引言

超高层建筑具有功能复杂、建筑面积大等特点，这就决定了其用水量非常大，同时自身具有大量的废水排放，需要具备庞大的水处理系统[1-3]。超高层建筑最常用供排水系统为竖向式分区式供水和排水系统[4-5]，主要由基础管网经过层间转换设备层进行动力加压，从而有效及时送水。超高层建筑标高以下主要为停车场和基础顶板，基础最常用桩基并现浇顶板承载建筑总荷载，随着荷载传递至桩基而引起沉降，造成周围被动土压力增加，由此引起地下供排水总管道周围产生额外附加应力，在水流加压经过时，内外壁的压力不均引起管道变形，从而使得管道有可能破损，引发渗漏水，对基础产生不利影响，造成建筑地下车库等出现水侵蚀。

针对管道渗漏水防治，主要有主动防水和被动防水[6-7]。主动防水主要是改善管道刚性以及优化建筑供排水管道和建筑结构的合理布置；被动防水主要采用柔性防水材料和刚性防水材料。卢飞等[8]研究喷涂速凝橡胶沥青用作防水涂料，该防水涂料不仅具有传统防水卷材的强度和柔韧性，而且能够有效克服对搭接缝部位处理的随意性以及涂层的强度和厚度不均一等问题，是一类施工简便、可快速喷涂固化成膜而且自愈性良好的新型防水涂料。蔡泽民[9]研究了刚性防水混凝土用作基层防水材料，不仅能够有效防水，而且其构成建筑基础一部分同时还能减少基础空间作用，节省基础混凝土用量，减小建筑物自重。

本文基于超高层建筑地下管廊防渗漏水中采用的刚性防水混凝土，在其表层覆盖粘结丁苯橡胶（SBR）-玻璃纤维沥青毡的方法进行防水设计，并对组合防水材料的性能进行研究。

1 试验

1.1 原材料与仪器设备

本试验选择常用的70#和90#沥青，来源于重庆重交有限公司，其性能见表1。

表1 沥青的基本性能

采用SBR-1712系列乳胶粉末丁苯橡胶（SBR）并充油，60目，来源于渭南石化有限公司；采用120cm的玻璃纤维，阻燃剂和助剂由重庆茂业化工公司提供；使用C40自密实混凝土，配合比为：m（P·O42.5R 水泥）∶m（水）∶m（砂）∶m（石子）=1∶0.44∶1.36∶3.03，浇筑混凝土板尺寸为 1000 mm×1000 mm×100 mm。

高速剪切机：转速0～8000r/min；电炉：温度0～380℃；针入度仪：SYD－2801E；全自动沥青软化点仪：SYD－2806E；恒温双速沥青延伸仪：SY－2B；冻融试验机、万能试验机、防水卷材接缝剥离强度现场快速检测仪：无锡市华南实验仪器有限公司生产。

1.2 SBR-玻璃纤维沥青毡和组合防水材料的制备

将50 kg沥青加热到160℃，加入SBR和玻璃纤维，采用高速剪切机在3000 r/min下间断搅拌5 min（沥青和SBR为9∶1），将其冷却后，再次加热到160℃，将塑化剂、相容剂加入搅拌釜，加热至160℃左右，搅拌5 min后加入交联剂、催化剂，反应30 min。搅拌混合均匀后将橡胶沥青倾倒在铺有锡箔纸的玻璃板上，平摊厚度为（2±0.5）mm，将事先准备好的玻璃纤维通长布置成井字形排列置于沥青上面，再浇筑沥青覆盖其上，阴凉通风处干燥24 h，SBR-玻璃纤维沥青毡制备完成。

将制备好的沥青毡表面加热到120℃，粘接在混凝土表面，并用刮刀刮平，使其紧密贴合，即可得到组合防水材料。

2 结果与讨论

2.1 SBR-玻璃纤维沥青毡性能

制备的70#和90#SBR-玻璃纤维沥青毡的基本性能指标如表2所示。

表2 SBR-玻璃纤维沥青毡的基本性能指标

从表2可以看出，70#和90#SBR-玻璃纤维沥青毡相比70#和90#基质沥青的延度急剧减小，针入度和软化点提高，这主要由于SBR-玻璃纤维的加入使得沥青自身的“结构”产生微小改变，其中玻璃纤维延性较差，韧性较好，具有较大的抗拉强度，这就保证沥青毡在较小变形作用下承受更大的作用力，而玻璃纤维分布均匀呈现各向异性，在延度试验中沥青结构界面径缩后玻璃纤维变形较小，因此沥青提前断裂；针入度增大主要因为橡胶加入其质地变软，软化点升高主要因为玻璃纤维存在，影响环球的降落，理论上软化点应该降低；SBR具有良好的弹性形变，在承受同等作用力下，能够产生形变消耗能量，延长结构的寿命，减少疲劳造成的结构毁坏。因此，结合SBR和玻璃纤维各自的优势，制备的沥青毡与防水混凝土粘接成的组合防水材料具有更好的协同工作性。

将SBR-玻璃纤维沥青毡和普通沥青毡同时置于冻融试验机中，加入水，0～-40℃循环冷冻72 h（0℃以下水结冰，改变温度不影响水的状态，故此升温降温速率为1℃/min），再将其取出，置于60～80℃水浴中，升温速率2℃/min，降温速率1℃/min，循环72 h，重复3次；再将2种毡铺筑于白纸上方1～2 cm，加密闭玻璃器皿加盖，倒入少量水（约25 ml）放置24 h。对2种试件的物理性能和透水性进行评测，实验结果见表3。

表3 普通沥青毡和SBR-玻璃纤维沥青毡的耐冻融性能

从表3可以明显看出，对比普通毡，SBR-玻璃纤维沥青毡高温水稳定性更好。高温作用下浸水时，玻璃纤维没有发生物理变化，形成骨架支撑作用，当达到软化点后沥青软化流动，附着于玻璃纤维形成密集的“网”结构，有效阻挡了结构破损，而普通毡沥青因为高温软化没有骨架支撑作用，防透水性减弱，但依然能满足使用要求。SBR-玻璃纤维沥青毡力学拉伸性能较普通毡提升明显，而其最大伸长率降低，因为玻璃纤维抗拉形变较小，应力应变比较大，对比可以发现，90#沥青毡比70#沥青毡的拉力更大，说明玻纤在高标号的沥青中分散更为均匀和各向异性；SBR-玻璃纤维毡的低温性能较好，不透水性更好，表明SBR-玻璃纤维和沥青复配后只是物理改性应力应变以及高温水稳，对于低温水稳性能影响较小，同时提高了沥青毡的防水能力；70#沥青毡和90#沥青毡相比性能基本相似，主要90#沥青毡具有较高的拉力，这主要和90#沥青延度较大有关。综上可以看出，SBR-玻璃纤维沥青毡性能较普通毡性能更优。

2.2 组合防水材料线膨胀性能

线膨胀系数变化越小，材料的温度应变越好，混凝土在0～100℃时，线膨胀系数为（1.0～1.5）×10-5mm/℃，低于 0℃时，其线膨胀系数在1×10-5mm/℃左右。因此，将组合防水材料置于冰柜中从-40℃开始，每10℃进行1次测量，且在每个温度稳定2 h，到10℃时，加入冰水进行控温直至20℃时，达到室温时进行保温套加热，每10℃进行测量，直至100℃时实验结束。测试温度变化作用下组合防水材料的线膨胀系数变化，结果见图1。

图1 组合防水材料线膨胀系数随温度的变化

由图1可以看出，三轴试验条件下的组合防水材料板在X和Y轴处的线膨胀系数较Z轴的大，说明尺寸效应对于组合防水材料尤其是刚性防水材料的线膨胀系数影响较大。X、Y和Z轴线膨胀系数随着温度的增加均提高，主要因为温度上升，混凝土内部温度应力增加，由于温度引起混凝土内部体积应力作用于结构本身，使得向三轴法向产生形变，体型变大。X和Y轴的尺寸相等，其在温度变化中产生的轴向变形一致，因此，其线膨胀系数理论上相等，由于实际测试有一定人为误差，但在图中仍可看出其值相近；Z轴线膨胀系数理论与X和Y轴相等，由于尺寸仅为X和Y轴的1/10，在相同温度作用时，组合防水材料板主要发生温度应力作用下的面外屈曲和弯曲，这种“大变形”抵消了板的实际的一部分法向膨胀，因此，板在Z轴上面的实际线膨胀系数较X和Y轴小；三轴线膨胀系数在10℃时开始剧烈增加，到40℃以后均趋于平缓成平台，主要因为混凝土从低温环境过度到常温在升温到高温时，内部温度应力积聚，导致混凝土膨胀，线膨胀系数增大，当达到50℃以后时，变化趋于平缓，主要因为温度较高，内部温度积聚产生的热效应与外部空间给与的温度相等，温度差较小，体积膨胀变化趋于稳定。组合防水材料随着温度变化时线膨胀系数在规范范围以内，说明其具有良好的抗温度变形能力。

2.3 组合防水材料抗剥落性能

将组合防水材料中心用刀划出一道长5 cm的缝，如图2所示。用剥离强度现场快速检测仪夹住进行拉拔，看其剥落强度变化，主要从检测仪上的拉力读数以及实际剥落距离进行评价，剥离拉拔试验机拉拔角度选取60°、90°和120°进行测试，结果如图3所示。

图2 组合防水材料剥离示意

图3 组合防水材料剥离性能试验

从图3可以明显看出，SBR-玻璃纤维沥青毡比普通毡的粘结性能好，抗剥落能力强。对比图3（a）和（c）可以看出，同标号沥青的SBR-玻璃纤维沥青毡在60°、90°和120°拉拔情况下，都具有更大的剥离力，说明其抗剥落能力更好。由于拉拔剥离实验时开始加载力较大，当均匀拉拔时，滑动摩擦力保持不变，所用力保持不变，拟合直线，在不同拉拔角度下SBR-玻璃纤维沥青毡和普通毡剥离力变化见表4。

表4 不同拉拔角度下沥青毡剥离力的变化

从表4可以明显看出，拟合曲线后SBR-玻璃纤维毡的平均拉拔剥离力大于普通毡的平均拉拔剥离力，说明改性的SBR-玻璃纤维毡具有更好的抗拉拔性能；90#SBR-玻璃纤维沥青毡在60°、90°和120°拉拔情况下具有最大的抗剥落力，而70#普通毡最小，主要因为改性毡的粘结性能好，其中SBR发挥了增加粘结力的作用，其次，标号越高的沥青，其软化点越低，在相同温度粘结作用下时，先发生流变，更容易与基体粘结，所以90#SBR-玻璃纤维沥青毡具有更大的剥离力；70#SBR-玻璃纤维毡与70#普通毡，90#SBR-玻璃纤维毡与90#普通毡相比，剥离力都增加，且在垂直90°拉伸剥离时，剥离力提高最大，达到30%左右；在60°和120°时剥离力提高相对较低，说明剥离拉伸角度对于沥青毡的粘结强度有一定影响，考虑实际剥离情况，发现剥离在0～180°内发生剥离遵循正态分布，因此可以认为，在90°内发生剥离是占据最主要的，因此，SBR-玻璃纤维毡具有更好的性能，相比普通毡抗剥离性能提升明显。