蠕变型防水材料性能研究及工程运用

2018-08-23张雪洁颜红专

建材与装饰 2018年37期

张雪洁颜红专于芳

（武昌工学院湖北省武汉市 430065）

引言

建筑耐久性及节能保温效果都与其结构的防水能力有关，因此，防水工程效果直接影响到建筑使用性能[1]。目前使用较广泛的防水材料分别是防水卷材和防水涂料[2]。两类材料各有优缺点，防水卷材厚薄均匀、材料质量可控性较高，但不可避免地会增大接缝渗透的风险性。而防水涂料施工简便，对复杂基层及节点部位的适应能力强，整体性好，但质量受施工因素影响较大，涂层厚度均匀性较难控制。

在防水工程中，柔性防水层与基层的粘结问题一直是难点[3]。若采用满粘使防水层与基层粘结牢固，可解决起鼓及防水层下面窜水现象。但同时会造成防水层受基层变形影响大，一旦基层开裂，防水层受到拉应力作用时，裂缝两侧的防水层几乎没有剥离区，拉应力无法向两侧传递而只能集中在开裂部位，很小的裂缝就可能造成防水层被拉裂。即使不被拉裂，裂缝部位的防水层也会由于长期处于高应力状态而加速老化，或者由于反复的拉伸产生疲劳破坏。为避免这些现象，防水层可采用空铺、点粘或条铺做法，这样同时又会带来另外一个问题，即一旦防水层在某个部位产生细小空洞或裂缝而漏水，在防水层下就会出现窜水现象，而且很难找到渗漏源头，给修补工作带来很大难度。

目前，防水材料发展迅速，新材料、新工艺层出不穷，从工程需求的角度开展防水技术的研究工作还比较少，这在很大程度上制约了防水技术的发展。防水主体产生渗透的要素是水、缝隙和水在缝隙中的迁移力，防水工程实质就是采取致密材料堵塞防水主体的孔和缝，阻止水通过。因此从工程角度出发，应该首先封闭基层的裂缝和毛细孔道，使基层具有一定的防水能力；然后再设置具有蠕变功能的粘结层，该层次能将主防水层与基层牢固粘结，并具有很好的蠕变能力来消除或减少各种不利因素对防水层产生的拉伸应力，避免防水层受拉破坏；再在其上设置具有不透水性和耐久性的主防水层；最后加上保护层，即形成完整的防水结构。这样设置可以最大程度地减少不利因素对防水层的影响，大大提高防水层的可靠性和使用年限。

1 蠕变型防水材料作用机理

聚合物材料在一定温度下承受恒定载荷时，首先会迅速发生变形，然后会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。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。但是当处于常温状态时，一般防水材料在该材料最大拉力范围内的某恒定载荷作用时几乎没有蠕变性质，因此，我们将常温状态下在较小的恒定载荷作用时能迅速发生变形并能无限期地变形的防水材料称为蠕变性防水材料。

蠕变性防水材料喷涂在基层上，首先可以很好地封闭基层的毛细孔隙和微小缝隙，增加基层致密性，使基层具有一定的防水能力。其次，蠕变性防水材料具有“下消上保”的作用。“下消”是指当基层开裂拉伸时，蠕变性防水材料形成的构造层可以吸收和消耗基层应力，使其不会传递到防水层，解决了防水层拉伸开裂引起的渗漏问题。同时，由于防水层处于无应力状态，避免防水层在高压状态下快速老化的现象，延长防水层寿命。正是由于蠕变性防水材料的消耗能力，当基层由于热胀冷缩发生变形时，防水层不会有拉压应力变化，所以不会产生挠曲破坏现象。“上保”是指蠕变性防水材料具有粘性和自愈能力，防水层一旦被戳破时，蠕变性防水材料由于自身压敏性，保护破坏点不会扩大，防水层底部不会发生窜水问题，而且可以逐步修复破坏点，提高防水能力。

2 蠕变型防水材料性能研究

蠕变性材料能作为防水材料使用，首先其必须具备较强的持续粘结能力、延伸率大、低温柔性好等特点。但蠕变性防水材料与自粘卷材其最本质的区别就是其蠕变性能。曾有试验[4]表明，两层厚度为1.2mm的聚氨酯涂膜用0.5mm厚的蠕变性材料粘结，当把底层涂膜拉伸至100%延伸率长度时，面层涂膜的被动拉伸延伸率不到1%。聚氨酯涂膜本身弹性模量小，对应力的敏感性强，因此试验可以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，这是自粘材料无法实现的。此外，自粘卷材在低温状态时几乎没有粘结能力，而蠕变性材料在-20℃仍具有良好的粘结性能。因此，蠕变性防水材料其最突出的特点与优势就是自身蠕变性，而蠕变性最有利的作用机理就是通过变形吸收应力，阻隔应力传递。为了更加明确地研究蠕变材料特性，将自粘卷材和蠕变性改性沥青热熔涂料在拉力机上做对比实验。

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钢板，粘结面积为100mm×100mm，每组八个试件，在标准条件下放置24h。每组中取出四个试件分别测试其最大拉力，计算出每组四个试件的最大拉力平均值。将每组剩余的四个试件在拉力机上拉伸至最大拉力平均值的70%，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。

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图1。

图1 两组试件在各计时点的拉力平均值

由图1可以看出，在变形固定的前提下，两种材料随时间变化均有较明显的应力松弛现象，且加载初期的应力松弛速率较快，后期逐渐降低，趋于平缓。在相同试验条件下，经过150min，双面自粘卷材拉力机上拉力由190N降到146N，应力松弛量为14%。蠕变型改性沥青热熔涂料拉力机上拉力由165N降到17N，应力松弛量达到89%。说明蠕变型改性沥青热熔涂料应力松弛量较双面自粘卷材大很多。

由实验可以得到如下结论：

（1）防水材料具有蠕变性质，即在一定温度条件下，承受恒定荷载时，随着时间增长会产生缓慢变形现象。

（2）由于防水材料的蠕变特性，防水层在受到外部荷载作用时，防水层中的应力会有应力松弛现象，且防水材料的蠕变量越大，应力松弛量越大。在工程实践中，当基层开裂或者热胀冷缩等原因使防水层产生拉伸时，如防水层或者粘结层具有较大的蠕变量时，其剪切变形产生的应力松弛可以降低防水层的拉伸应力，从而减少防水层被拉裂的可能性。

（3）无论是蠕变量大或是小的防水材料，在加载初期应力松弛速率较大，并随着时间变化逐渐减小。

因此，蠕变性直接影响防水材料的使用性能，则可按照蠕变量大致可以将柔性防水材料分为三类：一类是蠕变量非常小的，如三元乙丙卷材等，其延伸能力主要是由材料弹性或塑性变形形成的，蠕变对拉伸的影响可以忽略不计，防水层在外力的作用下的变形拉应力基本成正比关系，当拉应力超过其最大允许拉应力时，防水层断裂；第二类是有一定蠕变性的，如本实验中自粘卷材，这类材料的材性除了弹塑性之外，还表现出一定的粘滞性。在防水层受到拉伸应力时，其应变除了弹塑性变形之外，还有蠕变引起的变形。第三类是蠕变型防水材料，如蠕变型热熔改性沥青防水涂料等，这类材料在较小的应力作用下，其变形就会不断产生。材料的抗裂性能主要是通过自身蠕变性实现。采用此类材料与三元乙丙等卷材复合用于防水工程时，可以各取所长，既降低基层变形对防水层的影响，又达到防水效果。

3 蠕变性防水材料的应用

蠕变性防水材料在防水工程中应用主要有三种形式：作为防水涂料单独使用、与卷材复合使用[5]、在防水卷材底层先行涂敷成为自粘卷材。

（1）蠕变性防水涂料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，涂层厚度不宜小于2mm。涂料喷涂完成后，覆盖一层塑料薄膜以防粘脚，便于后续工序施工。蠕变性材料的耐热度较高，可达65℃左右，在屋面工程中推荐使用倒置式屋面构造，即在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，施工方法见图2。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。

图2 倒置式屋面构造简图

（2）蠕变性防水涂料与卷材复合使用，可以互取所长，充分利用涂料的蠕变性及卷材的防水性，提高防水层的耐久性及可靠性。涂膜的厚度不宜小于1.0mm，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，在刮涂蠕变性防水材料的同时进行卷材的铺贴，并滚压出之间的空气，搭接部位也应涂覆并滚压、封边，保证搭接可靠，并在卷材接缝部位骑缝刮抹20mm宽、1.0mm厚的蠕变性防水材料封闭接缝口。最后按设计要求进行保护层的施工。施工方法见图3～4。

图3 与卷材复合使用施工方法一

（3）蠕变性防水材料也可以在卷材生产过程中涂敷在卷材底面，制作成具有蠕变性的自粘卷材。工艺简单，只需在普通卷材生产线的收卷前增加涂敷蠕变性自粘胶即可。蠕变性自粘胶的涂敷温度在100～120℃之间，大大低于目前自粘卷材的涂敷温度，因此可以在聚乙烯丙纶防水卷材、氯化聚乙烯防水卷材等高分子卷材上进行涂敷，不易使卷材产生高温变形。涂敷后的卷材用隔离纸隔离成卷即成为具有蠕变性的自粘卷材。