防水层粘结强度的物理因素分析

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引言

防水材料粘结是否牢固在物理上由什么决定？跟哪些因素相关？防水层粘结强度和剥离强度本质上是怎样的指标，他们跟材料粘结地牢固与否有什么样的关系？为什么不同角度剥离得到的剥离强度会不同？当基层含有裂纹的时候粘接强度和剥离强度为什么有变化？

1 防水层脱粘现象的本质

首先，脱粘是一种怎样的现象？脱粘是粘结层的在外力作用下产生原始微裂纹、进行繁殖、合并而成为更大的次级裂纹，最后变成细观和宏观的裂纹（或者叫做裂缝）的过程。也是一个机械能转化成形变能的过程。传统力学是把材料一律看成了理想完整的、均匀的、无缺陷的连续体，直到发现很多工程事故中，材料的断裂强度远小于材料的屈服强度，说明材料本身的常态是存在微观缺陷的。粘结结构亦是如此，粘结层在绝大多数情况下都是存在微观裂纹的。防水基层和防水层均会出现裂缝，从微观逐渐发展成宏观，最终直接表现是粘结不牢，甚至脱落。强调防水层的满粘效果和防水层要具有柔性，因为柔性防水层能吸收一定的能量，达到不开裂，且能粘结牢固的效果。

2 防水层脱粘的决定因素

防水层多层粘结复合结构的脱粘，在学术上叫做分层开裂（或者叫做分层，delamination），等效模型是一个裂纹（裂缝）扩展的问题。等效示意图如图1。一个粘结结构是否脱粘，物理上取决于什么呢？1968 年开始学术界才对这个问题有了结论，是取决于断裂韧性（或称断裂强度），用应力强度因子Kcritical（单位MPa·m1/2）、J 积分或者临界形变能释放速率Gcritical（单位N/m）表征这种强度，最先进的理论是应用临界形变能释放速率Gcritical 后文缩写成GC。当外力作用下，G由0 达到临界值Gc，裂纹就扩展了。这三个指标都是物理本构模型参数，不随加载形式变化而变化，与粘结结构的试样、厚度都没有关系，就类似于材料的杨氏模量这种参数。

图1 粘结结构的三种层间裂纹扩展

为什么要用断裂力学而不用经典力学去解析这个现象呢？因为裂缝特点是尖端厚度为0，此处是经典力学中的一个歧义点，所以经典力学不能去解析而只能从能量角度考虑该问题。机械能转化成形变能，形变就包括了裂纹的产生、繁衍、兼并和宏观裂纹扩展。断裂力学理论适用于材料本身内部裂纹，以及粘结结构的层内、层间裂纹。不但适用于弹性材料，还适用于一定塑性的材料（塑性形变的虚拟裂纹等效）。上图体现的是防水层粘结是界面破坏还是内聚破坏的原因理论所在，一般刚性越大体现为界面破坏，防水层空鼓、脱落等为此种破坏，柔性的与基层粘结越牢固，体现为内聚破坏。

3 防水层断裂强度如何理解

我们知道外力作用下，决定粘结结构是否分层断裂的指标是层间断裂强度。这个指标个物理本构模型参数，不随加载形式变化而变化，与粘结结构的试样、厚度都没有关系。这也是为什么相关的防水材料规范、防水施工规范均对防水层的最薄厚度作了规定。它不像粘结强度、剥离强度那样，随着试样几何性状尺寸以及加载形式的变化而变化，事实上，粘结强度、剥离强度是工程参数。那么如何求解断裂强度呢？

这里还得先引入一个概念，根据不同的物理过程，分为三种最基本的断裂类型：I 型，II 型，III 型。三种类型如图2。任何形式的断裂都可以分解成这三种基本的类型。三种基本类型对应的断裂强度依次分别为GIC，GIIC，GIIIC，三种基本的临界形变能量释放速率。任何形式外力加载下，使G 达到临界值GC，粘结结构就会开裂。

图2 断裂的三种基本类型

以上三种模型，a 和防水层的直接剥离测试方法相同、b和地下侧墙回填土对防水层的拉拽而导致防水层下沉模型相同、c 对应搭接边解封破坏模型相同。

我们来看最简单的情况，I 型张开开裂，可以用一些参数计算对应的GIC。对于上下粘结层同质的材料最简单最粗略的是理论计算如下，但是准确性略低。

E 弹性模量，b 宽度，h 厚度，a 初始裂纹长度，Pc 临界应力（就是做垂直剥离实验时得到的临界应力）

请注意这个GIC 不是由E，b，a，h，Pc 决定的，当b，h，a 变化时，Pc 也会有对应变化，变化后计算得到的GIC 仍然是不变的。它只是能由这些值估算出来。

4 如何准确计算这个GIC 呢？

一般有两种方式：一是利用有限元模拟做虚拟裂纹模型计算（Virtual Crack Calibration Technology），另一种是通过实验用柔度插值法（Compliance Calibration）获取。

通过实验获取GIC 伴随着一定的条件假设。如果试件是细长的，可以用梁理论近似计算；如果试件是板型，可以用板壳理论估算。例如梁理论计算，

其中 C=A+Ba3

PC 为临界应力，b 试件宽度（必须远小于试件长度），a初始裂纹长度，A 和B 由柔度插值法而得。C 是柔度，试件刚度的倒数。这种估算准确读已经很高，跟真实值很接近。

再比如Berry model，

其中C=αdn

PC 为临界应力，b 试件宽度（必须远小于试件长度），a 初始裂纹长度，α 和n 由柔度插值法而得。C 是柔度。这个模型也是广泛被学术界认可的。

另外一类计算弹性能量释放速率的方法是通过有限元模拟分析，借助虚拟裂纹模型计算（Virtual Crack Calibration Technology），对裂纹尖端的单元进行逐个计算，如图3

图3 虚拟裂纹计算示意图

以上只是对最简单的I 型张开开裂的断裂强度计算，纯II型和纯III 型断裂也由类似的计算方式。防水实际工程中，有单纯发生某一种断裂类型的情况，更多的是三种基本类型的断裂模式以一定比例混合发生。这时候要求解这个混合断裂强度Gc，它与GIC，GIIC，GIIIC 相关。在得到以上三种临界形变能释放速率的基础上，要加入一些材料因子、比例参数、半经验参数，形成一个适用于混合型断裂的判别准则，这个一般形式为f（GIC，GIIC，GIIIC，m，n，k）=0。众多断裂力学领域专家提出了多种准则，提出的准则出现在断裂力学教材、主流软件里面，在很多领域都得到了验证和认可。

5 如何理解防水层的拉拔强度和剥离强度

上面我们讲述了粘结结构脱粘的本质，以及对分层断裂（脱粘）问题的表征。下面说一下大家测的防水层的拉拔强度和剥离强度。

首先，这两个指标都是工程指标，不是物理上材料的本构模型参数。也就是说他们随着加载方式、材料的几何性形等变化而变化。我们测的数据实际是特定的加载方式特定的几何形状下的特定强度，不具有普遍意义。

根据上面提到的防水实际工程中分层断裂一般以三种基本类型的复合的形式进行，这两个指标是不能够判断材料和基体是否发生分层断裂的，基本上是没有实际意义的。

那么这两个指标由什么意义呢？他们能够做横向比较，即几种材料做成同样的几何性状，以同种加载方式进行实验，这样可以比较出几种材料之间的优劣。这种优劣表现只限于当材料做成这种结合形状，且受这种特定加载时，粘结强度的表现。至于防水层测试不同角度剥离强度为什么会不同？就在于三种基本类型的断裂模式。

理解粘结理论，对于理解材料测试方法，解决实际工程的防水材料粘结强度提供了理论的依据。在实际工程中，容易理解为何防水层讲究单面粘结而不是双面粘结，对于地下底板预铺反粘技术也是粘结理论的应用。