高原环境条件下屋面各结构层温度应变及防水层破坏机理研究

王 越， 周程明， 赵裕良， 姜海涛， 马晓光

(中国铁路青藏集团有限公司，青海 西宁 810000)

青藏高原房建工程常规屋面结构如图1所示。根据现场调研发现，屋面结构层在高原环境下会因为冻融循环等作用出现材料损伤和加速老化、防水层与基层粘接不牢、SBS卷材窜水等问题，会直接导致屋面渗水等病害。

图1 铁路用房建常规屋面结构

针对现场存在问题并结合相关研究进行分析：田威[1]通过研究冻融循环下混凝土的物理力学性能及损伤演化规律，得出冻融次数增加后混凝土微损伤逐步加剧，微裂纹也逐渐贯穿，导致表面开裂；另外混凝土在高原气候环境下容易受到多因素耦合作用产生劣化现象[2]，这些不仅会使得防水层与基层粘接程度降低，还会产生穿刺作用，导致防水层失效。青藏高原强紫外线会造成防水材料老化，尤其是在光热耦合作用下，随温度和光强增加，SBS改性沥青材料老化越严重[3]。SBS防水材料随温度升高，吸水速率会逐渐增加[4]，这对在高温、强降雨和大风共同作用下的防水材料有较大影响，很容易导致粘接性失效而产生风揭现象。由于高原气候条件与平原地区有很大的不同，具有辐射强度高、日照长、气温低、积温少、气温随高度和纬度的升高而降低等特点，目前针对高原气候环境下屋面防水层失效破坏原理及治理措施的研究较少，仅有一些关于防水材料在施工技术和应用经验方面的探讨。本文结合目前防水层和屋面结构层的研究现状，模拟冻融循环、风、太阳辐射和降雨等试验条件，研究在多因素共同作用下，屋面结构层和防水层温度应变变化规律，分析防水层病害产生的原因和演化机制。

1 大构件屋面模型制作及试验方案

1.1 屋面模型尺寸确定

结合现场屋面结构遇到的一些工程问题，在原屋面结构的基础上，通过改善结构并使用新型复合防水材料，得到试验所用屋面模型，如图2所示。

图2 试验用屋面模型结构(新结构)

模型尺寸为长2 000 mm×宽1 200 mm×分层高度(①8 cm的钢筋混凝土屋面层+②5 cm的水泥粉煤灰找坡层+③5 cm的挤塑苯板保温层+④2 cm水泥砂浆找平层+⑤防水材料层)，根据屋面模型尺寸进行加工制作试验试样。

1.2 模型的加工与制作

屋面模型加工与制作按照图2所示的结构进行，并在加工过程中在①～④层埋设振弦温度传感器，传感器的位置如图3(a)所示，沿长向和宽向进行布置；在第⑤层(防水层)上粘贴BX120-60AA应变片，在防水层沿屋面长度方向上对称的选取4个点(如图3(b)所示)，每个点粘贴2枚应变片，分别测该点沿长向和宽向应变。

图3 传感器平面布置(单位：mm)

首先浇筑模型最底层的钢筋混凝土层，在浇筑过程中根据预设的位置埋设TST3801振弦传感器；浇筑完成后进行洒水养护，待混凝土达到规定的强度标准后再进行页岩粉煤灰找坡层的施工，屋面结构的坡度设计为2.5%，传感器的位置同样按照预设的位置埋设；待找坡层达到强度后再进行保温层施工，保温层铺设在找坡层上面，用保温钉固定防止移动，传感器按照预设的位置埋设在保温板内；然后进行水泥砂浆找平层施工并埋设传感器，施工完成后进行洒水养护，待达到强度再进行防水层施工，屋面结构①～④层的施工如图4、图5所示。防水材料选择新型防水材料和传统防水材料并进行组合形成复合防水材料，如图6和图7所示。

图4 钢筋混凝土层浇筑 图5 屋面模型浇筑完成

图6 速凝橡胶沥青防水涂料+成型非固化橡胶沥青

图7 非固化橡胶沥青防水涂料+SBS防水卷材及传感器布置

1.3 方案设计及试验过程

试验方案设计如下：冻融循环，-25 ℃冻结24h、20 ℃融化24 h，循环次数为9次。大气风速，10 m/s。太阳辐射强度，800 W/m2。雨水冲刷为定时定量向屋面洒水，6 h/次，2.5 L/次，正温时进行。防水类型：①2.0 mm厚成型非固化橡胶沥青防水涂料(上层，防水涂料与板岩颗粒经辊压结合而成)+喷涂2.0 mm速凝橡胶沥青(下层)；②刮涂2.0 mm热熔非固化橡胶沥青防水涂料(上层)+3.0 mm厚SBS防水卷材(下层，聚酯胎Ⅱ型)。

根据试验方案设计将屋面模型置于高低温环境试验舱内，施加冻融循环、风、太阳辐射、降水等高原环境因素，屋面模型试验条件设置如图8所示，且在模型的底面布设蛇形铜管并循环正温冷冻液(20 ℃)模拟屋内的温度条件。

图8 试验装置

正式开始试验后，通过TST3801振弦采集系统记录屋面模型钢筋混凝土层、页岩粉煤灰找坡层、挤塑苯板保温层和水泥砂浆找平层所设测点的应变和温度，通过TST3822EW静态测试分析系统记录防水层所设测点处的应变。对所测得的数据进行分析，得出屋面防水结构层在冻融、太阳辐射、降雨和大风等高原环境条件下的破坏机理。

2 试验结果与分析

2.1 屋面模型结构层应变变化

屋面模型结构层分为六层：钢筋混凝土层、页岩粉煤灰层、挤塑板保温层、水泥砂浆层、屋面防水层和保护层。由于保温层的材质，所以只考虑这一层的温度，并不考虑应变。成型非固化防水层屋面结构在9次冻融循环作用下沿宽向应变变化如图9所示。

图9 9次冻融循环作用下沿宽向应变变化

如图9所示，在9次冻融循环中，每个循环各结构层应变变化趋势基本相同。在冻结过程中，应变呈现先升高后降低的过程。在融化过程中，钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层应变呈现先升高后降低的过程，两者应变变化比较接近；而水泥砂浆层的应变会出现迅速降低然后再升高的过程。对第8次冻融循环进行分析，在冻结过程中，钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层随着温度的降低，屋面模型结构层出现冻胀和收缩，当每层的冻胀程度大于在低温下的收缩程度，屋面模型的应变表现为上升的趋势；当模型内的水分都被冻结时，冻胀程度会达到稳定，而收缩程度还会逐渐增大，应变表现为逐渐降低的趋势。在融化过程中，由于温度逐渐升高，在未达到0 ℃以上时，收缩程度逐渐降低而冻胀程度没变，屋面模型的应变处于逐渐上升的趋势，当模型内冰逐渐融化时，冻胀程度逐渐减小，屋面模型应变逐渐降低。对于水泥砂浆层的应变，正温融化开始时出现了应变的迅速减小，这是由于融化过程中太阳辐射灯开启后导致水泥砂浆层温度迅速上升，冻胀量迅速消失，引起水泥砂浆层急剧收缩，随着舱内温度逐渐升高，该层收缩程度逐渐降低导致应变逐渐上升。由图9可得，随着冻融循环次数的逐渐增加，水泥砂浆层的收缩应变逐渐变大，在外界多种环境因素影响下，引起了水泥砂浆层出现了很大的收缩应变，收缩应变达到极限时，会引起水泥砂浆层的开裂，导致渗水病害；另外，水泥砂浆层与防水层紧密粘结，水泥砂浆层的收缩应变会使防水层产生拉伸效应，进而引起防水材料开裂、粘接程度降低等病害。

如图10所示：屋面模型沿长向应变的增长趋势与沿宽向的基本一致。随着冻融循环次数的增加，钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层的收缩应变会逐渐增加，这是由于温度的降低，两层结构沿长向的收缩程度较大引起的；水泥砂浆层的拉伸应变会逐渐降低，收缩应变会逐渐上升，这是由于冻胀程度在冻结刚开始时引起拉伸应变的影响在逐渐减弱，而收缩程度在融化过程中引起的收缩应变的影响在逐渐增强。

图10 9次冻融循环作用下沿长向应变变化

如图11所示，取冻融循环第9次进行分析，通过对水泥砂浆层沿长向应变与沿宽向应变进行比较，可以得出屋面模型在升温过程中收缩应变会出现最大值，沿宽向的收缩应变最大值明显高于沿长向收缩应变最大值，因此屋面模型水泥砂浆层开裂极有可能是由于沿宽向的收缩应变引起的。

图11 水泥砂浆层沿长向与沿宽向应变对比

对9次冻融循环水泥砂浆层沿宽向收缩应变最大值进行对比分析，如图9所示，每次循环水泥砂浆层沿宽向收缩应变最大值出现在融化阶段，随冻融次数的增加逐渐上升。第2次冻融循环到第6次冻融循环为收缩应变快速上升阶段，从第7次冻融循环后收缩应变呈现缓慢上升趋势。具体每次冻融循环收缩应变的增长率如表1所示。可以认为随着冻融次数的增加，水泥砂浆层收缩应变增长率最终会维持在5 %左右，最终会因为收缩变形达到极限应变而产生破坏。如图12所示，对每次冻融循环水泥砂浆层收缩应变最大值进行拟合，得到冻融循环次数与收缩应变最大值之间的函数关系式，既可以预测冻融循环条件下破坏的具体周期次数，还可以为现场屋面水泥砂浆层的服役年限判断提供数据参考。

表1 每次冻融循环收缩应变增长率

图12 冻融循环下水泥砂浆层最大收缩应变拟合曲线

2.2 屋面模型防水层应变变化

从屋面模型防水层上布置的4个应变采集点中选择一个点对其沿长向和沿宽向应变进行分析，取本次试验冻融循环第8次和第9次过程中所采集的数据进行分析，如图13、图14所示。两种屋面模型沿长向和沿宽向应变变化趋势是相同的，在冻结过程中，应变片所测得的沿长向应变和沿宽向应变都呈上升趋势，最后会趋于波动状态，为拉伸应变。由于冻结过程中试验舱内处于化霜状态，温度升高，导致应变降低，可见环境的变化对防水材料层应变影响较大。在融化过程中，应变迅速下降，最后也趋于波动状态，为收缩应变。冻结过程中产生的拉伸应变明显大于融化过程中产生的收缩应变，因此冬季防水层受破坏的程度比较大，尤其是在冬季较长的地区，防水层的使用寿命会明显的缩短。对比两种防水材料在冻结过程中拉伸应变的变化，可以看出成型非固化层的拉伸应变明显大于SBS防水卷材，这是由于成型非固化防水材料的柔性大于SBS防水卷材的柔性，在冻结过程中会有更大的变形，能够更加适应高原寒冷地区。

图13 SBS防水层沿长向和宽向应变

图14 成型非固化防水层沿长向和宽向应变

2.3 屋面模型各层之间相互作用

2.3.1 防水层和水泥砂浆层

成型非固化防水层和SBS防水层的应变变化趋势基本相似，因此取第6次冻融循环成型非固化防水层与水泥砂浆层应变(沿长向应变/沿宽向应变)相互作用关系进行分析，如图15、图16所示。

图15 水泥砂浆层和防水层沿长向应变对比

图16 水泥砂浆层和防水层沿宽向应变对比

如图15所示，在冻结过程中，水泥砂浆层沿长向的应变先于防水层发生变化，当水泥砂浆层应变为正时，防水层应变才发生变化。随后两层应变会发生波动，之后逐渐上升，水泥砂浆层应变一直大于防水层应变，可以认为这一阶段水泥砂浆层应变对防水层应变有促进作用。当水泥砂浆层应变达到峰值后，逐渐下降，处于压缩状态，而防水层应变表现为小范围波动状态，表明此阶段水泥砂浆层的收缩对防水层的影响与低温环境引起的防水层伸长(冻胀)相互抵消。在融化过程中，水泥砂浆层应变会迅速下降，这导致防水层应变迅速下降，主要是因为水泥砂浆层沿长向的收缩引起防水层的收缩。之后随着水泥砂浆层收缩应变逐渐降低，防水层应变处于稳定状态，这是由于水泥砂浆层引起的防水层收缩应变与融化温度引起的伸长应变相互抵消。当水泥砂浆层的应变达到稳定状态时，防水层的应变也处于稳定状态，不再变化。

如图16所示，在冻结过程中，水泥砂浆层和防水层沿宽向应变几乎同时发生变化，两者应变逐渐上升，应变变化速率基本一致，不存在相互促进作用；水泥砂浆层应变达到最大值(伸长应变)后开始逐渐降低，最后达到冻结过程中的最小值(收缩应变)，而防水层沿宽向应变也逐渐达到稳定，这一阶段水泥砂浆层沿宽向应变(收缩应变)对防水层的影响与外界环境对防水层的冻胀应变相互抵消。融化过程中，两者变化趋势与沿长向应变的变化基本一致，最终趋于稳定状态。

2.3.2 混凝土层和页岩粉煤灰层

基于两块屋面模型钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层材料和构造基本相同，以SBS防水卷材屋面模型所测第6次冻融循环应变数据对两层之间相互作用进行分析。试验结果如图17、图18所示。

图17 钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层沿长向应变对比

图18 钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层沿宽向应变对比

如图17所示，在冻结过程中，钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层的应变都呈现先增大后减小的趋势，钢筋混凝土层先达到最大值，主要是钢筋混凝土层与外界环境直接接触，温度比页岩粉煤灰层降低更快，因此应变会先达到最大值。由于两层之间有一定粘结力，钢筋混凝土层应变增大对上层页岩粉煤灰层应变增加有促进作用，之后钢筋混凝土应变降低，处于收缩状态，对于页岩粉煤灰层应变的增大有抑制作用，甚至有促进该层收缩变形的作用。在融化过程中，两层结构也有先增大后减小的趋势，页岩粉煤灰的峰值大于钢筋混凝土的峰值，因为两者在温度达到稳定后，温度引起的应变基本是相同的，而页岩粉煤灰层受到来自钢筋混凝土层的影响变形会增大，峰值会大于钢筋混凝土层。如图18所示，钢筋混凝土层和页岩粉煤灰层沿宽向的应变与沿长向应变大致趋势相同，因此在冻结过程和融化过程中，两层之间的相互作用与沿长向应变基本一致。

3 结论

(1)通过对屋面模型各结构层应变进行分析，得到水泥砂浆层沿宽向应变随着冻融次数的增加逐渐增大，在试验融化阶段当达到极限开裂应变时(未进行准确测定，仅做定性分析)，会引起收缩开裂，进而对上层防水结构层性能产生影响，导致防水层失效。

(2)对每次冻融循环下水泥砂浆层沿宽向最大收缩应变进行拟合，得到试验屋面模型水泥砂浆层最大收缩应变预测关系式。下一步可以根据现场原型尺寸进行相似模型试验为现场屋面水泥砂浆层的服役年限判断提供数据参考。

(3)通过对比两种防水材料在冻融过程中应变变化，得出(喷涂速凝橡胶沥青+成型非固化橡胶沥青)复合防水材料在冻结过程中的拉伸应变明显大于(非固化橡胶沥青+ SBS防水卷材)复合防水材料，在冻结过程中会有更大柔性变形，与SBS防水卷材相比能够更好的适应高原地区气候，建议现场应用(喷涂速凝橡胶沥青+成型非固化橡胶沥青(板岩型))复合防水材料。

(4)水泥砂浆层对防水层应变的改变具有一定影响，推测温度和水泥砂浆层是导致防水层结构在冻融循环过程中应变(伸长和收缩)交替变化的主要原因。在冻融循环的不同阶段，钢筋混凝土层对页岩粉煤灰层应变变化会表现出促进或抑制作用。