国家速滑馆屋面高延性防水卷材力学性能研究*

张少杰 苏振华 罗惠平 李少华 冯 鹏 王世彬 张道博

(1.清华大学，北京 100084；2.北京城建集团有限责任公司，北京 100088)

随着建筑行业的飞速发展，钢筋混凝土及钢结构建筑的应用愈加广泛，防水材料的使用也相应增多。近年来大量大型异形建筑结构的出现，加剧了建筑对防水材料的性能要求，部分柔性结构等还对其延伸性、美观性、鲁棒性等提出了新要求。速滑馆采用金属屋面体系，由压型铝板、保温岩棉、隔汽层、防水层等组成，在满足一定的力学性能基础上具有保温、防水兼建筑造型的功能，因此防水层不仅要满足GB 50345—2012《屋面工程技术规范》对屋面防水系统的一般要求，还应该兼具美观性和对索网变形的适应性。

基于国家速滑馆的屋面防水需求，统计了常见的防水卷材并调研了相关工程案例，然后通过试验对比三种高分子防水材料的力学性能，最终选用EPDM卷材搭配自硫化泛水作为速滑馆屋面防水体系。

1 工程概况

国家速滑馆是2022冬奥会的标志性场馆，建筑面积约8万m2，建筑高度为15.4～33.8 m。国家速滑馆的结构体系由屋顶索网、环桁架、斜拉索和混凝土结构组成。其屋盖由外环向钢桁架与单层双向正交马鞍形索网结构组成，屋面采用单元式金属屋面体系，每个索网网格对应一个屋面模块。金属屋面与索体结构材料性质不同，为了避免因变形不协调造成结构损伤，在单元屋面上设置了变形缝，这对屋面防水材料的延展性提出了较高要求。

鉴于国家速滑馆金属屋面对防水材料高延展性的要求，综合考虑试验结果和设计需求后最终采用了EPDM卷材搭配自硫化泛水为屋面防水体系，其防水体系由EPDM、压敏自硫化泛水、搭接带、搭接底涂、基层粘合剂、外密封膏等组成。施工采用满粘+机械固定的成熟工艺，且搭接部位使用搭接带配合专用底涂，配合自硫化泛水进行细部处理。

2 建筑防水材料

2.1 建筑防水材料市场概况

现代建筑对防水材料的要求越来越高，传统的防水材料寿命短、性能差，已不能满足屋面防水要求。随着科技的进步及高分子产业的突飞猛进，新的防水材料出现，已成为建筑工程重要的一环。

当前，国内外市场中较为常见的建筑防水材料有改性沥青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料、密封材料、防水和堵漏止水材料等。我国新型防水材料仍是以改性沥青防水卷材为主，高分子防水卷材为辅，其他防水材料次之[1]。其中，高分子防水卷材是典型的新型建筑防水材料，因其性能优异而广泛应用于现代建筑中。

2015年我国建筑防水材料产量中，改性沥青防水卷材年产45 908万m2，占全年建筑防水材料产量的26.7%；高分子防水卷材年产23 779万m2，占全年建筑防水材料产量的13.9%，年产量相比于2005年增长217.0%，相比于2010年增长52.4%。由图1可以看出，高分子防水卷材年产量自2005年逐年增加，虽离改性沥青防水卷材还有一定差距，但改性沥青防水卷材施工多采用热熔手段，危险且具有污染。随着能源改革深化以及高分子产业的进步，高分子防水卷材有望超过改性沥青防水卷材的产量成为建筑防水的主力军。

图1 国家速滑馆金属屋面系统

2.2 高分子防水卷材

目前，高分子防水卷材由于其强度高、低温柔性好、耐久性好、冷施工等特点，正在广泛运用于建筑防水中。其主要包括聚氯乙烯(PVC)防水卷材、三元乙丙橡胶(EPDM)防水卷材、氯化聚乙烯(CPE)防水卷材、CPE与橡胶共混防水卷材、三元丁橡胶防水卷材、再生胶油毡，以及新兴的热塑性聚烯烃(TPO)防水卷材等[2]。

EPDM防水卷材是以EPDM与丁基橡胶为基本原料，添加软化剂、填充补强剂、促进剂以及硫化剂等，经混炼、过滤、精炼、挤出(或压延)成型，并经硫化等工序制成的片状防水材料[3]。EPDM只在侧链含有不饱和键，而主链是由饱和烃组成，化学稳定，因此其耐久性能优异，应用十分广泛。美国卡莱工厂生产出一种EPDM自硫化泛水材料，该卷材在使用状态时(未硫化)具有较高延性，可以任意变形，服帖于各种异形部位而不产生内应力，经过自然条件下一定时间的硫化后，最终可达到与EPDM相近的力学性能，并长期保持最初粘贴时的形态。因此，EPDM防水卷材搭配自硫化泛水材料非常适合于延性要求较高的装配式金属屋面。

TPO防水卷材是一种新型防水卷材，由聚烯烃、软化剂和多种添加剂等原料通过特殊的聚合工艺加工而成。与EPDM相比，TPO防水卷材的防穿刺性更好，泛水可以焊接，接缝的耐久性和强度更好，可提供持久的白色或浅色[1]。

2.3 高分子防水卷材应用实例

21世纪以来，我国建筑防水市场中高分子防水卷材的产量逐年上升，就TPO和EPDM两种卷材而言，由于上世纪高分子卷材的出现，欧美地区十分流行，国内偏向引进国外先进施工技术[4]。本世纪初EPDM作为高分子防水卷材在我国较为流行，如2000年深圳华为技术有限公司生产基地二期工程防水施工[5]、2007年中央电视台新台址电视文化中心剧场幕墙的防水工程[6]及北京大学内的2008年奥运会乒乓球比赛馆屋面防水工程[7]等均采用EPDM防水卷材；近些年由于欧美地区TPO卷材的新兴及施工技术的进步，国内重点工程也开始使用先进TPO及施工技术[4]，如2019年深圳国际会展中心[8]和2020年国家会议中心二期工程[9]。

目前EPDM自硫化泛水材料在国内应用较少，也缺乏相关研究以及相关规程标准，鉴于EPDM压敏自硫化泛水材料的高延性适合速滑馆索网区域单元屋面的细节，速滑馆项目拟采用EPDM卷材搭配自硫化泛水体系。因此对内增强型TPO、匀质型EPDM及相关配套材料压敏自硫化泛水进行力学性能试验研究及微观表征测试，基于试验结果，寻找适合国家速滑馆屋面防水要求的高分子防水卷材。

3 试验设计

3.1 试验材料

本试验对象共包括三种高分子卷材，分别为匀质型EPDM、EPDM压敏自硫化泛水和内增强型 TPO卷材，具体规格如表1所示。

表1 试验材料规格

力学试验包括拉伸强度、拉断伸长率、热空气老化的测试，均依据GB/T 18173.1—2012《高分子防水材料 第1部分 片材》、GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测试》等执行，三种卷材在以上厂家生产规格基础上进行标准试件的裁切，最终试验试件如图3～5所示。

图2 2005—2015年中国建筑防水材料市场情况

图3 匀质型EPDM试件

图4 EPDM压敏自硫化泛水试件(未硫化)

图5 内增强型 TPO试件

3.2 拉伸试验

片材的拉伸强度、拉断伸长率试按GB/T 528—2009的规定执行。试验采用I型哑铃状试样，试验设备为UTM5504电子万能试验机，加载速率为500 mm/min，通过拉伸试验测量拉伸强度，在中心位置布置引伸计来计算拉断伸长率。对于TPO和EPDM卷材，分别在其横向和纵向裁剪试件进行拉伸，参照GB/T 528—2009分别测量试件在23,60 ℃条件下的拉伸强度和23,-20 ℃条件下的拉断伸长率，每组试验共5个试件。除此之外，EPDM压敏自硫化泛水材料分别经过未硫化、硫化46 h和硫化166 h三种条件预处理后，再分别置于上述温度下测量相应指标，每组试验共5个试件。

3.3 热空气老化试验

片材的热空气老化试验按GB/T 3512—2014《硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验》的规定执行。试验设备为电热鼓风干燥箱，在115 ℃的高温下处理片材168 h，进而进行常温(23 ℃)拉伸试验得出拉伸强度和拉断伸长率。对于TPO和EPDM卷材，分别在其横向和纵向裁剪试件进行热空气老化后拉伸，每组试验共3个试件，取中值。除此之外，EPDM压敏自硫化泛水分为未硫化、硫化46 h和硫化166 h三种预处理条件，每种预处理条件下分别测量上述指标。在此基础上计算相关性能保持率，保持率计算式如下：

(1)

式中：f1为试件热空气老化前的拉伸强度或拉断伸长率；f2为试件热空气老化后的拉伸强度或拉断伸长率。

3.4 硫化试验

EPDM压敏自硫化泛水材料的硫化试验同样使用上述电热鼓风干燥箱，分别按未硫化、加速硫化46 h(70 ℃)和加速硫化166 h(70 ℃)三种预处理条件对试件进行预处理，后分别对其进行拉伸试验、热空气老化试验和低温弯折性试验。

3.5 SEM表征分析

为了观察防水卷材在拉伸前后的微观结构变化以及断裂行为，对标准拉伸试件拉伸断裂前后的关键区域进行SEM表征分析，包括“初始”截面(未拉伸的卷材在横向或纵向裁剪的断面)及“断裂”截面(构件在拉伸试验后在横向或纵向的断面)。试验设备为Quanta 200 FEG场发射环境扫描电镜。以上试验试件汇总如表2所示，为了便于统计分析，后文试验结果分析均采用平均值，而非GB/T 528—2009中的中位数。

4 试验结果分析

4.1 EPDM与TPO力学性能对比

对比匀质型EPDM和内增强型 TPO材料的常温(23 ℃)、低温(-20 ℃)、高温(60 ℃)及热空气老化后常温的力学性能，如图6～9所示。

图6 EPDM与TPO的拉伸强度对比

从图6可以看出，匀质型EPDM在23 ℃和60 ℃的横向或纵向拉伸强度均不及和内增强型 TPO，前者仅为后者的53.65%～74.24%。图7结果表明，匀质型EPDM在-20 ℃的拉断伸长率与23 ℃几乎一致，表明EPDM材料在低温下仍具有良好的延展性，纵向、横向损失率仅为-0.22%、6.40%。而TPO在低温时远不及常温的拉断伸长率，从23 ℃至-20 ℃纵向和横向拉断伸长率损失分别达到了91.65%和43.86%。即温度降低时，TPO延展性显著下降，而且TPO的拉断伸长率性能表现不稳定。

图7 EPDM与TPO的拉断伸长率对比

图8 EPDM与TPO热空气老化后常温拉伸强度对比

图9 EPDM与TPO热空气老化后常温拉断伸长率对比

4.2 自硫化泛水材料硫化前后力学性能对比

对比EPDM压敏自硫化泛水材料在未硫化、硫化46 h和硫化166 h三种预处理条件下的常温、低温、高温及热空气老化后常温的力学性能，其结果如图10～13所示。

图10 自硫化泛水材料硫化前后拉伸强度对比

图11 自硫化泛水材料硫化前后拉断伸长率对比

由图10可以看出，随着硫化时间增加，自硫化泛水材料的常温拉伸强度逐渐增大，硫化166 h后常温横向拉伸强度达2.08 MPa，是未硫化时材料拉伸强度的3倍左右。而自硫化泛水材料硫化46 h后在高温下的拉伸强度却有所降低，60 ℃下三种预处理自硫化泛水材料的纵向拉伸强度损失率分别为54.55%、68.75%、61.46%，造成未硫化时的自硫化泛水材料热空气老后强度损失率最小的原因可能是因为高温实验条件中发生了硫化，对未硫化的材料拉伸强度有一定正向促进作用。囿于试验设备的限制，EPDM自硫化泛水材料在未硫化及硫化46 h时的高温拉伸强度只能测出0.4 MPa及0.34 MPa，其实际拉伸强度应更大。

EPDM自硫化泛水材料未硫化时具有较高的延展性，其常温横向拉断伸长率可达1 408%，随着硫化时间增加，常温拉断伸长率逐渐减小，这是因为在硫化过程中线性高分子通过交联作用，逐渐变为三维网状高分子[9]，材料由原来的塑性逐渐表现为弹性，延展性下降，拉伸强度增强。囿于试验设备的限制，EPDM自硫化泛水材料在未硫化及硫化46 h时的低温拉断伸长率只能测出820%，其实际拉断伸长率应更大。

对比EPDM压敏自硫化泛水材料分别在未硫化、硫化46 h和硫化166 h三种预处理条件下，经过热空气老化试验，其常温条件下(23 ℃)的力学性能保持率如图12及图13所示。随着硫化时间增加，拉伸强度保持率呈下降趋势，而拉断伸长率保持率呈上升趋势。

图12 自硫化泛水材料热空气老化后拉伸强度对比

图13 自硫化泛水材料热空气老化后拉断伸长率对比

出现这个趋势的原因可能是：热空气老化条件(115 ℃、168 h)可看作是更严格的硫化条件，未硫化的EPDM自硫化泛水材料在热空气老化后内部发生深度硫化，线性高分子交联成网状高分子[10]，强度急剧增大，延展性降低，而硫化后的EPDM自硫化泛水材料内部分子已发生交联，再经历热空气老化后交联作用变得并不显著。因此硫化166 h的材料在热空气老化后常温纵向、横向拉断伸长率保持在热空气老化前83.71%、69.65%，而未硫化的材料在热空气老化后常温纵向、横向拉断伸长率仅为热空气老化前24.41%、20.36%。

4.3 自硫化泛水材料与EPDM力学性能对比

对比匀质型EPDM与加速硫化166 h的自硫化泛水材料力学性能，如图14及图15所示。硫化166 h的EPDM自硫化泛水材料常温纵向、横向拉伸强度分别为1.92，2.08 MPa，分别是成品EPDM的拉伸强度的17.48%、21.49%，而两者的拉断伸长率相差不大。虽然自硫化泛水材料在硫化后的拉伸强度仍达不到成品EPDM的拉伸强度，但是硫化前的塑性随着硫化时间增加逐渐变为弹性，此时EPDM自硫化泛水材料从使用要求和施工工艺上已完全满足速滑馆防水节点的使用要求。

图14 自硫化泛水材料与EPDM的拉伸强度对比

图15 自硫化泛水材料与EPDM的拉断伸长率对比

4.4 拉伸过程及断裂分析

4.4.1EPDM与TPO对比

由图16可知EPDM的常温拉伸过程类似于玻璃钢，可认为拉伸过程是弹性变形，在拉伸过程中，初始缺陷如细小孔隙被不断放大，最后发展为大孔隙进而断裂，EPDM被拉伸至极限承载力后发生脆性断裂。对比图17a和17c可以看出，EPDM基本属于匀质材料，片材拉伸断口呈片状。

体验哲学的创立提供了一条语言认知研究的新路径。该理论提出的一些新观点，令哲学和语言学研究者豁然开朗。但作为一种新的哲学理论，它对语言哲学问题的认识还没有做到无懈可击，其论述过程中存在绝对化、主观化和片面化的倾向。其不足之处主要表现为以下几个方面。

图16 EPDM和TPO常温拉伸试验力-位移典型曲线

a—EPDM-23 ℃-横向-初始；b—EPDM-23 ℃-横向-断裂；c—EPDM-23 ℃-纵向-初始；d—EPDM-23 ℃-纵向-断裂。

与EPDM相比，TPO的常温拉伸过程首先经过弹性阶段，被拉至峰值承载力后荷载迅速下降，而后荷载几乎不变,位移增大，经过一平台段，最后断裂。从图18可以看出，内增强型 TPO片材内部使用聚酯纤维增强，属于复合材料，横纵向纤维分布不同，故具有横纵向性质差异，被拉至极限荷载时纤维首先发生断裂，之后发生TPO塑性变形直至断裂。

a—TPO-23 ℃-横向-初始；b—TPO-23℃-横向-断裂；c—TPO-23℃-纵向-初始；d—TPO-23℃-纵向-断裂。

4.4.2自硫化泛水材料

由图19可以看出自硫化泛水材料在未硫化时常温下属于匀质材料，具有一定粘性。未硫化及硫化46 h时的自硫化泛水材料因硫化不完全，其常温拉伸后塑性变形很大，而且其断面不平整，如图20所示。

a—自硫化-0 h-23 ℃-横向-初始；b—自硫化-0 h-23 ℃-横向-断裂；c—自硫化-46 h-23 ℃-横向-初始；d—自硫化-46 h-23 ℃-横向-断裂; e—自硫化-166 h-23 ℃-横向-初始；f—自硫化-166 h-23 ℃-横向-断裂。

图20 自硫化泛水材料三种状态常温拉断后状态

而自硫化泛水材料在硫化166 h后已由原来的塑性转换为弹性，被拉断后变形量较小，由图19看出其初始片材形貌与断面形貌已经基本与成品EPDM相似。由图21可知，硫化166 h后自硫化泛水材料拉伸变形过程也变得与成品EPDM相似，但其极限荷载和弹性模量相对来说仍较小。

图21 自硫化泛水硫化166 h后与EPDM常温拉伸试验典型力-位移曲线

对比自硫化泛水材料三种预处理条件下热空气老化后常温拉伸前后SEM照片，如图22所示。材料在未硫化及硫化46 h经历热空气老化后内部出现大小不等的孔隙，而硫化166 h经历热空气老化后材料较为致密，几乎不含孔隙。

a—自硫化-0 h—老化-横向-初始；b—自硫化-0 h-老化-横向-断裂；c—自硫化-46 h-老化-横向-初始；d—自硫化-46 h-老化-横向-断裂；e—自硫化-166 h-老化-横向-初始；f—自硫化-166 h-老化-横向-断裂。

原因可能在于热空气老化(115 ℃、168 h)是比加速硫化(70 ℃、46 h)更强的硫化条件。自硫化泛水材料经历加速硫化(70 ℃、46 h)后硫化程度较浅，材料在未硫化及硫化46 h经历热空气老化时由于温度较高，硫化速度过快，硫化反应产生的气体无法及时排除，导致孔隙率过大；而材料经历加速硫化(70 ℃、166 h)时，气体已匀速排除，再经历热空气老化后，硫化作用变得并不显著，但热空气老化下硫化所带来拉伸强度增强效应强于高温后拉伸强度减弱效应(图12)。

5 结束语

对内增强型TPO、匀质型EPDM及相关配套材料压敏自硫化泛水进行了力学性能测试和微观破坏机理分析。试验结果表明，EPDM和TPO在常温、低温的拉伸强度，常温、高温的拉断伸长率，热空气老化后的常温拉伸强度和拉断伸长率，低温弯折性均满足GB/T 18173.1—2012。得到的主要结论如下：

1)TPO是复合材料，拉伸强度测试数据较EPDM高，这是由于TPO卷材内部采用聚酯纤维进行增强，但是这也导致TPO卷材的拉断伸长率性能表现不稳定。TPO被拉伸至峰值荷载时内部聚酯纤维发生率先破坏，对TPO卷材造成不可逆转的损坏，致使TPO卷材在未拉断时已发生破坏，其尺寸稳定性较差，不适用于有高延性需求的防水节点处理。

2)EPDM是匀质型材料，在拉伸测试中表现十分稳定。EPDM卷材在达到拉伸极限时之前，卷材仍保持较好的稳定性，并未出现卷材损坏。EPDM延性强于TPO,拉伸强度不及TPO，但是已经满足GB/T 18173.1—2012要求，而且相较于TPO，其尺寸稳定性更优。

3)EPDM压敏自硫化泛水材料在未硫化时具有较好的延展性，随着硫化时间增加，EPDM压敏自硫化泛水材料内部的线性高分子交联成网状高分子，材料逐渐由原来的塑性变为弹性。

4)自硫化泛水材料常作为EPDM的配套材料局部使用，国家规范并未对其有明确的要求。因本项目大量使用自硫化泛水，且使用在关键部位，因此本研究有比较高的研究意义。通过分析本文试验数据发现，加速硫化条件(70 ℃、46 h和70 ℃、166 h)对于自硫化泛水材料来说不够严格，达不到深度硫化的效果，而热空气老化条件(105 ℃，24 h)对于自硫化泛水材料来说硫化速度过快，进而导致材料内部孔隙率过大，形成初始缺陷。因此在以后关于自硫化泛水材料的硫化研究中建议采用更严格的硫化条件，后续研究应该着重于硫化和热空气老化对材料的单独影响以及耦合作用。

5)得到的规律仅针对测试的三种高分子防水卷材，各种厂家生产的相同材料规格却不同，本文的规律并不能直接用于相似材料，但是可以给相似材料后续的研究提供参考或建议。

6)综合分析试验结果和速滑馆实际设计需求，最终选用EPDM卷材搭配自硫化泛水为速滑馆屋面防水体系，其中EPDM卷材用于屋面主体, 自硫化泛水用于节点构造，以满足速滑馆单元板块金属屋面的形缝的使用要求，并能够给类似大变形结构屋面防水处理提供借鉴参考。