徐洪濤,王 茜,肖緒文,丁紅梅,朱志遠,張 勇,秦 越,霍倩男,周 輝

(1.中國建筑股份有限公司技術中心,北京 101300; 2.北京東方雨虹技術股份有限公司,北京 100176;3.中國建筑股份有限公司,北京 100030; 4.中國建材檢驗認證集團蘇州有限公司,江蘇 蘇州 215008;5.中國建筑防水協(xié)會,北京 100055)

0 引言

混凝土屋面的防水有效性(waterproofing effectiveness)可理解為材料在影響因素作用下維持防水功能的能力,其主要依靠防水材料和構造實現(xiàn)。防水材料受影響因素作用,因老化或變形而失效[1],相關研究一般對類似因素組合,進行試驗得出結論[2]。

在耐久性方面,戈兵等[3-4]對SBS改性瀝青防水卷材進行輻射、化學老化作用,指出涂蓋層在輻射作用下變硬、粉化,局部收縮產生裂紋,此后,進行的浸水、凍融試驗顯示水分會導致浸涂材料和聚酯胎基強度降低。葛洋洋等[5]對SBS改性瀝青防水卷材在熱氧、輻照、水浴老化后的低溫柔性和質量損失率進行了研究,3類加速老化試驗與性能衰減均呈線性正相關。以上研究側重于老化作用與性能間的關系,彭方靈等[6]從工程取樣服役12年的SBS改性瀝青卷材進行不透水性試驗,樣品本體、搭接強度符合要求,但搭接邊防水功能已失效,該研究側重于實際防水有效性。

在材料抗變形方面,劉錫濤[7]通過防水材料附著在基層上的裂縫橋接試驗,指出防水材料應力值迅速下降的拐點所對應的延伸率就是材料的裂縫橋接性能值。Litvan[8]提出影響裂縫橋接性能的因素包括基層類型、材料類型、界面、防水材料厚度和外界條件,且與防水材料厚度成正相關。Delucchi等[9]對不同厚度的丙烯酸(acrylic)和環(huán)氧聚氨酯(epoxy-polyurethane)涂料進行試驗,指出裂縫橋接性能與涂料延展性相關,此后,按照ASTM D-4541進行拉伸試驗,結果表明厚度較小時材料的彈性模量較大,裂縫橋接性能與厚度成正相關[10-11]。Feiteira[12]依據(jù)ETAG 005的試驗方法和要求,從變形、開裂過程研究防水涂料的防水有效性,Marius[13]研究了單組份水泥基防水砂漿(polymer modified mortars)的裂縫橋接性能,結論均表明聚合物膜的抗變形能力決定了裂縫橋接性能,且與溫度相關,其微觀變形機理研究顯示,材料表面白化區(qū)域從非連續(xù)到連續(xù),隨之微孔擴大成孔隙,但抗拉強度沒有到最大值[14]。

總結過往研究,防水材料本體、接縫性能的研究和試驗方法相對全面,但作為判定工程防水有效性的指標、方法還需探索。

1 研究方法

混凝土屋面防水有效性與工程應用要求、材料、影響因素、防水失效機理等相關[15],為了確定合適的試驗方法和判定指標,選取典型防水材料,以溫度、變形對其進行老化作用,然后對材料本體、搭接區(qū)進行拉伸、低溫柔度、裂縫橋接性能正交試驗。技術路線如圖1所示。

圖1 研究技術路線

2 研究內容

2.1 試驗規(guī)劃

2.1.1材料選擇

選取混凝土屋面常用的3類防水卷材,如表1所示。

表1 防水卷材類型

2.1.2試驗方法

混凝土屋面中防水材料本體和搭接部位需能抵御老化和變形綜合作用,可采用老化、疲勞等作用后的延伸率、柔度、不透水性等綜合判斷防水有效性[16-17]。

防水材料受拉的極限變形能力與極限應力值相關,延伸率可作為參考指標[7]。試驗模擬卷材服役時的受拉區(qū)域,拉伸區(qū)長度L分別設置為100,25,5mm,參考GB/T 328系列標準[18-20]。

當材料緊貼基層時,可采用裂縫橋接性能(crack bridging ability,CBA)[16,18]模擬一定溫度條件下,基層反復變形時防水層維持完整性的能力[21-22]。試驗方法參考ASTM C1305和JC/T 975—2005《道橋用防水涂料》。

2.1.3老化條件

依據(jù)實際應用場景,老化條件參考歐盟技術認證文件EAD 030350—00—0402的分級方式[15],低溫選取-20℃,常溫設定為23℃,高溫分別設定為60,70,80℃。加速老化時間按照倍數(shù)與均勻間隔取2,4,8,12,16,20w。

為了評價應力松弛效應導致的性能衰減,采用受拉、高溫和往復拉伸進行老化,定伸試驗方法參考GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》、GB/T 19250—2013《聚氨酯防水涂料》,裂縫橋接性能試驗參考《道橋用防水涂料》,循環(huán)次數(shù)設定100次[21]。

2.1.4正交組合

滲漏多產生于卷材搭接區(qū)[2],對材料A,B,C本體和接縫進行試驗,每組3個試樣,結果取平均值,如表2所示。

表2 正交試驗組合

2.2 試驗結果

2.2.1老化時間對拉伸性能的影響

針對材料A,B,C,老化溫度70℃,試驗溫度23℃,樣品寬度50mm,拉伸區(qū)長度100mm,拉伸速率100mm/min,試驗結果如表3所示,T表示抗拉力(N),E表示延伸率(%)。進行歸一化處理,老化后抗拉強度及延伸率變化如圖2所示。

表3 70℃條件老化后的抗拉力和延伸率

圖2 70℃條件老化后的拉伸性能變化

由圖2可知,常溫條件下,拉伸性能主要受增強層影響,70℃老化時間20w,材料A,B,C抗拉力及延伸率衰減規(guī)律不明顯。此外,SBS改性瀝青防水卷材與自粘瀝青防水卷材試驗數(shù)據(jù)受試驗方法影響,與實際存在偏離。

2.2.2拉伸區(qū)長度對拉伸性能的影響

針對材料A,試驗溫度23℃,樣品寬度50mm,拉伸區(qū)長度分別為100,25,5mm,拉伸速率100mm/min,試驗結果如表4、圖3所示。

表4 無老化時不同拉伸區(qū)長度拉伸試驗值

圖3 不同拉伸區(qū)長度的抗拉力及延伸率變化

由圖3可知,拉伸區(qū)長度與抗拉力及延伸率試驗值關聯(lián)性不強。

2.2.3服役溫度對接縫拉伸性能的影響

針對材料A,B的接縫,試驗溫度-20℃和23℃,樣品寬度50mm,拉伸區(qū)長度80mm,拉伸速率100mm/min,老化溫度為70℃,試驗結果如表5所示。

表5 -20℃和23℃條件下接縫抗拉力及破壞狀態(tài)

材料A拉伸試驗破壞如圖4所示。材料B拉伸試驗破壞如圖5所示。

圖4 材料A熱老化后拉伸試驗試樣外觀

圖5 材料B熱老化后拉伸試驗試樣外觀

材料B經熱老化2w后,強度先增大,后逐步減小,系改性瀝青先老化變硬增強,后增強層老化后強度降低所致[5]。接縫部位經過短時間高溫后,黏合部分更均勻,在23℃條件下進行試驗,接縫破壞形式為搭接區(qū)內聚破壞。材料在低溫條件下強度更大,表現(xiàn)為卷材本體破壞,與材料在低溫下玻璃態(tài)轉化相關。

2.2.4定伸與熱老化對拉伸性能的影響

應力松弛效應會導致卷材性能加速衰減,針對材料A,B,C,考慮熱老化影響,定伸前長度50mm,定伸比20%,樣品寬度25mm,標距50mm,拉伸速度100mm/min,拉伸試驗溫度23℃,試驗方法參考《建筑防水涂料試驗方法》,試驗結果如表6所示。

表6 定伸老化后強度與延伸率

以2w為基準,對定伸后強度及延伸率做歸一化處理,如圖6所示。

圖6 60,70,80℃定伸老化后的拉伸性能變化

經過定伸、高溫老化后,強度衰減規(guī)律相對一致,延伸率變化不一致。強度主要受增強層影響,材料C定伸、高溫老化后出現(xiàn)塑性變形。

2.2.5老化溫度、服役溫度對拉伸性能的影響

材料A試驗方法參考GB/T 328.22—2007《建筑防水卷材試驗方法 第22部分:瀝青防水卷材 接縫剪切性能》,拉伸速率100mm/min,老化溫度為60,70,80℃,試驗溫度為23℃和-20℃,樣品寬度50mm,拉伸區(qū)長度100mm?？估與延伸率E試驗結果如表7、圖7所示。

表7 材料A熱老化后23℃條件下的拉伸性能

圖7 熱老化后23℃條件下的拉伸性能變化

材料A在60,70和80℃熱老化后-20℃條件下拉伸試驗結果如表8、圖8所示。

表8 材料A熱老化后-20℃條件下拉伸性能

圖8 熱老化后-20℃條件下的拉伸性能變化

試驗后材料A試樣的外觀如圖9所示。

圖9 熱老化后拉伸試驗試樣外觀

材料A熱老化時間到達16w時,強度出現(xiàn)顯著下降。經過80℃熱老化后的強度、延伸率明顯低于60,70℃的條件;經過60,70℃熱老化后的試樣,經拉伸后材料表面較光滑,增強層斷裂,經80℃熱老化后的試樣拉伸后,瀝青材料表面裂紋很多,塑性顯著降低。

材料B試驗方法同材料A,結果如表9,10,圖10,11所示。材料B在-20℃條件下抗拉力出現(xiàn)有規(guī)律的衰減,但延伸率的離散性較大。相對而言,60℃瀝青材料能維持較好的塑性,80℃高溫老化影響明顯,可顯著改變?yōu)r青基特性。

表9 材料B熱老化后23℃條件下拉伸性能

表10 材料B熱老化后-20℃條件下拉伸性能

圖10 材料B熱老化后23℃條件下的拉伸性能變化

圖11 材料B熱老化后-20℃條件下的拉伸性能變化

試驗后材料B試樣的外觀如圖12所示。

圖12 熱老化后材料B拉伸試驗試樣外觀

材料C試驗方法參考GB/T 328.22—2007,拉伸速率100mm/min,老化溫度為60℃,70℃,80℃,試驗溫度為23℃和-20℃,樣品寬度6mm,夾具80mm,引伸計25mm。試驗結果如表11,12,圖13,14所示。

表11 材料C熱老化后23℃條件下拉伸性能

表12 材料C熱老化后-20℃條件下拉伸性能

圖13 材料C熱老化后23℃條件下的拉伸性能變化

圖14 熱老化后-20℃條件下的拉伸性能變化

材料C經過高溫老化后,在23℃條件下測試強度,強度和延伸率均出現(xiàn)衰減,規(guī)律較明顯。低溫條件下定向拉伸更易產生結晶區(qū)域,出現(xiàn)脆性斷裂,離散性偏大。

2.2.6老化溫度、服役溫度對低溫柔度的影響

針對材料A,B,試驗方法參考GB/T 328.14—2007《建筑防水卷材試驗方法 第14部分:瀝青防水卷材 低溫柔性》,老化溫度為60,70,80℃,試驗結果如表13、圖15所示。

表13 60,70,80℃熱老化后低溫柔度

圖15 熱老化后低溫柔度變化

60,70℃高溫老化后,隨著老化時間的推移,性能衰減不明顯,經過80℃老化后,衰減程度明顯。80℃的熱老化可導致改性瀝青中與柔性相關的小分子材料遷移或反應更快,所以性能下降明顯。4w時性能衰減明顯,之后趨緩。

2.2.7老化溫度、服役溫度對裂縫橋接性能的影響

針對材料A,B,試驗方法參考《道橋用防水涂料》,老化溫度為60,70,80℃,試樣被拉伸區(qū)域為5～10mm。測試溫度-20℃,拉伸速率5mm/min,拉伸5mm復位,往復100次。試驗結果如表14所示。

表14 熱老化后-20℃條件下裂縫橋接性能

試驗后試樣如圖16所示。

圖16 材料A,B的裂縫橋接性能試驗后外觀

相對于拉伸試驗,裂縫橋接性能將變形區(qū)域限定在5～10mm,且往復拉伸循環(huán),可直觀、定性評價材料抗變形能力。

3 討論

3.1 試驗條件的影響

導致防水材料老化的因素很多,如浸水、輻射、高低溫、機械荷載等[15],老化后性能衰減規(guī)律具有類似性[3-5],從高溫、定伸和往復形變老化試驗結果可看出:瀝青及高分子卷材性能衰減的顯著溫度為80℃,老化的時間達到12w以上時出現(xiàn)明顯衰退。試驗中8w時數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大偏離,系試樣老化存放操作失誤氧化所致,排除8w的數(shù)據(jù),在12w,16w,20w的數(shù)據(jù)衰減規(guī)律較一致,在設計試驗條件時,可參考以上時間規(guī)律。

高溫指標在國內外相關標準中一般為70℃或80℃[23-25],瀝青類材料熱老化時為了避免流淌,溫度設定不低于70℃,高分子類材料則可不低于80℃。

低溫條件下測試時強度增加,延伸率降低,材料的防水有效性與延伸率相關,可結合低溫服役條件和延伸率推斷防水有效性。

3.2 試驗方法的影響

抗拉力、延伸率、低溫柔度、裂縫橋接性能試驗結果和規(guī)律具有一致性?？估εc延伸率屬于同類試驗,其表征應力與應變的關系;低溫柔度反映了材料低溫下抵抗變形的能力,是低溫延伸率的替代試驗,但不便于進行數(shù)值回歸;裂縫橋接性能采用往復循環(huán)變形,變形量設置為定值,雖結果不能直接作為防水有效性的取值依據(jù),但其更接近材料實際失效的狀態(tài),可作為防水有效性取值的臨界值參考。

防水有效性需結合應用場景、破壞模式進行設置,最好采用幾類試驗綜合確定,如不透水性試驗,其效果會更直觀[6],但也會增加試驗量。此外,不同類型的防水系統(tǒng),其老化、失效機理也不同,可采用因果分析方法分析破壞方式、機理、影響因素,再確定試驗方法、判定方式和防水有效性指標。

3.3 性能衰減特征與臨界值

防水材料受外界條件影響時,微觀分子性能的老化速率及趨勢類似于自然衰減[26]:因影響因素維系一定水平,其增長系數(shù)是定值,即增長速度與時間成反比,當影響累積一段時間后,理想條件下材料性能的衰減隨著影響因素的作用為負反饋過程。

以溫度為例,溫度升高時化學反應速率會提高,可參考Arrhenius方程[27],其揭示了材料性能衰減與影響因素、時間之間的自然對數(shù)衰減關系,在GB/T 20028—2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠應用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》中,規(guī)定臨界性能為原始值的50%,在評定材料延伸率等性能時,具有一定的參考意義。

3.4 防水有效性表達式

通過典型防水卷材試驗可看出,如防水有效性采用與變形相關的指標表示,與老化條件、服役溫度、拉伸區(qū)長度均相關。

參考第3.2.2節(jié)拉伸區(qū)長度試驗,以協(xié)同變形尺寸LTEN表達,服役溫度T對應于試驗溫度,結合第3.2.3節(jié)和第3.2.5節(jié)防水材料接縫和本體在80℃的延伸率試驗、第3.2.7節(jié)裂縫橋接性能試驗和第4.3節(jié)防水有效性臨界值的討論,對數(shù)據(jù)進行回歸分析,材料A,B,C的防水有效性δi,Failure可表達為:

(1)

(2)

(3)

4 結語

通過對混凝土屋面典型防水卷材的防水有效性試驗和結果分析,得出如下結論。

1)瀝青及高分子卷材性能衰減的顯著溫度為80℃,老化時間為12w。

2)防水有效性是聯(lián)系“材料”與“工程”的指標,也是工程防水失效概率計算的基礎,需體現(xiàn)服役溫度、工作狀態(tài),可采取多類試驗輔助,定性確定閾值,依據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到計算式。

3)防水有效性指標可采用因果分析法進行設計,基于應用場景、影響因素、失效機理設計試驗,依據(jù)多類試驗對照確定臨界值。

由于試驗操作原因,有些數(shù)據(jù)缺項,延伸率偏高,防水有效性指標取值不一定合理,后續(xù)可引入不透水性、顯微技術進行判定[6,14]。還可設置更多服役溫度,回歸更精確的防水有效性計算公式。