蠕變型防水材料性能研究及工程運用

張雪潔 顏紅專 于 芳

（武昌工學(xué)院 湖北省武漢市 430065）

引言

建筑耐久性及節(jié)能保溫效果都與其結(jié)構(gòu)的防水能力有關(guān)，因此，防水工程效果直接影響到建筑使用性能[1]。目前使用較廣泛的防水材料分別是防水卷材和防水涂料[2]。兩類材料各有優(yōu)缺點，防水卷材厚薄均勻、材料質(zhì)量可控性較高，但不可避免地會增大接縫滲透的風險性。而防水涂料施工簡便，對復(fù)雜基層及節(jié)點部位的適應(yīng)能力強，整體性好，但質(zhì)量受施工因素影響較大，涂層厚度均勻性較難控制。

在防水工程中，柔性防水層與基層的粘結(jié)問題一直是難點[3]。若采用滿粘使防水層與基層粘結(jié)牢固，可解決起鼓及防水層下面竄水現(xiàn)象。但同時會造成防水層受基層變形影響大，一旦基層開裂，防水層受到拉應(yīng)力作用時，裂縫兩側(cè)的防水層幾乎沒有剝離區(qū)，拉應(yīng)力無法向兩側(cè)傳遞而只能集中在開裂部位，很小的裂縫就可能造成防水層被拉裂。即使不被拉裂，裂縫部位的防水層也會由于長期處于高應(yīng)力狀態(tài)而加速老化，或者由于反復(fù)的拉伸產(chǎn)生疲勞破壞。為避免這些現(xiàn)象，防水層可采用空鋪、點粘或條鋪做法，這樣同時又會帶來另外一個問題，即一旦防水層在某個部位產(chǎn)生細小空洞或裂縫而漏水，在防水層下就會出現(xiàn)竄水現(xiàn)象，而且很難找到滲漏源頭，給修補工作帶來很大難度。

目前，防水材料發(fā)展迅速，新材料、新工藝層出不窮，從工程需求的角度開展防水技術(shù)的研究工作還比較少，這在很大程度上制約了防水技術(shù)的發(fā)展。防水主體產(chǎn)生滲透的要素是水、縫隙和水在縫隙中的遷移力，防水工程實質(zhì)就是采取致密材料堵塞防水主體的孔和縫，阻止水通過。因此從工程角度出發(fā)，應(yīng)該首先封閉基層的裂縫和毛細孔道，使基層具有一定的防水能力；然后再設(shè)置具有蠕變功能的粘結(jié)層，該層次能將主防水層與基層牢固粘結(jié)，并具有很好的蠕變能力來消除或減少各種不利因素對防水層產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，避免防水層受拉破壞；再在其上設(shè)置具有不透水性和耐久性的主防水層；最后加上保護層，即形成完整的防水結(jié)構(gòu)。這樣設(shè)置可以最大程度地減少不利因素對防水層的影響，大大提高防水層的可靠性和使用年限。

1 蠕變型防水材料作用機理

聚合物材料在一定溫度下承受恒定載荷時，首先會迅速發(fā)生變形，然后會在緩慢的速率下無限期地變形下去。這種在溫度和載荷都是恒定的條件下，變形對時間依賴的性質(zhì)，即稱蠕變性質(zhì)。理論上任何一種材料都具有蠕變的性質(zhì)，也包括防水材料在內(nèi)。但是當處于常溫狀態(tài)時，一般防水材料在該材料最大拉力范圍內(nèi)的某恒定載荷作用時幾乎沒有蠕變性質(zhì)，因此，我們將常溫狀態(tài)下在較小的恒定載荷作用時能迅速發(fā)生變形并能無限期地變形的防水材料稱為蠕變性防水材料。

蠕變性防水材料噴涂在基層上，首先可以很好地封閉基層的毛細孔隙和微小縫隙，增加基層致密性，使基層具有一定的防水能力。其次，蠕變性防水材料具有“下消上保”的作用。“下消”是指當基層開裂拉伸時，蠕變性防水材料形成的構(gòu)造層可以吸收和消耗基層應(yīng)力，使其不會傳遞到防水層，解決了防水層拉伸開裂引起的滲漏問題。同時，由于防水層處于無應(yīng)力狀態(tài)，避免防水層在高壓狀態(tài)下快速老化的現(xiàn)象，延長防水層壽命。正是由于蠕變性防水材料的消耗能力，當基層由于熱脹冷縮發(fā)生變形時，防水層不會有拉壓應(yīng)力變化，所以不會產(chǎn)生撓曲破壞現(xiàn)象。“上保”是指蠕變性防水材料具有粘性和自愈能力，防水層一旦被戳破時，蠕變性防水材料由于自身壓敏性，保護破壞點不會擴大，防水層底部不會發(fā)生竄水問題，而且可以逐步修復(fù)破壞點，提高防水能力。

2 蠕變型防水材料性能研究

蠕變性材料能作為防水材料使用，首先其必須具備較強的持續(xù)粘結(jié)能力、延伸率大、低溫柔性好等特點。但蠕變性防水材料與自粘卷材其最本質(zhì)的區(qū)別就是其蠕變性能。曾有試驗[4]表明，兩層厚度為1.2mm的聚氨酯涂膜用0.5mm厚的蠕變性材料粘結(jié)，當把底層涂膜拉伸至100%延伸率長度時，面層涂膜的被動拉伸延伸率不到1%。聚氨酯涂膜本身彈性模量小，對應(yīng)力的敏感性強，因此試驗可以說明底層卷材拉伸產(chǎn)生的應(yīng)力基本上被粘結(jié)材料的蠕變所吸收，對面層涂膜幾乎沒有應(yīng)力傳遞，這是自粘材料無法實現(xiàn)的。此外，自粘卷材在低溫狀態(tài)時幾乎沒有粘結(jié)能力，而蠕變性材料在-20℃仍具有良好的粘結(jié)性能。因此，蠕變性防水材料其最突出的特點與優(yōu)勢就是自身蠕變性，而蠕變性最有利的作用機理就是通過變形吸收應(yīng)力，阻隔應(yīng)力傳遞。為了更加明確地研究蠕變材料特性，將自粘卷材和蠕變性改性瀝青熱熔涂料在拉力機上做對比實驗。

實驗方案分別用雙面自粘卷材和蠕變性改性瀝青熱熔涂料粘結(jié)兩片鋼板，粘結(jié)面積為100mm×100mm，每組八個試件，在標準條件下放置24h。每組中取出四個試件分別測試其最大拉力，計算出每組四個試件的最大拉力平均值。將每組剩余的四個試件在拉力機上拉伸至最大拉力平均值的70%，停止拉伸，固定拉力機夾具的距離并開始計時，根據(jù)事先確定的計時點讀取拉力機的拉力值。

實驗結(jié)果兩種粘結(jié)方法的試件在各計時點的拉力平均值見圖1。

圖1 兩組試件在各計時點的拉力平均值

由圖1可以看出，在變形固定的前提下，兩種材料隨時間變化均有較明顯的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，且加載初期的應(yīng)力松弛速率較快，后期逐漸降低，趨于平緩。在相同試驗條件下，經(jīng)過150min，雙面自粘卷材拉力機上拉力由190N降到146N，應(yīng)力松弛量為14%。蠕變型改性瀝青熱熔涂料拉力機上拉力由165N降到17N，應(yīng)力松弛量達到89%。說明蠕變型改性瀝青熱熔涂料應(yīng)力松弛量較雙面自粘卷材大很多。

由實驗可以得到如下結(jié)論：

（1）防水材料具有蠕變性質(zhì)，即在一定溫度條件下，承受恒定荷載時，隨著時間增長會產(chǎn)生緩慢變形現(xiàn)象。

（2）由于防水材料的蠕變特性，防水層在受到外部荷載作用時，防水層中的應(yīng)力會有應(yīng)力松弛現(xiàn)象，且防水材料的蠕變量越大，應(yīng)力松弛量越大。在工程實踐中，當基層開裂或者熱脹冷縮等原因使防水層產(chǎn)生拉伸時，如防水層或者粘結(jié)層具有較大的蠕變量時，其剪切變形產(chǎn)生的應(yīng)力松弛可以降低防水層的拉伸應(yīng)力，從而減少防水層被拉裂的可能性。

（3）無論是蠕變量大或是小的防水材料，在加載初期應(yīng)力松弛速率較大，并隨著時間變化逐漸減小。

因此，蠕變性直接影響防水材料的使用性能，則可按照蠕變量大致可以將柔性防水材料分為三類：一類是蠕變量非常小的，如三元乙丙卷材等，其延伸能力主要是由材料彈性或塑性變形形成的，蠕變對拉伸的影響可以忽略不計，防水層在外力的作用下的變形拉應(yīng)力基本成正比關(guān)系，當拉應(yīng)力超過其最大允許拉應(yīng)力時，防水層斷裂；第二類是有一定蠕變性的，如本實驗中自粘卷材，這類材料的材性除了彈塑性之外，還表現(xiàn)出一定的粘滯性。在防水層受到拉伸應(yīng)力時，其應(yīng)變除了彈塑性變形之外，還有蠕變引起的變形。第三類是蠕變型防水材料，如蠕變型熱熔改性瀝青防水涂料等，這類材料在較小的應(yīng)力作用下，其變形就會不斷產(chǎn)生。材料的抗裂性能主要是通過自身蠕變性實現(xiàn)。采用此類材料與三元乙丙等卷材復(fù)合用于防水工程時，可以各取所長，既降低基層變形對防水層的影響，又達到防水效果。

3 蠕變性防水材料的應(yīng)用

蠕變性防水材料在防水工程中應(yīng)用主要有三種形式：作為防水涂料單獨使用、與卷材復(fù)合使用[5]、在防水卷材底層先行涂敷成為自粘卷材。

（1）蠕變性防水涂料形成的涂層不透水性指標達到0.1MPa以上，完全可以作為一道獨立的防水層使用，涂層厚度不宜小于2mm。涂料噴涂完成后，覆蓋一層塑料薄膜以防粘腳，便于后續(xù)工序施工。蠕變性材料的耐熱度較高，可達65℃左右，在屋面工程中推薦使用倒置式屋面構(gòu)造，即在在涂膜層上直接鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫板保溫層，上部澆筑40mm厚細石混凝土保護層，施工方法見圖2。地下室底板的外防水涂膜層完成后，澆筑40mm厚的細石混凝土保護層，再進行地下室底板鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序。地下室墻板在涂膜防水層完工后，直接粘貼聚苯乙烯泡沫板作保護，進行回填土的施工。

圖2 倒置式屋面構(gòu)造簡圖

（2）蠕變性防水涂料與卷材復(fù)合使用，可以互取所長，充分利用涂料的蠕變性及卷材的防水性，提高防水層的耐久性及可靠性。涂膜的厚度不宜小于1.0mm，施工前，根據(jù)涂膜層的厚度計算出材料的單方用量，在基層上按卷材寬度彈出每幅卷材的鋪貼線；施工時，在刮涂蠕變性防水材料的同時進行卷材的鋪貼，并滾壓出之間的空氣，搭接部位也應(yīng)涂覆并滾壓、封邊，保證搭接可靠，并在卷材接縫部位騎縫刮抹20mm寬、1.0mm厚的蠕變性防水材料封閉接縫口。最后按設(shè)計要求進行保護層的施工。施工方法見圖3～4。

圖3 與卷材復(fù)合使用施工方法一

（3）蠕變性防水材料也可以在卷材生產(chǎn)過程中涂敷在卷材底面，制作成具有蠕變性的自粘卷材。工藝簡單，只需在普通卷材生產(chǎn)線的收卷前增加涂敷蠕變性自粘膠即可。蠕變性自粘膠的涂敷溫度在100～120℃之間，大大低于目前自粘卷材的涂敷溫度，因此可以在聚乙烯丙綸防水卷材、氯化聚乙烯防水卷材等高分子卷材上進行涂敷，不易使卷材產(chǎn)生高溫變形。涂敷后的卷材用隔離紙隔離成卷即成為具有蠕變性的自粘卷材。

圖4 與卷材復(fù)合使用施工方法二

4 結(jié)論

（1）蠕變性防水材料由于自身蠕變性，起到“下消上保”作用，吸收基層開裂應(yīng)力，避免傳防水層斷裂及在高應(yīng)力狀態(tài)下提前老化等問題；同時，由于蠕變性材料的自愈能力，能夠保護破壞點不會擴大，解決了防水層的竄水難題，提高防水可靠性。

（2）一般防水材料都具有蠕變性，但蠕變量越大，應(yīng)力松弛量越大，對基層應(yīng)力吸收能力越強。在受力初期應(yīng)力松弛速率較大，并隨著時間變化逐漸減小。

（3）蠕變型防水材料是有別于現(xiàn)有柔性防水材料的新型防水材料，可作為防水涂料單獨使用、與卷材復(fù)合使用、在防水卷材底層先行涂敷成為自粘卷材。