防水層粘結強度的物理因素分析

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引言

防水材料粘結是否牢固在物理上由什么決定？跟哪些因素相關？防水層粘結強度和剝離強度本質上是怎樣的指標，他們跟材料粘結地牢固與否有什么樣的關系？為什么不同角度剝離得到的剝離強度會不同？當基層含有裂紋的時候粘接強度和剝離強度為什么有變化？

1 防水層脫粘現象的本質

首先，脫粘是一種怎樣的現象？脫粘是粘結層的在外力作用下產生原始微裂紋、進行繁殖、合并而成為更大的次級裂紋，最后變成細觀和宏觀的裂紋（或者叫做裂縫）的過程。也是一個機械能轉化成形變能的過程。傳統力學是把材料一律看成了理想完整的、均勻的、無缺陷的連續體，直到發現很多工程事故中，材料的斷裂強度遠小于材料的屈服強度，說明材料本身的常態是存在微觀缺陷的。粘結結構亦是如此，粘結層在絕大多數情況下都是存在微觀裂紋的。防水基層和防水層均會出現裂縫，從微觀逐漸發展成宏觀，最終直接表現是粘結不牢，甚至脫落。強調防水層的滿粘效果和防水層要具有柔性，因為柔性防水層能吸收一定的能量，達到不開裂，且能粘結牢固的效果。

2 防水層脫粘的決定因素

防水層多層粘結復合結構的脫粘，在學術上叫做分層開裂（或者叫做分層，delamination），等效模型是一個裂紋（裂縫）擴展的問題。等效示意圖如圖1。一個粘結結構是否脫粘，物理上取決于什么呢？1968 年開始學術界才對這個問題有了結論，是取決于斷裂韌性（或稱斷裂強度），用應力強度因子Kcritical（單位MPa·m1/2）、J 積分或者臨界形變能釋放速率Gcritical（單位N/m）表征這種強度，最先進的理論是應用臨界形變能釋放速率Gcritical 后文縮寫成GC。當外力作用下，G由0 達到臨界值Gc，裂紋就擴展了。這三個指標都是物理本構模型參數，不隨加載形式變化而變化，與粘結結構的試樣、厚度都沒有關系，就類似于材料的楊氏模量這種參數。

圖1 粘結結構的三種層間裂紋擴展

為什么要用斷裂力學而不用經典力學去解析這個現象呢？因為裂縫特點是尖端厚度為0，此處是經典力學中的一個歧義點，所以經典力學不能去解析而只能從能量角度考慮該問題。機械能轉化成形變能，形變就包括了裂紋的產生、繁衍、兼并和宏觀裂紋擴展。斷裂力學理論適用于材料本身內部裂紋，以及粘結結構的層內、層間裂紋。不但適用于彈性材料，還適用于一定塑性的材料（塑性形變的虛擬裂紋等效）。上圖體現的是防水層粘結是界面破壞還是內聚破壞的原因理論所在，一般剛性越大體現為界面破壞，防水層空鼓、脫落等為此種破壞，柔性的與基層粘結越牢固，體現為內聚破壞。

3 防水層斷裂強度如何理解

我們知道外力作用下，決定粘結結構是否分層斷裂的指標是層間斷裂強度。這個指標個物理本構模型參數，不隨加載形式變化而變化，與粘結結構的試樣、厚度都沒有關系。這也是為什么相關的防水材料規范、防水施工規范均對防水層的最薄厚度作了規定。它不像粘結強度、剝離強度那樣，隨著試樣幾何性狀尺寸以及加載形式的變化而變化，事實上，粘結強度、剝離強度是工程參數。那么如何求解斷裂強度呢？

這里還得先引入一個概念，根據不同的物理過程，分為三種最基本的斷裂類型：I 型，II 型，III 型。三種類型如圖2。任何形式的斷裂都可以分解成這三種基本的類型。三種基本類型對應的斷裂強度依次分別為GIC，GIIC，GIIIC，三種基本的臨界形變能量釋放速率。任何形式外力加載下，使G 達到臨界值GC，粘結結構就會開裂。

圖2 斷裂的三種基本類型

以上三種模型，a 和防水層的直接剝離測試方法相同、b和地下側墻回填土對防水層的拉拽而導致防水層下沉模型相同、c 對應搭接邊解封破壞模型相同。

我們來看最簡單的情況，I 型張開開裂，可以用一些參數計算對應的GIC。對于上下粘結層同質的材料最簡單最粗略的是理論計算如下，但是準確性略低。

E 彈性模量，b 寬度，h 厚度，a 初始裂紋長度，Pc 臨界應力（就是做垂直剝離實驗時得到的臨界應力）

請注意這個GIC 不是由E，b，a，h，Pc 決定的，當b，h，a 變化時，Pc 也會有對應變化，變化后計算得到的GIC 仍然是不變的。它只是能由這些值估算出來。

4 如何準確計算這個GIC 呢？

一般有兩種方式：一是利用有限元模擬做虛擬裂紋模型計算（Virtual Crack Calibration Technology），另一種是通過實驗用柔度插值法（Compliance Calibration）獲取。

通過實驗獲取GIC 伴隨著一定的條件假設。如果試件是細長的，可以用梁理論近似計算；如果試件是板型，可以用板殼理論估算。例如梁理論計算，

其中 C=A+Ba3

PC 為臨界應力，b 試件寬度（必須遠小于試件長度），a初始裂紋長度，A 和B 由柔度插值法而得。C 是柔度，試件剛度的倒數。這種估算準確讀已經很高，跟真實值很接近。

再比如Berry model，

其中C=αdn

PC 為臨界應力，b 試件寬度（必須遠小于試件長度），a 初始裂紋長度，α 和n 由柔度插值法而得。C 是柔度。這個模型也是廣泛被學術界認可的。

另外一類計算彈性能量釋放速率的方法是通過有限元模擬分析，借助虛擬裂紋模型計算（Virtual Crack Calibration Technology），對裂紋尖端的單元進行逐個計算，如圖3

圖3 虛擬裂紋計算示意圖

以上只是對最簡單的I 型張開開裂的斷裂強度計算，純II型和純III 型斷裂也由類似的計算方式。防水實際工程中，有單純發生某一種斷裂類型的情況，更多的是三種基本類型的斷裂模式以一定比例混合發生。這時候要求解這個混合斷裂強度Gc，它與GIC，GIIC，GIIIC 相關。在得到以上三種臨界形變能釋放速率的基礎上，要加入一些材料因子、比例參數、半經驗參數，形成一個適用于混合型斷裂的判別準則，這個一般形式為f（GIC，GIIC，GIIIC，m，n，k）=0。眾多斷裂力學領域專家提出了多種準則，提出的準則出現在斷裂力學教材、主流軟件里面，在很多領域都得到了驗證和認可。

5 如何理解防水層的拉拔強度和剝離強度

上面我們講述了粘結結構脫粘的本質，以及對分層斷裂（脫粘）問題的表征。下面說一下大家測的防水層的拉拔強度和剝離強度。

首先，這兩個指標都是工程指標，不是物理上材料的本構模型參數。也就是說他們隨著加載方式、材料的幾何性形等變化而變化。我們測的數據實際是特定的加載方式特定的幾何形狀下的特定強度，不具有普遍意義。

根據上面提到的防水實際工程中分層斷裂一般以三種基本類型的復合的形式進行，這兩個指標是不能夠判斷材料和基體是否發生分層斷裂的，基本上是沒有實際意義的。

那么這兩個指標由什么意義呢？他們能夠做橫向比較，即幾種材料做成同樣的幾何性狀，以同種加載方式進行實驗，這樣可以比較出幾種材料之間的優劣。這種優劣表現只限于當材料做成這種結合形狀，且受這種特定加載時，粘結強度的表現。至于防水層測試不同角度剝離強度為什么會不同？就在于三種基本類型的斷裂模式。

理解粘結理論，對于理解材料測試方法，解決實際工程的防水材料粘結強度提供了理論的依據。在實際工程中，容易理解為何防水層講究單面粘結而不是雙面粘結，對于地下底板預鋪反粘技術也是粘結理論的應用。