腐蝕老化對聚乙烯丙綸卷材搭接區抗拉性能的影響

劉曉慶，王海彥，李君君，孔 超， 任松波，劉傳濤

(1.石家莊鐵道大學 四方學院， 河北 石家莊 051132； 2.南京工業大學 交通運輸工程學院，江蘇 南京 211816；3.石家莊鐵路職業技術學院， 河北 石家莊 050041； 4.西南科技大學 土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010； 5.西南科技大學 工程材料與結構沖擊振動四川省重點實驗室，四川 綿陽 621010； 6.中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300308)

聚乙烯丙綸卷材作為一種高性能防水材料，具有質量輕、韌性好、造價低以及施工便捷等優點，因此被廣泛應用于工程建設的各類防滲領域。然而，該材料在長期服役過程中，環境與服役荷載的綜合作用往往使其出現不同程度的老化問題。調查表明[1-3]，丙綸防水卷材服役期內的老化現象十分嚴重，尤其是搭接部位常常未達到設計年限，就已出現老化破損現象，從而大大降低甚至完全喪失防滲功能。不同的服役環境，防水卷材防滲能力退化速率大不相同，據調查，聚乙烯丙綸卷材搭接區在腐蝕環境(尤其是強氧化腐蝕環境)下的抗滲能力僅能維持1年左右[4]。老化后的防水卷材不僅喪失其主要的防滲能力，同時也會出現抗力、抗變形能力及局部韌性的退化，因此在較低水壓力下，老化作用既可加速防滲材料微裂紋形成與擴展，又能加速其抗滲能力喪失[5-7]。搭接部位由于形狀改變，易引起應力集中；加之膠結材料自身抗腐蝕能力較差，致使其成為服役過程中整個防滲體系的薄弱區域[6-9]。針對該問題，文獻[10-12]采用各類探測技術對不同腐蝕環境與水力梯度下的搭接區與非搭接區的滲透速率進行測試對比，結果發現，在同等腐蝕環境與水力梯度下，非搭接區的抗滲能力遠大于搭接區。文獻[13]對廢液積液池滲漏點進行了統計，發現90%以上滲漏點出現在搭接部位，且隨服役期延長，搭接部位的漏點增多。由此可見，在腐蝕環境的長期侵蝕下，丙綸卷材搭接區更易老化，老化程度越嚴重，低應力下該部位更易失效，抗滲能力喪失的風險也就越大。

在腐蝕介質的長期作用下，聚乙烯丙綸防水層搭接區域會出現大量微觀損傷缺陷。持續發展的損傷缺陷能夠加速防水層的性能退化，使其首先成為抗力薄弱區，即使在低應力下也極易出現局部受拉開裂，乃至滑脫，引發滲漏事故，因此，丙綸材料搭接區腐蝕老化后的抗拉性能將直接影響其抗滲可靠性。目前，針對聚乙烯丙綸卷材搭接部位的腐蝕老化以及老化后的抗力性能研究鮮見報到，而關于既有老化損傷聚乙烯丙綸材料拉伸失效機理的研究尚不多見，且多為定性分析[4,6,7,11]。為厘清腐蝕老化與丙綸搭接區抗拉性能的關系，本文圍繞老化損傷劣化聚乙烯丙綸材料抗拉性能退化問題，開展不同腐蝕老化程度聚乙烯丙綸搭接試件的拉伸試驗，研究腐蝕老化對聚乙烯丙綸卷材(搭接區)抗拉性能的影響，以期為在役聚乙烯丙綸防滲結構的剩余壽命預測與優化設計提供理論支撐。

1 試驗操作

1.1 腐蝕試驗

本研究試驗材料均選用聚乙烯丙綸防水復合卷材(厚度為0.6 mm)，單片與搭接試件為條狀，尺寸分別為50 mm×200 mm、50 mm×300 mm，如圖1(a)、(b)所示。搭接試件采用水泥膠膠結，水泥膠按體積比1∶10∶3(801膠∶水泥∶水)配置，搭接連接長度為100 mm，如圖1(c)所示，搭接區表面采用聚氨酯(0.1 mm)涂層保護。

圖1 聚乙烯丙綸防水復合卷材搭接試件

所有試件的腐蝕老化試驗根據《高分子防水卷材 耐化學液體(包括水)》(GB/T328.16-2007)[14]和《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》(GB/T10125-2012)[15]執行，采用室內加速腐蝕箱進行人工加速老化處理。腐蝕溶液采用質量分數為3%的NaCl溶液與體積濃度為0.5mol/L的稀硝酸混合配置。腐蝕箱內溫度設置為42±0.5 ℃，相對濕度為80%±10%，采用周期浸潤噴淋方式加速老化，噴淋時間與間歇時間均為6小時，以24小時為單位。老化齡期分別設置為6天、12天、18天、24天、30天以及36天，對應實際服役時間分別為1 a、2 a、4 a、8 a、16 a、32 a。腐蝕試驗所得到的典型老化搭接試件如圖2所示。圖2中“BL”為丙綸拼音首字母縮寫，首個數字為腐蝕齡期，其次為平行試件代號，如“BL-1-1”代表丙綸材料第一腐蝕齡期下的第一塊平行搭接試件。

圖2 腐蝕后水泥膠搭接層

1.2 拉伸試驗

在對聚乙烯丙綸卷材試件進行拉伸試驗過程中，考慮到該材料延性顯著，因此，為了準確測量其拉伸過程中的應力應變狀態，所有試件拉伸過程均采用應變加載控制。拉伸試驗設備選用WDW-20型土工布綜合強力機，如圖3所示，試驗過程參考《建筑防水卷材試驗方法 第9部分 高分子防水卷材 拉伸試驗》(GB/T328.9-2007)[16]相關規定，加載速率為200±50 mm/min。

圖3 試片破損示意圖

2 試驗結果分析

通過對未腐蝕與各腐蝕齡期聚乙烯丙綸試件進行靜力拉伸試驗，獲得其應力(荷載)應變(位移)數據，以及各種破壞形式的斷裂試件。

圖4為未腐蝕的單片和搭接試件的靜力拉伸試驗結果。

圖4 未經腐蝕老化處理單片與搭接試件拉伸試驗結果

由圖4(a)可見，單片試件具有較為完整且連續的結構特征，應力應變曲線飽滿，當應力大于其強度極限時，延性撕裂較為明顯。

圖4(b)為未腐蝕搭接試件靜力拉伸試驗結果。由于搭接薄弱區改變了材料自身連續性，即使試件有效搭接長度內存在黏結性能顯著的膠結劑，其延性仍將大幅度退化，極限強度處于低應變區域，且試件能達到的有效變形大大下降。由此可見，搭接區域是導致聚乙烯丙綸防滲體系提前失效的薄弱點，是防滲設計應重點考慮的關鍵區域。

各腐蝕老化齡期搭接試件靜力拉伸荷載位移曲線與試件破壞狀態如圖5所示。

由圖5(a)可見，隨著腐蝕齡期和試件老化程度增加，試件極限強度逐漸降低(破強力下降最大幅度可達75%)，有效伸長率逐漸減小(下降最大幅度可達87%)，即試件的抗拉承載與抗變形能力隨著腐蝕作用逐漸下降。

圖5 卷材搭接試件拉力-位移曲線與斷裂形貌示意圖

由圖5(b)可見，各腐蝕老化齡期試件的斷裂位置均位于搭接區端口，且隨著老化齡期增長，搭接區伸長能力先增強后降低，而搭接面相對滑移程度逐漸顯著。其原因可解釋為：腐蝕初期，片材自身老化程度強于搭接部位，老化后片材強度退化，延性增強，與此同時搭接部位受老化作用影響不大，因此，外力作用下搭接部位幾何突變引起的應力集中是引起試件斷裂失效的主要原因；隨著老化齡期增加，試件搭接部位侵蝕嚴重，層間黏結能力大幅度退化，雖然此時片材自身也已出現嚴重老化，但與搭接區層間黏結強度退化幅度相比，可忽略不計，此時由于試件搭接段黏結能力喪失，導致片材層間滑移開裂，直至破壞失效。

3 腐蝕試件搭接區有效伸長率計算模型

對于搭接材料而言，有效伸長率是準確描述其黏結區變形抗力的重要指標[17-18]。聚乙烯丙綸卷材試件經腐蝕老化處理后，搭接部位黏結強度大幅度降低。在試件拉伸過程中，試驗測量位移值包括兩部分：其一為材料本身發生的彈塑性變形(本研究涉及材料以彈性變形為主)；其二為搭接層剪切滑移。因此，本研究所有試件的有效伸長率可通過下式求得：

η=Δl/l=(l-l0-l′)/l

(1)

式中：η為各腐蝕齡期搭接試件的有效伸長率，%；l為試件伸長后的總長度，mm；l0為試件初始長度，mm；l′為滑移區域以外的伸長量，mm。

利用式(1)計算得到各腐蝕齡期搭接試件的有效伸長率，如表1所示。

表1 各腐蝕齡期搭接試件有效伸長率與抗力水平

表1中給出的同組試驗結果存在一定的離散性，其原因可從兩方面進行解釋：一方面，同組試件的纖維絲空間分布和試件內部應力存在夾角，夾角越大，試件抗力和延伸能力越差；另一方面，搭接區域水泥膠結層厚度薄，統一的加工厚度很難保障，這也將引起試驗結果的差異。對比不同齡期試件的試驗數據可以發現，同組試件的抗力和延伸能力基本上處于相同水平；隨著腐蝕齡期的增加，搭接試件的破強力和有效伸長率均呈遞減趨勢，試驗結果的遞變規律較明顯。

拉伸試件的搭接面積均為0.005 m2，假設試件搭接過程中施工引起的誤差忽略不計，以未經老化處理搭接試件破強力為標定值，利用最小二乘法可擬合建立腐蝕老化作用下聚乙烯丙綸搭接區極限荷載退化模型：

FT=λF0(1-1/T)

(2)

式中：FT為經腐蝕老化處理T天的搭接試件極限荷載，即試驗測量的破強力，kN；F0標定為未經腐蝕老化處理的搭接試件極限荷載，kN；T為腐蝕老化齡期，天；λ為腐蝕環境影響因子，本研究只考慮強氧化劑腐蝕老化，取λ=1，其他腐蝕環境影響因子可根據腐蝕試驗結果測定。

實際工程中，防水卷材作為一種彈性材料，其防滲功能喪失是由初始微裂縫不斷擴展引起的，而初始微裂縫萌生與擴展主要集中在其彈性變形階段，基于文獻[19]，通過對防水卷材的靜力響應參量進行類比分析，建立持續拉伸作用下防水卷材伸長率(η′)與斷裂強度(σ)的關系式：

η′=β(σ/E)=β(FT/E)

(3)

式中：E為卷材搭接部位變形模量，MPa，即靜力拉伸應力應變曲線彈性階段的斜率；β為搭接工藝影響系數，受搭接膠結劑、搭結長度以及施工工藝的影響，可通過試驗方法測定。本研究通過試驗方法測定各腐蝕齡期搭接試件的β值，如表2所示。

表2 各腐蝕齡期聚乙烯丙綸卷材搭接試件β值

由表2可知，老化齡期越長，試件搭接工藝影響系數β值越小，且減小幅度逐漸降低。這可能是搭接區黏結層受腐蝕作用影響，黏結能力逐漸喪失所致。但隨著腐蝕作用加強，黏結層發生氧化作用，形成鈍化層，阻止腐蝕介質入侵，降低了侵蝕速率，因此，隨著腐蝕作用的持續，鈍化層搭接區的黏結機能退化速率逐漸減緩。

綜上所述，作為聚乙烯丙綸防水層薄弱部位的搭接區域，其有效變形能力是決定其抗力性能的重要因素，聯立式(1)、式(2)與式(3)，得到考慮搭接尺寸、工藝以及環境氧化侵蝕綜合作用的聚乙烯丙綸防水卷材搭接區有效伸長率計算模型：

η″=β(λF0(1-1/T)/E)-l′/l

(4)

其中，l′可通過測量非搭接段伸長量來確定。

將不同腐蝕老化齡期丙綸搭接試件靜力拉伸試驗結果代入式(1)和式(4)，其與實測值對比結果如表3所示。

表3 各腐蝕齡期試件搭接區有效伸長率理論值與試驗值對比結果

由表3對比結果可見，由于本文所提出的有效伸長率計算模型是依據各齡期材料及黏結層老化定量設定修正參數，故能有效彌補傳統方法對齡期累積辨識度差的短板。另外，理論計算結果與試驗結果的誤差與材料自身纖維絲空間分布、水泥膠黏結層厚度等因素相關，而本研究考慮了聚乙烯防水卷材搭接尺寸、施工工藝以及環境氧化腐蝕等因素，所以大大降低了不同腐蝕程度卷材搭接區的有效變形結果預測誤差。

由此可見，本文所建立的丙綸防水卷材搭接區有效伸長率計算模型可精確計算不同荷載、不同服役環境下聚乙烯丙綸防水卷材搭接層的有效伸長量，再結合對應設計指標，可精確預測其可靠程度，為服役階段丙綸防水材料的合理有效使用提供理論指導。

4 結 論

1) 對于聚乙烯丙綸搭接試件，由于搭接薄弱區改變了材料自身連續性，受拉過程易引起應力集中，從而造成過早破壞，且斷裂位置集中于搭接端口部位。

2) 腐蝕初期，試件母材老化速率突出，試件破壞多由搭接部位應力集中造成；腐蝕中后期，搭接區黏結層老化嚴重，試件破壞多為剪切力作用下黏結層滑脫所致。

3) 腐蝕老化后，聚乙烯丙綸搭接試件破強力隨老化齡期增加而降低，且降低幅度逐漸減小；老化后搭接試件抗變形能力受搭接尺寸、工藝以及環境氧化侵蝕的綜合影響，老化侵蝕時間越長，試件有效抗變形能力越差，使用功能有效性越低。

4) 搭接試件黏結層在腐蝕氧化過程中逐漸形成的鈍化層可有效阻止腐蝕介質的持續侵入，從而降低腐蝕作用的進一步侵蝕，減緩搭接區黏結機能的退化速率。

考慮搭接尺寸、工藝以及環境氧化侵蝕等因素，構建了聚乙烯丙綸防水卷材搭接區有效伸長率計算模型。通過理論與試驗結果對比，驗證了該計算模型能夠精確預測腐蝕作用下聚乙烯丙綸防水卷材搭接區的有效伸長率，可為在役聚乙烯丙綸防滲結構的剩余壽命預測與優化設計提供理論支撐。