高原環(huán)境條件下屋面各結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)變及防水層破壞機理研究

王 越， 周程明， 趙裕良， 姜海濤， 馬曉光

(中國鐵路青藏集團有限公司，青海 西寧 810000)

青藏高原房建工程常規(guī)屋面結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，屋面結(jié)構(gòu)層在高原環(huán)境下會因為凍融循環(huán)等作用出現(xiàn)材料損傷和加速老化、防水層與基層粘接不牢、SBS卷材竄水等問題，會直接導(dǎo)致屋面滲水等病害。

圖1 鐵路用房建常規(guī)屋面結(jié)構(gòu)

針對現(xiàn)場存在問題并結(jié)合相關(guān)研究進行分析：田威[1]通過研究凍融循環(huán)下混凝土的物理力學(xué)性能及損傷演化規(guī)律，得出凍融次數(shù)增加后混凝土微損傷逐步加劇，微裂紋也逐漸貫穿，導(dǎo)致表面開裂；另外混凝土在高原氣候環(huán)境下容易受到多因素耦合作用產(chǎn)生劣化現(xiàn)象[2]，這些不僅會使得防水層與基層粘接程度降低，還會產(chǎn)生穿刺作用，導(dǎo)致防水層失效。青藏高原強紫外線會造成防水材料老化，尤其是在光熱耦合作用下，隨溫度和光強增加，SBS改性瀝青材料老化越嚴(yán)重[3]。SBS防水材料隨溫度升高，吸水速率會逐漸增加[4]，這對在高溫、強降雨和大風(fēng)共同作用下的防水材料有較大影響，很容易導(dǎo)致粘接性失效而產(chǎn)生風(fēng)揭現(xiàn)象。由于高原氣候條件與平原地區(qū)有很大的不同，具有輻射強度高、日照長、氣溫低、積溫少、氣溫隨高度和緯度的升高而降低等特點，目前針對高原氣候環(huán)境下屋面防水層失效破壞原理及治理措施的研究較少，僅有一些關(guān)于防水材料在施工技術(shù)和應(yīng)用經(jīng)驗方面的探討。本文結(jié)合目前防水層和屋面結(jié)構(gòu)層的研究現(xiàn)狀，模擬凍融循環(huán)、風(fēng)、太陽輻射和降雨等試驗條件，研究在多因素共同作用下，屋面結(jié)構(gòu)層和防水層溫度應(yīng)變變化規(guī)律，分析防水層病害產(chǎn)生的原因和演化機制。

1 大構(gòu)件屋面模型制作及試驗方案

1.1 屋面模型尺寸確定

結(jié)合現(xiàn)場屋面結(jié)構(gòu)遇到的一些工程問題，在原屋面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過改善結(jié)構(gòu)并使用新型復(fù)合防水材料，得到試驗所用屋面模型，如圖2所示。

圖2 試驗用屋面模型結(jié)構(gòu)(新結(jié)構(gòu))

模型尺寸為長2 000 mm×寬1 200 mm×分層高度(①8 cm的鋼筋混凝土屋面層+②5 cm的水泥粉煤灰找坡層+③5 cm的擠塑苯板保溫層+④2 cm水泥砂漿找平層+⑤防水材料層)，根據(jù)屋面模型尺寸進行加工制作試驗試樣。

1.2 模型的加工與制作

屋面模型加工與制作按照圖2所示的結(jié)構(gòu)進行，并在加工過程中在①～④層埋設(shè)振弦溫度傳感器，傳感器的位置如圖3(a)所示，沿長向和寬向進行布置；在第⑤層(防水層)上粘貼BX120-60AA應(yīng)變片，在防水層沿屋面長度方向上對稱的選取4個點(如圖3(b)所示)，每個點粘貼2枚應(yīng)變片，分別測該點沿長向和寬向應(yīng)變。

圖3 傳感器平面布置(單位：mm)

首先澆筑模型最底層的鋼筋混凝土層，在澆筑過程中根據(jù)預(yù)設(shè)的位置埋設(shè)TST3801振弦傳感器；澆筑完成后進行灑水養(yǎng)護，待混凝土達到規(guī)定的強度標(biāo)準(zhǔn)后再進行頁巖粉煤灰找坡層的施工，屋面結(jié)構(gòu)的坡度設(shè)計為2.5%，傳感器的位置同樣按照預(yù)設(shè)的位置埋設(shè)；待找坡層達到強度后再進行保溫層施工，保溫層鋪設(shè)在找坡層上面，用保溫釘固定防止移動，傳感器按照預(yù)設(shè)的位置埋設(shè)在保溫板內(nèi)；然后進行水泥砂漿找平層施工并埋設(shè)傳感器，施工完成后進行灑水養(yǎng)護，待達到強度再進行防水層施工，屋面結(jié)構(gòu)①～④層的施工如圖4、圖5所示。防水材料選擇新型防水材料和傳統(tǒng)防水材料并進行組合形成復(fù)合防水材料，如圖6和圖7所示。

圖4 鋼筋混凝土層澆筑 圖5 屋面模型澆筑完成

圖6 速凝橡膠瀝青防水涂料+成型非固化橡膠瀝青

圖7 非固化橡膠瀝青防水涂料+SBS防水卷材及傳感器布置

1.3 方案設(shè)計及試驗過程

試驗方案設(shè)計如下：凍融循環(huán)，-25 ℃凍結(jié)24h、20 ℃融化24 h，循環(huán)次數(shù)為9次。大氣風(fēng)速，10 m/s。太陽輻射強度，800 W/m2。雨水沖刷為定時定量向屋面灑水，6 h/次，2.5 L/次，正溫時進行。防水類型：①2.0 mm厚成型非固化橡膠瀝青防水涂料(上層，防水涂料與板巖顆粒經(jīng)輥壓結(jié)合而成)+噴涂2.0 mm速凝橡膠瀝青(下層)；②刮涂2.0 mm熱熔非固化橡膠瀝青防水涂料(上層)+3.0 mm厚SBS防水卷材(下層，聚酯胎Ⅱ型)。

根據(jù)試驗方案設(shè)計將屋面模型置于高低溫環(huán)境試驗艙內(nèi)，施加凍融循環(huán)、風(fēng)、太陽輻射、降水等高原環(huán)境因素，屋面模型試驗條件設(shè)置如圖8所示，且在模型的底面布設(shè)蛇形銅管并循環(huán)正溫冷凍液(20 ℃)模擬屋內(nèi)的溫度條件。

圖8 試驗裝置

正式開始試驗后，通過TST3801振弦采集系統(tǒng)記錄屋面模型鋼筋混凝土層、頁巖粉煤灰找坡層、擠塑苯板保溫層和水泥砂漿找平層所設(shè)測點的應(yīng)變和溫度，通過TST3822EW靜態(tài)測試分析系統(tǒng)記錄防水層所設(shè)測點處的應(yīng)變。對所測得的數(shù)據(jù)進行分析，得出屋面防水結(jié)構(gòu)層在凍融、太陽輻射、降雨和大風(fēng)等高原環(huán)境條件下的破壞機理。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 屋面模型結(jié)構(gòu)層應(yīng)變變化

屋面模型結(jié)構(gòu)層分為六層：鋼筋混凝土層、頁巖粉煤灰層、擠塑板保溫層、水泥砂漿層、屋面防水層和保護層。由于保溫層的材質(zhì)，所以只考慮這一層的溫度，并不考慮應(yīng)變。成型非固化防水層屋面結(jié)構(gòu)在9次凍融循環(huán)作用下沿寬向應(yīng)變變化如圖9所示。

圖9 9次凍融循環(huán)作用下沿寬向應(yīng)變變化

如圖9所示，在9次凍融循環(huán)中，每個循環(huán)各結(jié)構(gòu)層應(yīng)變變化趨勢基本相同。在凍結(jié)過程中，應(yīng)變呈現(xiàn)先升高后降低的過程。在融化過程中，鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層應(yīng)變呈現(xiàn)先升高后降低的過程，兩者應(yīng)變變化比較接近；而水泥砂漿層的應(yīng)變會出現(xiàn)迅速降低然后再升高的過程。對第8次凍融循環(huán)進行分析，在凍結(jié)過程中，鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層隨著溫度的降低，屋面模型結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)凍脹和收縮，當(dāng)每層的凍脹程度大于在低溫下的收縮程度，屋面模型的應(yīng)變表現(xiàn)為上升的趨勢；當(dāng)模型內(nèi)的水分都被凍結(jié)時，凍脹程度會達到穩(wěn)定，而收縮程度還會逐漸增大，應(yīng)變表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢。在融化過程中，由于溫度逐漸升高，在未達到0 ℃以上時，收縮程度逐漸降低而凍脹程度沒變，屋面模型的應(yīng)變處于逐漸上升的趨勢，當(dāng)模型內(nèi)冰逐漸融化時，凍脹程度逐漸減小，屋面模型應(yīng)變逐漸降低。對于水泥砂漿層的應(yīng)變，正溫融化開始時出現(xiàn)了應(yīng)變的迅速減小，這是由于融化過程中太陽輻射燈開啟后導(dǎo)致水泥砂漿層溫度迅速上升，凍脹量迅速消失，引起水泥砂漿層急劇收縮，隨著艙內(nèi)溫度逐漸升高，該層收縮程度逐漸降低導(dǎo)致應(yīng)變逐漸上升。由圖9可得，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，水泥砂漿層的收縮應(yīng)變逐漸變大，在外界多種環(huán)境因素影響下，引起了水泥砂漿層出現(xiàn)了很大的收縮應(yīng)變，收縮應(yīng)變達到極限時，會引起水泥砂漿層的開裂，導(dǎo)致滲水病害；另外，水泥砂漿層與防水層緊密粘結(jié)，水泥砂漿層的收縮應(yīng)變會使防水層產(chǎn)生拉伸效應(yīng)，進而引起防水材料開裂、粘接程度降低等病害。

如圖10所示：屋面模型沿長向應(yīng)變的增長趨勢與沿寬向的基本一致。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層的收縮應(yīng)變會逐漸增加，這是由于溫度的降低，兩層結(jié)構(gòu)沿長向的收縮程度較大引起的；水泥砂漿層的拉伸應(yīng)變會逐漸降低，收縮應(yīng)變會逐漸上升，這是由于凍脹程度在凍結(jié)剛開始時引起拉伸應(yīng)變的影響在逐漸減弱，而收縮程度在融化過程中引起的收縮應(yīng)變的影響在逐漸增強。

圖10 9次凍融循環(huán)作用下沿長向應(yīng)變變化

如圖11所示，取凍融循環(huán)第9次進行分析，通過對水泥砂漿層沿長向應(yīng)變與沿寬向應(yīng)變進行比較，可以得出屋面模型在升溫過程中收縮應(yīng)變會出現(xiàn)最大值，沿寬向的收縮應(yīng)變最大值明顯高于沿長向收縮應(yīng)變最大值，因此屋面模型水泥砂漿層開裂極有可能是由于沿寬向的收縮應(yīng)變引起的。

圖11 水泥砂漿層沿長向與沿寬向應(yīng)變對比

對9次凍融循環(huán)水泥砂漿層沿寬向收縮應(yīng)變最大值進行對比分析，如圖9所示，每次循環(huán)水泥砂漿層沿寬向收縮應(yīng)變最大值出現(xiàn)在融化階段，隨凍融次數(shù)的增加逐漸上升。第2次凍融循環(huán)到第6次凍融循環(huán)為收縮應(yīng)變快速上升階段，從第7次凍融循環(huán)后收縮應(yīng)變呈現(xiàn)緩慢上升趨勢。具體每次凍融循環(huán)收縮應(yīng)變的增長率如表1所示。可以認(rèn)為隨著凍融次數(shù)的增加，水泥砂漿層收縮應(yīng)變增長率最終會維持在5 %左右，最終會因為收縮變形達到極限應(yīng)變而產(chǎn)生破壞。如圖12所示，對每次凍融循環(huán)水泥砂漿層收縮應(yīng)變最大值進行擬合，得到凍融循環(huán)次數(shù)與收縮應(yīng)變最大值之間的函數(shù)關(guān)系式，既可以預(yù)測凍融循環(huán)條件下破壞的具體周期次數(shù)，還可以為現(xiàn)場屋面水泥砂漿層的服役年限判斷提供數(shù)據(jù)參考。

表1 每次凍融循環(huán)收縮應(yīng)變增長率

圖12 凍融循環(huán)下水泥砂漿層最大收縮應(yīng)變擬合曲線

2.2 屋面模型防水層應(yīng)變變化

從屋面模型防水層上布置的4個應(yīng)變采集點中選擇一個點對其沿長向和沿寬向應(yīng)變進行分析，取本次試驗凍融循環(huán)第8次和第9次過程中所采集的數(shù)據(jù)進行分析，如圖13、圖14所示。兩種屋面模型沿長向和沿寬向應(yīng)變變化趨勢是相同的，在凍結(jié)過程中，應(yīng)變片所測得的沿長向應(yīng)變和沿寬向應(yīng)變都呈上升趨勢，最后會趨于波動狀態(tài)，為拉伸應(yīng)變。由于凍結(jié)過程中試驗艙內(nèi)處于化霜狀態(tài)，溫度升高，導(dǎo)致應(yīng)變降低，可見環(huán)境的變化對防水材料層應(yīng)變影響較大。在融化過程中，應(yīng)變迅速下降，最后也趨于波動狀態(tài)，為收縮應(yīng)變。凍結(jié)過程中產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變明顯大于融化過程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)變，因此冬季防水層受破壞的程度比較大，尤其是在冬季較長的地區(qū)，防水層的使用壽命會明顯的縮短。對比兩種防水材料在凍結(jié)過程中拉伸應(yīng)變的變化，可以看出成型非固化層的拉伸應(yīng)變明顯大于SBS防水卷材，這是由于成型非固化防水材料的柔性大于SBS防水卷材的柔性，在凍結(jié)過程中會有更大的變形，能夠更加適應(yīng)高原寒冷地區(qū)。

圖13 SBS防水層沿長向和寬向應(yīng)變

圖14 成型非固化防水層沿長向和寬向應(yīng)變

2.3 屋面模型各層之間相互作用

2.3.1 防水層和水泥砂漿層

成型非固化防水層和SBS防水層的應(yīng)變變化趨勢基本相似，因此取第6次凍融循環(huán)成型非固化防水層與水泥砂漿層應(yīng)變(沿長向應(yīng)變/沿寬向應(yīng)變)相互作用關(guān)系進行分析，如圖15、圖16所示。

圖15 水泥砂漿層和防水層沿長向應(yīng)變對比

圖16 水泥砂漿層和防水層沿寬向應(yīng)變對比

如圖15所示，在凍結(jié)過程中，水泥砂漿層沿長向的應(yīng)變先于防水層發(fā)生變化，當(dāng)水泥砂漿層應(yīng)變?yōu)檎龝r，防水層應(yīng)變才發(fā)生變化。隨后兩層應(yīng)變會發(fā)生波動，之后逐漸上升，水泥砂漿層應(yīng)變一直大于防水層應(yīng)變，可以認(rèn)為這一階段水泥砂漿層應(yīng)變對防水層應(yīng)變有促進作用。當(dāng)水泥砂漿層應(yīng)變達到峰值后，逐漸下降，處于壓縮狀態(tài)，而防水層應(yīng)變表現(xiàn)為小范圍波動狀態(tài)，表明此階段水泥砂漿層的收縮對防水層的影響與低溫環(huán)境引起的防水層伸長(凍脹)相互抵消。在融化過程中，水泥砂漿層應(yīng)變會迅速下降，這導(dǎo)致防水層應(yīng)變迅速下降，主要是因為水泥砂漿層沿長向的收縮引起防水層的收縮。之后隨著水泥砂漿層收縮應(yīng)變逐漸降低，防水層應(yīng)變處于穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于水泥砂漿層引起的防水層收縮應(yīng)變與融化溫度引起的伸長應(yīng)變相互抵消。當(dāng)水泥砂漿層的應(yīng)變達到穩(wěn)定狀態(tài)時，防水層的應(yīng)變也處于穩(wěn)定狀態(tài)，不再變化。

如圖16所示，在凍結(jié)過程中，水泥砂漿層和防水層沿寬向應(yīng)變幾乎同時發(fā)生變化，兩者應(yīng)變逐漸上升，應(yīng)變變化速率基本一致，不存在相互促進作用；水泥砂漿層應(yīng)變達到最大值(伸長應(yīng)變)后開始逐漸降低，最后達到凍結(jié)過程中的最小值(收縮應(yīng)變)，而防水層沿寬向應(yīng)變也逐漸達到穩(wěn)定，這一階段水泥砂漿層沿寬向應(yīng)變(收縮應(yīng)變)對防水層的影響與外界環(huán)境對防水層的凍脹應(yīng)變相互抵消。融化過程中，兩者變化趨勢與沿長向應(yīng)變的變化基本一致，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3.2 混凝土層和頁巖粉煤灰層

基于兩塊屋面模型鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層材料和構(gòu)造基本相同，以SBS防水卷材屋面模型所測第6次凍融循環(huán)應(yīng)變數(shù)據(jù)對兩層之間相互作用進行分析。試驗結(jié)果如圖17、圖18所示。

圖17 鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層沿長向應(yīng)變對比

圖18 鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層沿寬向應(yīng)變對比

如圖17所示，在凍結(jié)過程中，鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層的應(yīng)變都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，鋼筋混凝土層先達到最大值，主要是鋼筋混凝土層與外界環(huán)境直接接觸，溫度比頁巖粉煤灰層降低更快，因此應(yīng)變會先達到最大值。由于兩層之間有一定粘結(jié)力，鋼筋混凝土層應(yīng)變增大對上層頁巖粉煤灰層應(yīng)變增加有促進作用，之后鋼筋混凝土應(yīng)變降低，處于收縮狀態(tài)，對于頁巖粉煤灰層應(yīng)變的增大有抑制作用，甚至有促進該層收縮變形的作用。在融化過程中，兩層結(jié)構(gòu)也有先增大后減小的趨勢，頁巖粉煤灰的峰值大于鋼筋混凝土的峰值，因為兩者在溫度達到穩(wěn)定后，溫度引起的應(yīng)變基本是相同的，而頁巖粉煤灰層受到來自鋼筋混凝土層的影響變形會增大，峰值會大于鋼筋混凝土層。如圖18所示，鋼筋混凝土層和頁巖粉煤灰層沿寬向的應(yīng)變與沿長向應(yīng)變大致趨勢相同，因此在凍結(jié)過程和融化過程中，兩層之間的相互作用與沿長向應(yīng)變基本一致。

3 結(jié)論

(1)通過對屋面模型各結(jié)構(gòu)層應(yīng)變進行分析，得到水泥砂漿層沿寬向應(yīng)變隨著凍融次數(shù)的增加逐漸增大，在試驗融化階段當(dāng)達到極限開裂應(yīng)變時(未進行準(zhǔn)確測定，僅做定性分析)，會引起收縮開裂，進而對上層防水結(jié)構(gòu)層性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致防水層失效。

(2)對每次凍融循環(huán)下水泥砂漿層沿寬向最大收縮應(yīng)變進行擬合，得到試驗屋面模型水泥砂漿層最大收縮應(yīng)變預(yù)測關(guān)系式。下一步可以根據(jù)現(xiàn)場原型尺寸進行相似模型試驗為現(xiàn)場屋面水泥砂漿層的服役年限判斷提供數(shù)據(jù)參考。

(3)通過對比兩種防水材料在凍融過程中應(yīng)變變化，得出(噴涂速凝橡膠瀝青+成型非固化橡膠瀝青)復(fù)合防水材料在凍結(jié)過程中的拉伸應(yīng)變明顯大于(非固化橡膠瀝青+ SBS防水卷材)復(fù)合防水材料，在凍結(jié)過程中會有更大柔性變形，與SBS防水卷材相比能夠更好的適應(yīng)高原地區(qū)氣候，建議現(xiàn)場應(yīng)用(噴涂速凝橡膠瀝青+成型非固化橡膠瀝青(板巖型))復(fù)合防水材料。

(4)水泥砂漿層對防水層應(yīng)變的改變具有一定影響，推測溫度和水泥砂漿層是導(dǎo)致防水層結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)過程中應(yīng)變(伸長和收縮)交替變化的主要原因。在凍融循環(huán)的不同階段，鋼筋混凝土層對頁巖粉煤灰層應(yīng)變變化會表現(xiàn)出促進或抑制作用。