粘著型高分子防水層力學(xué)特征與防水效能探討

1、全國(guó)中文核心期刊新型建筑材新型建筑材料 P&Q 粘著型高分子防水層力學(xué)特征與防水效能探討蔣雅君，楊其新（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院隧道及地下工程系，四川成都 N!.)!）摘要：通過(guò)分析高分子材料拉伸的典型力學(xué)特征，并對(duì)粘著型高分子防水材料在隨基層裂縫擴(kuò)展而伸長(zhǎng)狀態(tài)下的邊界條件進(jìn)行分析，引入了平面應(yīng)力和小孔平板拉伸的彈性力學(xué)模型，以得出防水層中的應(yīng)力解析解，并對(duì)裂縫處防水材料剝離區(qū)的形成條件進(jìn)行探討。分析結(jié)果表明，防水層與基層之間的粘結(jié)強(qiáng)度須小于材料屈服強(qiáng)度的 !()，才能在基層裂縫擴(kuò)展過(guò)程中形成剝離區(qū)，保持防水層的完整性和防水效能。為保證該類型防水材料的防水效能，應(yīng)主要從降低防水層與基層的粘結(jié)強(qiáng)

2、度、提高材料自身的屈服強(qiáng)度及施工質(zhì)量等方面采取措施。關(guān)鍵詞：高分子防水材料；動(dòng)防水效能；力學(xué)特征；剝離中圖分類號(hào)： *+,-文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： $文章編號(hào)： !.!/-.01（0.,）.2/.3./.3 !#$%&$(*45 6789:; 65594:5? :65?8:; C5?5 :;D5EF:5G 94:E5;= A 7;:5 =6?5= :89?/7?5 C5?5 5=6:H;8=45E H B55?:;8D8B 645 HIE:? 9E8G 68 A 645 ;:5?J*45 :;689 =6?5= =;I68 :68 9E868 A H;8=65?8B :?5: A 645 C:65?7?

3、A ;:5? :6 645 =865 A H:=5 9?:9K= C5?5 E8=9I=5E C864 64:6J*45 ?5=I;6= =4C 64:6 645 L:;I5 A HE8B =6?5B64 H56C55 C:65?7?A ;:5? :E H:=5 =4I;E H5;C 5/648?E A 645 85;E =6?5:65?8:; 8 H;8=65?8B :?5: :E K557 645 I:B5E =6:65 :E C:65?7?A 5AA89855:=I?5= =4I;E H5 6:K5 6 K557 645 C:65?G 7?A 5AA89855? C:65?7?A ;:5

4、? :8; 89;IE8B ?5EI98B HE8B =6?5B64 H56C55 C:65?7?A ;:5? :E H:=5F89?5:=8B 85;E =6?5:65?8:; :7?L8B 645 MI:;86 A 9=6?I9685? C:65?7?A :65?8:;；E89 C:65?7?A8B 5AA8985594:89= 94:?:965?=；H;8=65?8B粘著型高分子防水層是將液狀高分子成膜材料或高分子大多數(shù)高分子材料在適宜的溫度和拉伸速率下（等速拉防水卷材鋪設(shè)到防水基面上，形成與基面粘結(jié)緊密的致密防水伸），所表現(xiàn)出來(lái)的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖 !所示 !#。層。其顯著特點(diǎn)是由于防水

5、材料本身的拉伸力學(xué)特性，防水層可以跟隨基層裂縫的擴(kuò)展而伸長(zhǎng)變形，可以在一定的延伸范圍內(nèi)維持防水層的完整而保證防水體系不失效。因此，高分子材料的力學(xué)性質(zhì)在很大程度上決定其防水性及施工要求。 !高分子材料拉伸的力學(xué)特性高分子材料的拉伸力學(xué)分析理論目前已經(jīng)比較成熟，本文僅對(duì)拉伸過(guò)程中具有代表性的現(xiàn)象和力學(xué)特性進(jìn)行闡述。收稿日期： 0.,/.N/.!作者簡(jiǎn)介：蔣雅君，男， !2O!年生，博士研究生，主要研究方向?yàn)樗淼琅c地下工程防排水技術(shù)。圖 !高分子材料的應(yīng)力 應(yīng)變曲線曲線的起始階段（ $%段）應(yīng)力與應(yīng)變成正比，形變?cè)谕饬Τ啡ズ罂赏耆謴?fù)。到達(dá) %&段后，試樣抵抗形變的能力下降，有形變加速的趨勢(shì)。 &

6、點(diǎn)為屈服點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)以后，在應(yīng)力不變的情況下，產(chǎn)生較大的變形，除去應(yīng)力后，材料不能恢復(fù)原樣。屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為屈服應(yīng)力或屈服強(qiáng)度 !，與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)3. 新型建筑材料 !#$%蔣雅君，等：粘著型高分子防水層力學(xué)特征與防水效能探討 變稱為屈服伸長(zhǎng)率 !。分布。由于在 !方向上防水層為無(wú)限長(zhǎng)，因此認(rèn)為 !方向上防材料屈服后，在曲線的 #段，試樣拉伸截面出現(xiàn)細(xì)頸現(xiàn)水層的位移為 +。通過(guò)以上假定，可將防水層隨基層裂縫擴(kuò)展象，應(yīng)力又持續(xù)上升，最后在 #點(diǎn)斷裂。 #點(diǎn)的應(yīng)力為斷裂抗而受到拉伸的過(guò)程視為彈性力學(xué)中的平面應(yīng)力問(wèn)題。并通過(guò)拉強(qiáng)度 $，應(yīng)變?yōu)閿嗔焉扉L(zhǎng)率 !$（防水材料指標(biāo)簡(jiǎn)稱抗拉強(qiáng)限定的邊

7、界條件，可以解出防水層的應(yīng)力分布如式（ )）所示 %/，度及延伸率）。式中 %為材料的泊松比。 01%基面鋪設(shè)防水層后，基層收縮導(dǎo)致裂縫擴(kuò)大時(shí)，防水層 !1% .1&0.1&0!1&!.1 !#$同時(shí)受到外力拉伸，這一動(dòng)態(tài)連續(xù)變化與上述拉伸曲線情況相似。當(dāng)外力小于屈服強(qiáng)度時(shí)，在裂縫收縮而消除外力后，防（)）+水層可恢復(fù)原狀；外力超過(guò)屈服點(diǎn)時(shí)，則防水層不能恢復(fù)原狀；外力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，材料達(dá)到斷裂伸長(zhǎng)率，則防水層破裂。因此，高分子防水層有效的工作應(yīng)力范圍是屈服強(qiáng)度，而不是斷裂抗拉強(qiáng)度 %&。 &防水層拉伸過(guò)程的力學(xué)分析 &()防水層隨裂縫擴(kuò)展而拉伸的過(guò)程的簡(jiǎn)化文獻(xiàn) %*認(rèn)為粘著型高分子防水層與基

8、面密貼結(jié)合，當(dāng)基面受溫度下降或其它因素影響而產(chǎn)生裂縫時(shí)，在初始階段裂縫的擴(kuò)展寬度 !+!+，忽略防水材料的零變位現(xiàn)象，此時(shí)防水層不受拉伸作用。當(dāng)基面裂縫擴(kuò)展寬度達(dá)到一定量值 !時(shí)，裂縫處防水層的狀態(tài)如圖 &所示。裂縫擴(kuò)展范圍內(nèi)的防水層參與拉伸，假定拉伸過(guò)程中防水層體積不變，由于截面縮小而將在無(wú)約束的垂直方向上收縮，防水層底部彎曲，形成一個(gè)半徑為 且與水平線的起始夾角為 #的圓弧，當(dāng)裂縫擴(kuò)展到一定范圍后， 大大小于防水層的厚度 #。圖 &防水層隨基面裂縫擴(kuò)展而伸長(zhǎng)的狀態(tài)裂縫擴(kuò)展過(guò)程中，防水層隨之受到拉伸，裂縫處防水層截圖 *平面應(yīng)力問(wèn)題模型的建立在防水層中取出一微條 #0%如圖 *（2）所示 進(jìn)

9、行分析，并由應(yīng)力疊加原理可知 !對(duì)防水材料 0方向的拉伸沒(méi)有影響，在只考慮 0的情況下，并由于 33#，可認(rèn)為圖 &所示裂縫處防水材料的拉伸符合含小圓孔平板的拉伸問(wèn)題（如圖 /所示），可運(yùn)用其應(yīng)力分布規(guī)律來(lái)進(jìn)行防水層的應(yīng)力分析。圖 /含小圓孔平板拉伸示意彈性力學(xué)中平板拉伸小圓孔孔邊應(yīng)力分布如式（ &）所示，孔邊的環(huán)向和徑向應(yīng)力分布趨勢(shì)見(jiàn)圖 4%/。 面也將不斷縮小，防水層底層圓弧化情況持續(xù)加強(qiáng)。 #變化區(qū)間為%$ ,&+，變化區(qū)間為 %-! , &，此后防水層底層將向類橢%51&5#1+#1%（)6&789&#）（&）圓弧發(fā)展。若防水層持續(xù)受到拉伸，防水層將由于底層水平應(yīng)力集中或材料本身的局部

10、缺陷，在裂縫范圍處形成裂紋而撕裂。 &(&力學(xué)模型的建立以基層裂縫形成中心處為軸心，取出有效作用范圍 $內(nèi)的防水層，如圖 *所示，并建立圖中所示坐標(biāo)系。認(rèn)為在 $范圍內(nèi)防水層隨基層擴(kuò)展而受到均勻拉應(yīng)力 %，且 %沿裂縫方向（圖中 !軸方向上）和防水層厚度方向（ .軸方向上）也均勻圖 4孔邊環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力分布趨勢(shì)!# $%&(&!) *+, -&+./) 蔣雅君，等：粘著型高分子防水層力學(xué)特征與防水效能探討 因此可得出圖 !所示 點(diǎn)處垂直方向上（產(chǎn)生剝離的方向）的受力狀態(tài)如圖 #所示。其中 !隨 !的大小而變化，其規(guī)律如圖 $（%）所示。 !在垂直方向上產(chǎn)生剝離力 !剝，防水層與基層之間的粘

11、結(jié)力 !粘和 !剝的差值決定了防水層是否產(chǎn)生剝離。圖 #裂縫處防水層的受力狀態(tài) !&裂縫擴(kuò)展過(guò)程中防水層的受力狀態(tài)分析（見(jiàn)圖 (）由拉伸情況可知， !變化區(qū)間為 )*， + !,。在此區(qū)間內(nèi)由式（!）可知，當(dāng) !-*時(shí) !取最大值，且此時(shí) !剝 -!，即最大剝離強(qiáng)度為 。在裂縫形成的初始階段，可認(rèn)為在 #*趨近于 *時(shí)，防水層不受拉伸作用，此時(shí)防水層底部接近為水平狀態(tài)，即 !約為 +!（圖 (%）。隨裂縫的擴(kuò)展， !也將逐漸減小。由式（ !）知，當(dāng) !減小到 +#以內(nèi)時(shí)，將在 點(diǎn)處產(chǎn)生垂直方向上剝離力，且隨 !的減小 !剝也將逐漸增加，至 !-*時(shí)（此時(shí)在防水層的底部形成一個(gè)半圓形的圓?。瑢?/p>

12、達(dá)到最大的剝離強(qiáng)度值 ，如圖 (（.）所示，同時(shí)圓弧水平頂點(diǎn)處的水平應(yīng)力值為 。在裂縫開(kāi)展過(guò)程中，若始終有 !粘/!剝，則防水層不產(chǎn)生剝離區(qū)，參與拉伸作用的防水層范圍不變，如圖 (（0）所示。 !圖 (裂縫擴(kuò)展過(guò)程中防水層與基面粘結(jié)處的受力狀態(tài)減小到為 *時(shí)，得到最大的剝離力，若仍然無(wú)法滿足 !剝/!粘，則防水層不產(chǎn)生剝離區(qū)。裂縫處防水材料將繼續(xù)隨基層裂縫的開(kāi)展而繼續(xù)變形，圓弧將變形為橢圓弧，孔邊水平方向的應(yīng)力持續(xù)加大，應(yīng)力集中現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，對(duì)防水材料的拉伸造成不利的影響。若 !減小到一定值時(shí)，出現(xiàn) !粘1!剝，則防水層可形成一定寬度 #剝的剝離區(qū)， !將再度增加，一直到滿足 !粘 -!剝?yōu)?/p>

13、止，如圖 (（2）所示。參與拉伸作用的防水層范圍增加，在同樣的裂縫擴(kuò)展寬度 #3下，防水材料中的應(yīng)變將得到有效降低，材料進(jìn)入屈服階段的速度和程度都將得到緩解。 !&4力學(xué)模型適用條件的討論以上的力學(xué)模型和其應(yīng)力求解是在一定簡(jiǎn)化條件下得到的，因此該力學(xué)模型具有一定的適用范圍。彈性力學(xué)中，式（!）的適用條件是 $/$%。在裂縫形成和擴(kuò)展的初始階段，由于 %遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 $，因此式（ !）不適用。但此時(shí)防水層拉伸的程度也很低，防水層由于拉伸造成的損傷很輕微，可以認(rèn)為該延伸范圍內(nèi)防水材料不出現(xiàn)屈服。即認(rèn)為在裂縫擴(kuò)展的過(guò)程中，防水層可安全過(guò)渡到 $/$%的狀態(tài)，此時(shí)可運(yùn)用式（ !）進(jìn)行應(yīng)力求解。這是以防水材

14、料具有一定的抗拉強(qiáng)度或延伸率4! 新型建筑材料 !#$%為基礎(chǔ)的。在裂縫持續(xù)擴(kuò)展的過(guò)程中，如果防水層受到的剝離力一直小于粘結(jié)力，即防水材料無(wú)法產(chǎn)生剝離區(qū)，則裂縫范圍處的防水材料底層缺口將由圓弧向橢圓弧發(fā)展，防水層底部的水平應(yīng)力集中現(xiàn)象加劇，這是不希望出現(xiàn)的情況。此時(shí)防水層中的應(yīng)力分布也已經(jīng)不符合式（ !）的形式。 粘著型高分子防水層防水效能的探討 &5形成剝離區(qū)的條件如何使防水層形成一定范圍的剝離區(qū)，使得在基層裂縫擴(kuò)展過(guò)程中，降低參與拉伸的防水層材料的應(yīng)變，以減緩防水材料進(jìn)入屈服階段的程度和速度便成了保證防水層防水效能的關(guān)鍵因素。從以上討論可知，要形成剝離區(qū)，則防水層與基面的粘結(jié)強(qiáng)度不能過(guò)大。

15、在剝離強(qiáng)度最大 )圖 (（.）,的情況下，要求此時(shí) 點(diǎn)處的剝離應(yīng)力要大于粘結(jié)強(qiáng)度，形成剝離區(qū)，避免孔邊水平應(yīng)力進(jìn)一步集中。此時(shí)防水層底部的孔邊最大水平拉伸應(yīng)力為剝離應(yīng)力的 倍，若要保證防水層受到最大水平拉伸應(yīng)力不能超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度 #6，可以得到防水材料屈服蔣雅君，等：粘著型高分子防水層力學(xué)特征與防水效能探討 強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度之間的關(guān)系式： /結(jié)語(yǔ)!& ()!粘（(）由此得知，粘著型高分子防水材料與基面的粘結(jié)強(qiáng)度在粘結(jié)型高分子防水材料隨基層裂縫擴(kuò)展而伸長(zhǎng)過(guò)程中，材料屈服強(qiáng)度的 %(以內(nèi)時(shí)，即可保證在隨基面裂縫擴(kuò)展過(guò)如何保證其在屈服應(yīng)力范圍內(nèi)的工作性能是材料動(dòng)防水效程中產(chǎn)生剝離區(qū)。該結(jié)論建立在本

16、文第 *部分所提出的力學(xué)能的重要指標(biāo)。文中對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了彈性力學(xué)范圍內(nèi)的分模型的基礎(chǔ)上。析，并從保證防水層材料的防水效能出發(fā)，得出以下結(jié)論：但是粘結(jié)強(qiáng)度也不能無(wú)限地小，否則在施工過(guò)程中就會(huì)（%）防水材料的有效工作應(yīng)力范圍應(yīng)在屈服強(qiáng)度內(nèi)，才出現(xiàn)氣泡和夾層，導(dǎo)致材料和基面不密貼，影響防水效能 +,。能保證材料發(fā)生可恢復(fù)的彈性變形，有效地維持防水效能；且如果防水材料在基面為垂直或倒置情況下使用時(shí)（如隧道（*）提高防水材料的抗拉強(qiáng)度或者降低防水材料與基面工程的防水中），粘結(jié)強(qiáng)度太低則會(huì)導(dǎo)致防水層在自重作用的粘結(jié)強(qiáng)度，可以在裂縫擴(kuò)展過(guò)程中形成一定范圍的剝離下便產(chǎn)生剝離的情況，因此在確定材料粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，必

17、須滿區(qū)，對(duì)保證防水層防水效能有益；足材料在自重作用下仍然能保證和基面粘結(jié)緊密的要求，這（(）降低防水材料與基面的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，需要考慮施工需要根據(jù)防水層的使用厚度和材料密度等指標(biāo)來(lái)確定粘結(jié)的需要，以及能滿足材料在自重作用下不自動(dòng)剝離的要求，強(qiáng)度的下限。 不可無(wú)限制地降低粘結(jié)強(qiáng)度。(-*提高防水層防水效能的措施（/）限于篇幅和研究的深度，本文沒(méi)有對(duì)以下問(wèn)題進(jìn)行通過(guò)以上討論可知，提高粘著型高分子防水層的防水效探討： 基層裂縫擴(kuò)展后續(xù)過(guò)程中防水材料斷裂過(guò)程的塑性能可以通過(guò)施工要求、材料自身特性這幾個(gè)方面的措施來(lái)實(shí)力學(xué)和斷裂力學(xué)機(jī)理； #不同類型的高分子防水材料（如強(qiáng)現(xiàn)：硬型、強(qiáng)韌型、軟韌型和軟弱型）在

18、拉伸過(guò)程中不同的力學(xué)特（%）施工時(shí)保證防水層具有一定的均勻厚度，以在裂縫性，對(duì)于防水層產(chǎn)生剝離區(qū)的影響。擴(kuò)展時(shí)，參與拉伸作用的防水材料截面足夠大，可以起到緩沖的作用，降低防水層中的拉伸應(yīng)力。參考文獻(xiàn)： （*）防止防水層中的孔洞、局部缺陷的出現(xiàn)及小顆粒物+%,韓冬冰，王慧敏 -高分子材料概論 -北京：中國(guó)石化出版社， *$(的存在，以避免出現(xiàn)局部應(yīng)力集中的情況，減小防水層從缺(!0(1陷處開(kāi)裂的幾率。+*,謝先 -高分子特性與防水材料 -中國(guó)建筑防水， *$，（.）：/$0/*（(）根據(jù)施工基面的不同，通過(guò)調(diào)節(jié)材料配方，降低防水+(,黃金榮 -建筑防水技術(shù)新概念 0零變位原理 -建筑知識(shí)， %11#，（/）： 材料和基面的粘著強(qiáng)度，以便更容易形成剝離區(qū)?；蛘呖稍?.0*#基面預(yù)先鋪設(shè)或涂刷一層隔離層 +.,，同樣可以達(dá)到降低防水+/,王光欽，丁桂保，劉長(zhǎng)虹，等-彈性力學(xué) -北京：中國(guó)鐵道出版社， 層和基面粘結(jié)強(qiáng)度的目的。*$/：#(0#.（/）防水材料需具有一定的抗拉強(qiáng)度和延伸率 +可借鑒式+,袁大偉 -防水層剝離成因原理 -中國(guó)建筑防水， %11#，（）：%$0%*（(）的關(guān)系式 ,，在隨裂縫擴(kuò)展時(shí)可以保證形成剝離區(qū)而使得+.,程曉，俞志強(qiáng) -從材料的動(dòng)防水性談?dòng)凶冃瘟芽p地下工程墻面的材料工作應(yīng)力低于屈服強(qiáng)度。 防滲 -中國(guó)建筑防水， %