屋面防水材料在高原環(huán)境下的適用性對(duì)比研究

王越 張壽紅 姜海濤 王天亮 韓英

摘? 要：目前，為了新型防水材料在高原地區(qū)的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考和選材建議，該文將凍融循環(huán)、太陽(yáng)輻射等高原環(huán)境因素考慮進(jìn)試驗(yàn)測(cè)定了4種不同防水材料的拉伸性能、不透水性能、低溫柔性、低溫彎折性、耐候性和粘滯性等物理力學(xué)性能。通過(guò)綜合對(duì)比4種防水材料各種指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，將噴涂和成型非固化橡膠瀝青防水涂料組合后，在各種物理力學(xué)性能上優(yōu)于單一的材料和SBS防水材料，可有效解決搭縫開裂、與基面接觸等問(wèn)題;可應(yīng)用于異型結(jié)構(gòu)處，對(duì)防水薄弱環(huán)節(jié)有較好的防護(hù)作用;可抵御不利條件自身的老化和性能削弱。因此，可將該組合防水材料作為高原氣候條件下的首選材料應(yīng)用于青藏高原房建工程屋面防水工程中。

關(guān)鍵詞：新型防水材料? ?凍融循環(huán)? ?太陽(yáng)輻射? ?物理力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：O 319.56? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2021）08（b）-0008-09

Comparative Study on the Applicability of Roofing Waterproof Materials in Plateau Environment

WANG Yue1? ?ZHANG Shouhong1? JIANG Haitao1? WANG Tianliang2，3? HAN Ying1

（1.China Railway Qinghai-Tibet Group Co.， Ltd.， Xining， Qinghai Province， 810000 China; 2.State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures Jointly

Built by the Ministry of Transport， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei Province，

050043 China; 3.Key Laboratory of Roads and Railway Engineering Safety Control of Ministry

of Education， Shijiazhuang Tiedao University， Shijiazhuang， Hebei Province， 050043 China）

Abstract： At present， in order to provide data reference and material selection suggestions for the engineering application of new waterproof materials in plateau areas， this paper takes the plateau environmental factors such as freeze-thaw cycle and solar radiation into account， and measures the physical and mechanical properties of four different waterproof materials， such as tensile properties， impermeability， low-temperature flexibility， low-temperature bending， weather resistance and viscosity. Through a comprehensive comparison of the various indicators of the four waterproof materials， by comprehensively comparing the various indicators of the four waterproof materials， it is found that the combination of spraying and forming non-curing rubber asphalt waterproof coating is better than a single material and SBS waterproof material in various physical and mechanical properties. It can effectively solve the problems of seam cracking and contact with the base surface; it can be applied to special-shaped structures， which has a better protective effect on the weak links of waterproof; it can also resist the aging and performance weakening of adverse conditions. Therefore， the combined waterproof material can be used as the first-choice material under plateau climate conditions in the roof waterproofing project of the Qinghai-Tibet Plateau house construction project.

Key Words： New waterproof material; Freeze-thaw cycle; Sun radiation; Physical and mechanical properties

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，青藏鐵路站場(chǎng)附近生產(chǎn)生活用房屋面在采用SBS卷材防水設(shè)計(jì)下，由于環(huán)境原因防水卷材存在損傷及加速老化問(wèn)題。在正常使用周期5年左右，屋面漏水現(xiàn)象普遍存在，在接縫和異型部位處開裂漏水情況尤為嚴(yán)重;防水層與基層粘接不牢，導(dǎo)致SBS卷材接縫處有防水層風(fēng)揭問(wèn)題[1]。

高原環(huán)境下防水材料的失效主要與自身的耐久性有關(guān)，李志國(guó)[2]對(duì)材料耐久性機(jī)理進(jìn)行歸納總結(jié)，在提高材料耐久性方面建議使用新的高耐久性材料與現(xiàn)有材料復(fù)合的形式，這給高原地區(qū)復(fù)合防水材料的使用提供了參考依據(jù)。目前，工程防水主要應(yīng)用傳統(tǒng)防水材料（如防水卷材和防水涂料）和一些新型防水材料（如非固化橡膠瀝青防水涂料）。劉瑜等[3]分別對(duì)傳統(tǒng)防水材料和新型防水材料的優(yōu)缺點(diǎn)及適用性進(jìn)行總結(jié)，并通過(guò)實(shí)例證明了非固化橡膠瀝青具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。葛洋洋[4]對(duì)現(xiàn)場(chǎng)SBS改性瀝青卷材進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化試驗(yàn)，從實(shí)際工程案例角度評(píng)價(jià)了材料的耐久性。趙志文[5]針對(duì)內(nèi)蒙古寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)，制備出新型電氣石負(fù)離子粉/SBS復(fù)合改性瀝青防水卷材并進(jìn)行相關(guān)物理性能試驗(yàn)，得出具有優(yōu)良拉伸性能、低溫柔性、耐熱性、不透水性及抗剝離性。目前研究表明：在高原環(huán)境條件下，材料性能老化和耐久性降低是多種因素耦合作用下的結(jié)果，戈兵[6]總結(jié)了在熱氧、紫外線、水以及耦合條件下SBS改性瀝青的老化機(jī)理、性能變化及特性并建議加強(qiáng)水老化和耦合老化的研究。叢培良[7]研究在光熱耦合作用下SBS改性瀝青的老化，得出隨溫度升高和紫外光強(qiáng)度增大后，耦合效應(yīng)對(duì)材料老化影響增大。

目前，對(duì)SBS防水卷材各方面性能的研究較多，但針對(duì)新型防水材料的研究較少，該文根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研選取目前防水材料領(lǐng)域出現(xiàn)的一些新材料、新工藝，進(jìn)行高原氣候條件下的材料物理力學(xué)性能試驗(yàn)，為新型防水材料在高寒地區(qū)工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考和選材建議。

1? 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)選取4種目前國(guó)內(nèi)防水材料市場(chǎng)上具有代表性的產(chǎn)品，見表1所示。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方案

該試驗(yàn)結(jié)合工程實(shí)際需要，根據(jù)GB/T328《建筑防水卷材試驗(yàn)方法》[8]的要求，擬進(jìn)行如下幾種典型性能測(cè)定：斷裂伸長(zhǎng)率（拉伸性能）、透水性、低溫柔性、低溫彎折性、耐候性（人工氣候老化，凍融循環(huán)和太陽(yáng)輻射）、粘滯性（自密自愈性）[10]。具體試驗(yàn)方案見表2、表3所示。

1.3 主要儀器設(shè)備

根據(jù)所需測(cè)定的防水材料典型性能，選擇電動(dòng)防水卷材不透水儀、電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)WDW-20M、低溫彎折儀、低溫柔性檢測(cè)器、自密檢測(cè)器（自制）等設(shè)備進(jìn)行材料性能測(cè)定試驗(yàn)，以上設(shè)備均可滿足試驗(yàn)要求。

2? 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 斷裂伸長(zhǎng)率

拉伸性能試驗(yàn)均在規(guī)定的冷凍溫度（T=-20 ℃、

-30 ℃、-40 ℃）以及凍融循環(huán)次數(shù)（DR=1、5、10、15、20）結(jié)束后常溫狀態(tài)下檢測(cè)，其中拉伸速率控制為100 mm/min。拉伸性能試驗(yàn)測(cè)算每種防水試樣80個(gè)，累計(jì)320個(gè)。其中，斷裂伸長(zhǎng)率計(jì)算公式為：

η=ΔL/L×100%（1）

式中，ΔL表示試樣拉伸長(zhǎng)度變化量（mm）;L表示試樣標(biāo)距/長(zhǎng)度，該試驗(yàn)中統(tǒng)一標(biāo)距值140 mm。

以A材料（噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料）拉伸試驗(yàn)過(guò)程為例，見圖1所示。不同材料斷裂伸長(zhǎng)率變化見圖2所示。

通過(guò)圖2對(duì)比發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)對(duì)于4種不同類型防水材料的拉伸性能影響很小或基本無(wú)影響，其影響程度對(duì)于常溫基準(zhǔn)狀態(tài)斷裂伸長(zhǎng)率而言可忽略不計(jì)，即4種材料的拉伸性能在短期內(nèi)基本不受凍融循環(huán)的影響。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，C材料斷裂伸長(zhǎng)率主要浮動(dòng)在300～400區(qū)間，相比于A材料拉伸性能而言，組合試件拉伸性能有明顯的下降，結(jié)合圖3分析認(rèn)為，B材料對(duì)A材料有輕微“融腐作用”，導(dǎo)致噴涂材料在強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率指標(biāo)上有所損耗，而A材料自身強(qiáng)度較低、斷裂伸長(zhǎng)率較小，最終組合試樣斷裂伸長(zhǎng)率相比單一A材料有所降低。

2.2 不透水性

不透水性試驗(yàn)所用試樣的凍融循環(huán)次數(shù)和冷凍溫度與2.1節(jié)試驗(yàn)試樣相同，檢測(cè)壓力為0.3 Mpa。檢測(cè)過(guò)程中D材料依照規(guī)范進(jìn)行裝樣測(cè)定，對(duì)于A、B、C等材料改進(jìn)裝樣方式，具體為檢測(cè)裝樣過(guò)程中，在待檢試樣與固定壓板之間放置方孔金屬紗網(wǎng)，紗網(wǎng)大小與待檢試樣等大，紗網(wǎng)孔徑為2 mm，金屬紗網(wǎng)下端放置試驗(yàn)薄濾紙以便于觀測(cè)是否滲水。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：凍融循環(huán)對(duì)于D材料的不透水性能僅有較小影響且不透水性合格，即45 min表面無(wú)滲水、漏水甚至噴水現(xiàn)象，見圖7所示。A材料（試樣厚度為（1.5±0.2）mm）、B材料（試樣厚度為（1.7±0.2）mm）兩種單一防水材料的透水性能部分試件出現(xiàn)漏滲現(xiàn)象，滲水時(shí)間接近規(guī)范要求達(dá)標(biāo)時(shí)間的一半左右，具體見圖4、圖5。對(duì)于C材料，不透水性能得到大大改善，試樣檢測(cè)中氣壓穩(wěn)定基本無(wú)損失且均未出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，C材料防水性能達(dá)標(biāo)，具體見圖6。

2.3 低溫柔性

低溫柔性試驗(yàn)均在規(guī)定的冷凍溫度（T=-10 ℃、

-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃）環(huán)境中恒溫凍結(jié)12 h后在低溫狀態(tài)快速檢測(cè)進(jìn)行。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低溫冷凍對(duì)于A、B、C材料的低溫柔性影響較小，除客觀“柔度”略有降低外，在繞卷后表面無(wú)可見裂紋;D材料在凍結(jié)條件下低溫柔性整體較好，在-40 ℃時(shí)材質(zhì)表面出現(xiàn)微裂紋，見圖8所示。

2.4 低溫彎折性

低溫彎折性試驗(yàn)所用試樣的凍結(jié)溫度和試驗(yàn)條件與2.3節(jié)試驗(yàn)試樣相同，均在低溫狀態(tài)下快速檢測(cè)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低溫冷凍對(duì)于B、C材料的低溫彎折性幾乎無(wú)影響，在彎折后表面無(wú)裂紋;對(duì)于D材料的低溫彎折性僅有較小影響，部分出現(xiàn)微裂縫且為其表面薄膜塑料，防水材料主體性能良好，具體見圖9;A材料在-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃環(huán)境下低溫彎折性隨著溫度降低柔性性能弱化，其表現(xiàn)與低溫柔性近似，降低至-40 ℃時(shí)出現(xiàn)脆性斷裂，圖10為部分典型試驗(yàn)結(jié)果。

2.5 耐候性

試驗(yàn)采用屋面試塊為600 mm×600 mm的正方形，由8 cm厚底層混凝土層、5 cm厚泡沫混凝土層、3 cm厚砂漿層和防水材料層組成。耐候性試驗(yàn)包括凍融循環(huán)及正溫期間模擬太陽(yáng)輻射，冷凍及融化時(shí)間均持續(xù)12 h，冷凍溫度選用上述各試樣指標(biāo)合格的溫度限值-30 ℃，輻射強(qiáng)度控制為400 W/m2。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：4種防水材料耐候性均比較穩(wěn)定，表面無(wú)明顯老化現(xiàn)象，但B材料在低溫凍結(jié)時(shí)表面硬化，在正溫輻射期內(nèi)表面軟化程度增加，在該種模擬環(huán)境下表面無(wú)法快速成型硬化，長(zhǎng)期處于軟黏狀態(tài)，強(qiáng)度較低。耐候性試驗(yàn)時(shí)C材料上增加耐候性輔助板巖層，可以減小太陽(yáng)輻射對(duì)材料的影響，具體見圖11、圖12、圖13、圖14。

2.6 粘滯性（自密自愈性）

粘滯性試驗(yàn)中，將材料用尖銳物刺穿破壞后低溫冷凍處理，檢驗(yàn)其在低溫環(huán)境下的自愈自密能力，凍結(jié)完成后檢驗(yàn)靜水壓力下的透水性，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)觀察試樣透水性以及透水量。粘滯性試驗(yàn)部分測(cè)算每種防水試樣12個(gè)，累計(jì)48個(gè)。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，4種材料的自愈能力強(qiáng)弱順序?yàn)椋篊>B>A>D。

3? 防水材料指標(biāo)對(duì)比分析總結(jié)

基于以上對(duì)4種不同材料物理力學(xué)性能的對(duì)比試驗(yàn)，將材料性能指標(biāo)對(duì)比排序見表4所示。

（1）拉伸性方面：A、B、C、D材料斷裂伸長(zhǎng)率分別穩(wěn)定在400～500區(qū)間、40～50區(qū)間、300～400區(qū)間、60～70區(qū)間。

（2）不透水性方面：試驗(yàn)壓力0.3 Mpa條件下，A材料加壓后30 min前后部分試樣出現(xiàn)漏水現(xiàn)象;B材料加壓后25 min左右部分試樣出現(xiàn)滲水現(xiàn)象;C材料的透水性能得到有效改善，在加壓45 min期間內(nèi)均無(wú)滲水、漏水現(xiàn)象;D材料加壓后45 min內(nèi)一直處于良好狀態(tài)，無(wú)漏水滲水現(xiàn)象;C和D材料總體不透水性能表現(xiàn)良好。

（3）低溫柔性和彎折性方面：4種材料在這兩項(xiàng)指標(biāo)上表現(xiàn)相似，A材料在-40 ℃時(shí)柔性指標(biāo)上無(wú)明顯裂縫，彎折時(shí)斷裂;B材料在不同低溫下性能穩(wěn)定且達(dá)標(biāo);C材料在-40 ℃時(shí)材料表面無(wú)損、無(wú)可見彎折裂痕;D材料在-40 ℃時(shí)表面塑料膜微裂，內(nèi)部主體材質(zhì)無(wú)損。

（4）耐候性方面：除B材料在該模擬條件下其表面長(zhǎng)期處于軟粘狀態(tài)，表面有程度不大的老化特點(diǎn)。由于檢測(cè)周期的限定，短期內(nèi)A、C、D這3種材料在該項(xiàng)指標(biāo)上表現(xiàn)較為穩(wěn)定，隨著凍融過(guò)程及輻射過(guò)程進(jìn)行，材料表面穩(wěn)定性較好無(wú)明顯老化行為。因此，在模擬高原環(huán)境下試樣防水材料的耐候性僅能證明在試驗(yàn)周期內(nèi)無(wú)破壞。

（5）粘滯性方面：A、C材料在尖銳物刺穿后凍結(jié)期間可較好地自愈，凍結(jié)后恢復(fù)至常溫并安裝在滿水容器口倒置，均無(wú)漏水現(xiàn)象;B、D材料在尖銳物刺穿后凍結(jié)期間自愈性較差，凍結(jié)后恢復(fù)至常溫并安裝在滿水容器口倒置，可觀察到明顯的滴水現(xiàn)象。但由于D材料強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他3種防水材料，因此在自愈性指標(biāo)上應(yīng)考慮該因素的影響。

4? 結(jié)論與選材建議

針對(duì)4種防水材料，利用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M高原低溫凍融氣候，從材料試驗(yàn)性能角度出發(fā)，綜合對(duì)比各項(xiàng)指標(biāo)，可得到以下結(jié)論。

（1）由于C材料之間有較好的粘結(jié)性，相比于D材料搭縫粘結(jié)處易劣化開裂特點(diǎn)，該組合材質(zhì)可有效解決搭縫開裂問(wèn)題。

（2）由于C材料有較大斷裂拉伸性能，該性能可較好解決柔性防水材料和剛性混凝土變形系數(shù)差異大的問(wèn)題。

（3）由于C材料低溫柔性以及低溫彎折性能良好，該材料結(jié)合了A材料斷裂拉伸性良好以及B材料柔性特點(diǎn)，因此不易產(chǎn)生彎折裂痕可有效防止外界水在失效部位侵入。同時(shí)，由于柔性較好可更方便地應(yīng)用于建筑表面的通風(fēng)口、煙囪等異型結(jié)構(gòu)處，對(duì)防水薄弱環(huán)節(jié)可有較好的防護(hù)作用。

（4）耐候性試驗(yàn)周期內(nèi)，C材料耐候性穩(wěn)定，可有效抵御太陽(yáng)輻射及低溫凍融條件下材料老化和性能削弱，進(jìn)而可滿足高原地區(qū)屋面防水性能要求。

綜上，建議高原氣候條件下，首選C材料（噴涂&成型非固化橡膠瀝青防水涂料組合），次選D材料（SBS防水材料）。而A材料（噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料）以及B材料（成型非固化橡膠瀝青防水涂料）由于其自身性能特點(diǎn)只有部分指標(biāo)滿足高原氣候環(huán)境下工程需要，在試驗(yàn)過(guò)程中諸多指標(biāo)表現(xiàn)不足，故不建議單獨(dú)使用。

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