柔性防水材料的抗開裂性及其影響因素的試驗研究

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柔性防水材料的抗開裂性及其影響因素的試驗研究王瑩1，關銳1，項樺太2（1.深圳市建築科學研究院，廣東深圳518031；2.浙江工業大學，浙江杭州310014）在建築工程中，混凝土隨溫濕度變化、脹縮變形、不均勻荷載、及化學反應等都會導致開裂。建築砂漿、砌塊牆體也會因溫濕度的變化、應力集中而產生裂縫。當建築物的基層牆體、樓板或地下室底板發生開裂時，使得粘附於基層表面的防水材料受拉應力作用而發生破壞，尤其是剛性防水材料，容易受基層變形的影響而導致防水層的開裂，直接影響其防水功能。那麼，對於本身具有一定延伸能力的柔性防水塗料或防水卷材，是否能抵禦基層的開裂呢? 當基層開裂時，其隨基層開裂的形態又如何呢?1 防水材料的抗開裂性能在防水工程中，當防水材料（卷材）空鋪時，因材料本身具有一定的延伸性，基層的開裂對其不會產生大的影響，不會使防水層發生破壞，但一旦因材料局部破壞或搭接不好，而發生進水，就很容易在防水材料的底部產生竄水現象，導致防水失敗。為避免串水現象的發生，目前，很多防水工程推薦採用滿粘滿鋪的施工方式，由此，當基層混凝土或砂漿發生開裂時，粘附於基層表面的防水材料受拉應力作用而被拉伸，防水材料的拉伸實際上是一種原位拉伸，亦即初始長度為零或接近零時的材料拉伸性能，即零延伸。研究防水材料的抗開裂性能，實際也就是研究防水材料的零延伸性能。零延伸的概念在業界已被議論多時，水泥基剛性防水材料較為脆硬，很多時候因自身收縮或基層開裂而易引起材料本身開裂，使得防水失效；而柔性防水材料雖然具有良好的延伸性，但因材料粘附於基層表面，基層開裂時，表現出的是零延伸，所以被認為即使材料本身有一定的延伸率，但當基層開裂時，材料亦隨之破壞，或僅有微小的延伸率，而不具備真正的抗基層開裂能力。由於缺少相應的試驗數據，柔性防水材料良好的抗開裂能力亦少了理論依據。因此，本課題主要通過專門的試驗方法，採用目前市場上最常用的幾種柔性防水材料，研究其抗開裂性能，即防水層破壞前，基層開裂的最大寬度的試驗，並通過防水材料的拉力、延伸率、粘結強度的試驗，找出其對應關係，研究柔性防水材料本身性能及粘結性能對材料抗開裂性能的影響。2 試驗2.1 試驗用防水材料本試驗共選用水固化單組分聚氨酯防水塗料、濕固化單組分聚氨酯防水塗料、雙組分聚氨酯防水塗料、聚合物水泥防水塗料、反應型聚合物水泥防水塗料、聚合物乳液防水塗料等6 種防水塗料；以及2 mm厚無胎體自粘卷材、3 mm 厚玻纖胎改性瀝青防水卷材、3 mm 厚聚酯胎改性瀝青防水卷材、1.5mm厚三元乙丙片材等4 種防水卷材。2.2 防水塗料的性能試驗分別製備1 mm和2 mm厚度的防水塗料膜片，在溫度為（23±2）℃，濕度為45%～70%的標準條件下養護14 d 後制樣，進行防水塗料的拉伸強度和伸長率試驗；採用「8」字型水泥砂漿塊製備粘結性試件，在標準條件下養護14 d，進行防水塗料的粘結強度試驗。2.3 防水卷材的性能試驗將防水卷材制樣後進行拉力、伸長率試驗；製備卷材與砂漿板的粘結試件，自粘卷材採用加底塗後自粘的方式粘貼，三元乙丙片材採用粘結劑粘貼，標準條件下放置14 d 後，進行剪切粘結性能試驗。2.4 抗裂性試驗採用4 mm厚石棉水泥板作為基板，板面積為50 mm×180mm，將防水塗料或防水卷材塗刷或粘貼在基材板上，塗刷或粘貼面積為50 mm×160 mm。每種塗料的塗刷厚度分別為1 mm和2 mm，自粘卷材在粘貼前，在基板上塗刷底塗，三元乙丙片材採用粘結劑粘貼，試件成型後，在標準條件養護14 d。試驗前，使水泥板在中心部位沿橫向斷裂，用拉力試驗機的夾具，夾住基材板二端未塗刷或粘貼防水材料的部位，以200 mm/min 的速度，進行拉伸試驗。當防水材料發生破壞時，即停止拉伸，測出基材板被拉開的寬度，即防水材料的抗基層開裂的寬度。3 試驗結果與分析3.1 防水塗料的基本性能與抗開裂性能的關係表1 為防水塗料的拉伸、粘結性能與基層開裂寬度的對應關係。

由於防水塗料與基層具有良好的粘結性，當基層開裂時，塗料隨基材一起被拉長，而塗料被拉伸的部位集中在基材開裂的位置，即防水塗料在初始長度為1 mm 以內的部位被拉伸。由此可見，塗料本身的伸長率直接影響開裂寬度的大小。由表1 可以看出，Y- 6 塗料具有最大的伸長率，所以其抗開裂的性能最佳，而Y- 4 和Y- 5 塗料的延伸率相對較小，其抗開裂的性能也相對較弱。因此，相同厚度防水塗料的伸長率越大，其抗基材開裂寬度也越大。另外，防水塗料與基材的粘結強度也對開裂寬度產生一定影響，粘結強度越大，意味著在拉伸區域以外的塗料受基層的約束越大。當發生拉伸時，拉應力完全集中在基板開裂位置的拉伸區域內，使得拉伸過程中防水塗料發生破壞的時間提前，即基板開裂寬度減小；而當防水塗料與基層的粘結強度較小時，拉伸過程中，拉伸區域外側的塗料會與基層脫開，從而使被拉伸區域範圍擴大，即初始長度增加，使得最終的拉伸長度也增加。因此，上述材料中，聚氨酯防水塗料的拉伸性能較聚合物水泥防水塗料要好，且Y- 2 和Y- 3 的粘結強度較聚合物水泥防水塗料要低，故其對應的開裂寬度比聚合物水泥防水塗料要大，而聚合物乳液防水塗料的延伸率最高，且其粘結強度最低，所以聚合物乳液防水塗料所表現出的抗開裂性能最好。再者，材料本身的厚度對開裂寬度的影響較大。從表1 可以看到，2 mm 厚的防水塗料均較1 mm 厚的同種塗料的抗基層開裂寬度要大，也即表示了單位體積的塗料被拉伸。塗料沿拉伸方向的長度增加，其厚度變小，隨著拉力的持續，塗料厚度逐漸變薄，直至破壞。因此塗料越厚，開裂寬度也越大，其抗開裂的性能也將越好，反之當塗料很薄時，當基層開裂時，塗料很容易發生破壞。3.2 防水卷材的基本性能與抗開裂性能的關係表2 為防水卷材的拉伸性能、剪切粘結性能與開裂寬度的對應關係。

由表2 可見，防水卷材具有較大的拉伸強度，較小的粘結力，及優異的抗開裂性能。拉伸時，卷材受力後被拉長的同時，卷材與基層板的粘結也被慢慢剝離，其拉伸強度越大、粘結力越小，卷材與基板越易脫開。由於防水卷材自身的拉力和伸長率均較大，而其與基層的粘結力相對較小，所以當基材被拉伸時，粘附於基層板表面的卷材與基層逐漸分離，卷材的拉伸區域的長度不斷增加，使得卷材具有更強的延伸性。因此，當基層開裂寬度達到相當程度時，卷材並未因基層的開裂而產生破壞，而僅僅是卷材與基層面脫開，說明卷材抗基層開裂性能相當好。4 結論（1）柔性防水材料具有良好的抗開裂性能，防水卷材較防水塗料更能抵擋基層的開裂。（2）柔性防水材料的抗開裂性能，主要取決於材料的厚度或塗膜厚度及材料的拉伸性能和粘結性能。材料的厚度越大，其抵抗開裂的能力越強，而材料的伸長率越大，其抗開裂性能也越好，但粘結性能越好，其受基層的約束就越大，材料拉伸時越接近於零伸長，所以材料越易產生破壞。（3）對柔性防水塗料而言，伸長率較大，並保證一定厚度的防水材料（如聚氨酯防水塗料、聚合物乳液防水塗料），因其具有較好延伸性，而粘結強度相對較小，所以，其抗開裂性能較優越，能抵禦基層結構安全以內的混凝土開裂，而不至發生防水層破壞。而聚合物水泥防水塗料，因其延伸率相對較小，而粘結強度較高，其抗基層開裂的性能就相對較弱，按JC/T894—2001 標準，其Ⅰ型聚合物水泥防水塗料的延伸率要求大於200%，Ⅱ型塗料的延伸率要求大於80%，因此，Ⅰ型塗料抗開裂性能基本能滿足需要，而Ⅱ型塗料，由於其優良的粘結性能，在建築防水工程中被廣泛地應用，尤其是外牆防水，Ⅱ型聚合物水泥防水塗料的延伸率一般在100%左右，而在實際施工中，其乳液與粉料或水泥的比例往往與試驗有一定的差異，使得塗膜延伸率可能更低。因此必須對實際使用中材料的抗開裂性能作出評估，尤其當塗膜厚度小於1 mm 或不符合施工要求時，塗料隨基層開裂的可能性較大。（4）防水卷材具有優良的拉伸性能，及較低的粘結強度，因此，即使採用滿粘滿鋪的施工工藝，也不會因基層的開裂而導致卷材的破壞，其抗基層開裂性能優異。