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摘要:文中分析研究了防水層脫粘現(xiàn)象的本質(zhì)和防水層脫粘決定因素,并詳細(xì)介紹了防水層的斷裂強(qiáng)度、拉拔強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度等性能指標(biāo)。
關(guān)鍵詞:防水層;粘結(jié)強(qiáng)度;物理因素;微觀
引言
防水材料粘結(jié)是否牢固在物理上由什么決定?跟哪些因素相關(guān)?防水層粘結(jié)強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度本質(zhì)上是怎樣的指標(biāo),他們跟材料粘結(jié)地牢固與否有什么樣的關(guān)系?為什么不同角度剝離得到的剝離強(qiáng)度會不同?當(dāng)基層含有裂紋的時候粘接強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度為什么有變化?
1防水層脫粘現(xiàn)象的本質(zhì)
首先,脫粘是一種怎樣的現(xiàn)象?脫粘是粘結(jié)層的在外力作用下產(chǎn)生原始微裂紋、進(jìn)行繁殖、合并而成為更大的次級裂紋,最后變成細(xì)觀和宏觀的裂紋(或者叫做裂縫)的過程。也是一個機(jī)械能轉(zhuǎn)化成形變能的過程。傳統(tǒng)力學(xué)是把材料一律看成了理想完整的、均勻的、無缺陷的連續(xù)體,直到發(fā)現(xiàn)很多工程事故中,材料的斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度,說明材料本身的常態(tài)是存在微觀缺陷的。粘結(jié)結(jié)構(gòu)亦是如此,粘結(jié)層在絕大多數(shù)情況下都是存在微觀裂紋的。防水基層和防水層均會出現(xiàn)裂縫,從微觀逐漸發(fā)展成宏觀,最終直接表現(xiàn)是粘結(jié)不牢,甚至脫落。強(qiáng)調(diào)防水層的滿粘效果和防水層要具有柔性,因?yàn)槿嵝苑浪畬幽芪找欢ǖ哪芰?,達(dá)到不開裂,且能粘結(jié)牢固的效果。
2防水層脫粘的決定因素
防水層多層粘結(jié)復(fù)合結(jié)構(gòu)的脫粘,在學(xué)術(shù)上叫做分層開裂(或者叫做分層,delamination),等效模型是一個裂紋(裂縫)擴(kuò)展的問題。等效示意圖如圖1。一個粘結(jié)結(jié)構(gòu)是否脫粘,物理上取決于什么呢?1968年開始學(xué)術(shù)界才對這個問題有了結(jié)論,是取決于斷裂韌性(或稱斷裂強(qiáng)度),用應(yīng)力強(qiáng)度因子Kcritical(單位MPa•m1/2)、J積分或者臨界形變能釋放速率Gcritical(單位N/m)表征這種強(qiáng)度,最先進(jìn)的理論是應(yīng)用臨界形變能釋放速率Gcritical后文縮寫成GC。當(dāng)外力作用下,G由0達(dá)到臨界值Gc,裂紋就擴(kuò)展了。這三個指標(biāo)都是物理本構(gòu)模型參數(shù),不隨加載形式變化而變化,與粘結(jié)結(jié)構(gòu)的試樣、厚度都沒有關(guān)系,就類似于材料的楊氏模量這種參數(shù)。為什么要用斷裂力學(xué)而不用經(jīng)典力學(xué)去解析這個現(xiàn)象呢?因?yàn)榱芽p特點(diǎn)是尖端厚度為0,此處是經(jīng)典力學(xué)中的一個歧義點(diǎn),所以經(jīng)典力學(xué)不能去解析而只能從能量角度考慮該問題。機(jī)械能轉(zhuǎn)化成形變能,形變就包括了裂紋的產(chǎn)生、繁衍、兼并和宏觀裂紋擴(kuò)展。斷裂力學(xué)理論適用于材料本身內(nèi)部裂紋,以及粘結(jié)結(jié)構(gòu)的層內(nèi)、層間裂紋。不但適用于彈性材料,還適用于一定塑性的材料(塑性形變的虛擬裂紋等效)。上圖體現(xiàn)的是防水層粘結(jié)是界面破壞還是內(nèi)聚破壞的原因理論所在,一般剛性越大體現(xiàn)為界面破壞,防水層空鼓、脫落等為此種破壞,柔性的與基層粘結(jié)越牢固,體現(xiàn)為內(nèi)聚破壞。
3防水層斷裂強(qiáng)度如何理解
我們知道外力作用下,決定粘結(jié)結(jié)構(gòu)是否分層斷裂的指標(biāo)是層間斷裂強(qiáng)度。這個指標(biāo)個物理本構(gòu)模型參數(shù),不隨加載形式變化而變化,與粘結(jié)結(jié)構(gòu)的試樣、厚度都沒有關(guān)系。這也是為什么相關(guān)的防水材料規(guī)范、防水施工規(guī)范均對防水層的最薄厚度作了規(guī)定。它不像粘結(jié)強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度那樣,隨著試樣幾何性狀尺寸以及加載形式的變化而變化,事實(shí)上,粘結(jié)強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度是工程參數(shù)。那么如何求解斷裂強(qiáng)度呢?這里還得先引入一個概念,根據(jù)不同的物理過程,分為三種最基本的斷裂類型:I型,II型,III型。三種類型如圖2。任何形式的斷裂都可以分解成這三種基本的類型。三種基本類型對應(yīng)的斷裂強(qiáng)度依次分別為GIC,GIIC,GIIIC,三種基本的臨界形變能量釋放速率。任何形式外力加載下,使G達(dá)到臨界值GC,粘結(jié)結(jié)構(gòu)就會開裂。以上三種模型,a和防水層的直接剝離測試方法相同、b和地下側(cè)墻回填土對防水層的拉拽而導(dǎo)致防水層下沉模型相同、c對應(yīng)搭接邊解封破壞模型相同。我們來看最簡單的情況,I型張開開裂,可以用一些參數(shù)計(jì)算對應(yīng)的GIC。對于上下粘結(jié)層同質(zhì)的材料最簡單最粗略的是理論計(jì)算如下,但是準(zhǔn)確性略低。E彈性模量,b寬度,h厚度,a初始裂紋長度,Pc臨界應(yīng)力(就是做垂直剝離實(shí)驗(yàn)時得到的臨界應(yīng)力)請注意這個GIC不是由E,b,a,h,Pc決定的,當(dāng)b,h,a變化時,Pc也會有對應(yīng)變化,變化后計(jì)算得到的GIC仍然是不變的。它只是能由這些值估算出來。
4如何準(zhǔn)確計(jì)算這個GIC呢?
一般有兩種方式:一是利用有限元模擬做虛擬裂紋模型計(jì)算(VirtualCrackCalibrationTechnology),另一種是通過實(shí)驗(yàn)用柔度插值法(ComplianceCalibration)獲取。通過實(shí)驗(yàn)獲取GIC伴隨著一定的條件假設(shè)。如果試件是細(xì)長的,可以用梁理論近似計(jì)算;如果試件是板型,可以用板殼理論估算。例如梁理論計(jì)算,其中C=A+Ba3PC為臨界應(yīng)力,b試件寬度(必須遠(yuǎn)小于試件長度),a初始裂紋長度,A和B由柔度插值法而得。C是柔度,試件剛度的倒數(shù)。這種估算準(zhǔn)確讀已經(jīng)很高,跟真實(shí)值很接近。再比如Berrymodel,其中C=αdnPC為臨界應(yīng)力,b試件寬度(必須遠(yuǎn)小于試件長度),a初始裂紋長度,α和n由柔度插值法而得。C是柔度。這個模型也是廣泛被學(xué)術(shù)界認(rèn)可的。另外一類計(jì)算彈性能量釋放速率的方法是通過有限元模擬分析,借助虛擬裂紋模型計(jì)算(VirtualCrackCalibrationTechnology),對裂紋尖端的單元進(jìn)行逐個計(jì)算,如圖3以上只是對最簡單的I型張開開裂的斷裂強(qiáng)度計(jì)算,純II型和純III型斷裂也由類似的計(jì)算方式。防水實(shí)際工程中,有單純發(fā)生某一種斷裂類型的情況,更多的是三種基本類型的斷裂模式以一定比例混合發(fā)生。這時候要求解這個混合斷裂強(qiáng)度Gc,它與GIC,GIIC,GIIIC相關(guān)。在得到以上三種臨界形變能釋放速率的基礎(chǔ)上,要加入一些材料因子、比例參數(shù)、半經(jīng)驗(yàn)參數(shù),形成一個適用于混合型斷裂的判別準(zhǔn)則,這個一般形式為f(GIC,GIIC,GIIIC,m,n,k)=0。眾多斷裂力學(xué)領(lǐng)域?qū)<姨岢隽硕喾N準(zhǔn)則,提出的準(zhǔn)則出現(xiàn)在斷裂力學(xué)教材、主流軟件里面,在很多領(lǐng)域都得到了驗(yàn)證和認(rèn)可。
5如何理解防水層的拉拔強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度
上面我們講述了粘結(jié)結(jié)構(gòu)脫粘的本質(zhì),以及對分層斷裂(脫粘)問題的表征。下面說一下大家測的防水層的拉拔強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度。首先,這兩個指標(biāo)都是工程指標(biāo),不是物理上材料的本構(gòu)模型參數(shù)。也就是說他們隨著加載方式、材料的幾何性形等變化而變化。我們測的數(shù)據(jù)實(shí)際是特定的加載方式特定的幾何形狀下的特定強(qiáng)度,不具有普遍意義。根據(jù)上面提到的防水實(shí)際工程中分層斷裂一般以三種基本類型的復(fù)合的形式進(jìn)行,這兩個指標(biāo)是不能夠判斷材料和基體是否發(fā)生分層斷裂的,基本上是沒有實(shí)際意義的。那么這兩個指標(biāo)由什么意義呢?他們能夠做橫向比較,即幾種材料做成同樣的幾何性狀,以同種加載方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這樣可以比較出幾種材料之間的優(yōu)劣。這種優(yōu)劣表現(xiàn)只限于當(dāng)材料做成這種結(jié)合形狀,且受這種特定加載時,粘結(jié)強(qiáng)度的表現(xiàn)。至于防水層測試不同角度剝離強(qiáng)度為什么會不同?就在于三種基本類型的斷裂模式。理解粘結(jié)理論,對于理解材料測試方法,解決實(shí)際工程的防水材料粘結(jié)強(qiáng)度提供了理論的依據(jù)。在實(shí)際工程中,容易理解為何防水層講究單面粘結(jié)而不是雙面粘結(jié),對于地下底板預(yù)鋪反粘技術(shù)也是粘結(jié)理論的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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[2]朱志遠(yuǎn)、楊斌等《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》[S](GB/T16777-2008)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會)(第7章-第14章,第4-15頁)
[3]《彈性體改性瀝青防水卷材》[S](GB18242-2008)(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會)(6.9/6.11/6.15)(第5-第7頁)
[4]劉鴻文等《材料力學(xué)》[M].北京:高等教育出版社,2011。第七章:應(yīng)力和應(yīng)變分析。7.6:位移與應(yīng)變分量。(230-231)7.12-7.13:(248-252)。第十一章:交變應(yīng)力。11.4-11.7:(348-360)
作者:袁長周 王媛麗 林宏偉 林濤 單位: 北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司