屋面防水材料在高原环境下的适用性对比研究

王越 张寿红 姜海涛 王天亮 韩英

摘  要：目前，為了新型防水材料在高原地区的工程应用提供数据参考和选材建议，该文将冻融循环、太阳辐射等高原环境因素考虑进试验测定了4种不同防水材料的拉伸性能、不透水性能、低温柔性、低温弯折性、耐候性和粘滞性等物理力学性能。通过综合对比4种防水材料各种指标发现，将喷涂和成型非固化橡胶沥青防水涂料组合后，在各种物理力学性能上优于单一的材料和SBS防水材料，可有效解决搭缝开裂、与基面接触等问题;可应用于异型结构处，对防水薄弱环节有较好的防护作用;可抵御不利条件自身的老化和性能削弱。因此，可将该组合防水材料作为高原气候条件下的首选材料应用于青藏高原房建工程屋面防水工程中。

关键词：新型防水材料   冻融循环   太阳辐射   物理力学性能

中图分类号：O 319.56                      文献标识码：A文章编号：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

现场调研发现，青藏铁路站场附近生产生活用房屋面在采用SBS卷材防水设计下，由于环境原因防水卷材存在损伤及加速老化问题。在正常使用周期5年左右，屋面漏水现象普遍存在，在接缝和异型部位处开裂漏水情况尤为严重;防水层与基层粘接不牢，导致SBS卷材接缝处有防水层风揭问题[1]。

高原环境下防水材料的失效主要与自身的耐久性有关，李志国[2]对材料耐久性机理进行归纳总结，在提高材料耐久性方面建议使用新的高耐久性材料与现有材料复合的形式，這给高原地区复合防水材料的使用提供了参考依据。目前，工程防水主要应用传统防水材料（如防水卷材和防水涂料）和一些新型防水材料（如非固化橡胶沥青防水涂料）。刘瑜等[3]分别对传统防水材料和新型防水材料的优缺点及适用性进行总结，并通过实例证明了非固化橡胶沥青具有极大的社会效益和经济效益。葛洋洋[4]对现场SBS改性沥青卷材进行标准化试验，从实际工程案例角度评价了材料的耐久性。赵志文[5]针对内蒙古寒冷地区的气候特点，制备出新型电气石负离子粉/SBS复合改性沥青防水卷材并进行相关物理性能试验，得出具有优良拉伸性能、低温柔性、耐热性、不透水性及抗剥离性。目前研究表明：在高原环境条件下，材料性能老化和耐久性降低是多种因素耦合作用下的结果，戈兵[6]总结了在热氧、紫外线、水以及耦合条件下SBS改性沥青的老化机理、性能变化及特性并建议加强水老化和耦合老化的研究。丛培良[7]研究在光热耦合作用下SBS改性沥青的老化，得出随温度升高和紫外光强度增大后，耦合效应对材料老化影响增大。

目前，对SBS防水卷材各方面性能的研究较多，但针对新型防水材料的研究较少，该文根据市场调研选取目前防水材料领域出现的一些新材料、新工艺，进行高原气候条件下的材料物理力学性能试验，为新型防水材料在高寒地区工程应用提供数据参考和选材建议。

1  试验概况

1.1 试验材料

该试验选取4种目前国内防水材料市场上具有代表性的产品，见表1所示。

1.2 试验内容及方案

该试验结合工程实际需要，根据GB/T328《建筑防水卷材试验方法》[8]的要求，拟进行如下几种典型性能测定：断裂伸长率（拉伸性能）、透水性、低温柔性、低温弯折性、耐候性（人工气候老化，冻融循环和太阳辐射）、粘滞性（自密自愈性）[10]。具体试验方案见表2、表3所示。

1.3 主要仪器设备

根据所需测定的防水材料典型性能，选择电动防水卷材不透水仪、电子万能试验机WDW-20M、低温弯折仪、低温柔性检测器、自密检测器（自制）等设备进行材料性能测定试验，以上设备均可满足试验要求。

2  试验结果分析与讨论

2.1 断裂伸长率

拉伸性能试验均在规定的冷冻温度（T=-20 ℃、

-30 ℃、-40 ℃）以及冻融循环次数（DR=1、5、10、15、20）结束后常温状态下检测，其中拉伸速率控制为100 mm/min。拉伸性能试验测算每种防水试样80个，累计320个。其中，断裂伸长率计算公式为：

η=ΔL/L×100%（1）

式中，ΔL表示试样拉伸长度变化量（mm）;L表示试样标距/长度，该试验中统一标距值140 mm。

以A材料（喷涂速凝橡胶沥青防水涂料）拉伸试验过程为例，见图1所示。不同材料断裂伸长率变化见图2所示。

通过图2对比发现，冻融循环对于4种不同类型防水材料的拉伸性能影响很小或基本无影响，其影响程度对于常温基准状态断裂伸长率而言可忽略不计，即4种材料的拉伸性能在短期内基本不受冻融循环的影响。

试验发现，C材料断裂伸长率主要浮动在300～400区间，相比于A材料拉伸性能而言，组合试件拉伸性能有明显的下降，结合图3分析认为，B材料对A材料有轻微“融腐作用”，导致喷涂材料在强度及伸长率指标上有所损耗，而A材料自身强度较低、断裂伸长率较小，最终组合试样断裂伸长率相比单一A材料有所降低。

2.2 不透水性

不透水性试验所用试样的冻融循环次数和冷冻温度与2.1节试验试样相同，检测压力为0.3 Mpa。检测过程中D材料依照规范进行装样测定，对于A、B、C等材料改进装样方式，具体为检测装样过程中，在待检试样与固定压板之间放置方孔金属纱网，纱网大小与待检试样等大，纱网孔径为2 mm，金属纱网下端放置试验薄滤纸以便于观测是否渗水。

通过对比发现：冻融循环对于D材料的不透水性能仅有较小影响且不透水性合格，即45 min表面无渗水、漏水甚至喷水现象，见图7所示。A材料（试样厚度为（1.5±0.2）mm）、B材料（试样厚度为（1.7±0.2）mm）两种单一防水材料的透水性能部分试件出现漏渗现象，渗水时间接近规范要求达标时间的一半左右，具体见图4、图5。对于C材料，不透水性能得到大大改善，试样检测中气压稳定基本无损失且均未出现渗水现象，C材料防水性能达标，具体见图6。

2.3 低温柔性

低温柔性试验均在规定的冷冻温度（T=-10 ℃、

-20 ℃、-30 ℃、-40 ℃）环境中恒温冻结12 h后在低温状态快速检测进行。通过对比发现，低温冷冻对于A、B、C材料的低温柔性影响较小，除客观“柔度”略有降低外，在绕卷后表面无可见裂纹;D材料在冻结条件下低温柔性整体较好，在-40 ℃时材质表面出现微裂纹，见图8所示。

2.4 低温弯折性

低温弯折性试验所用试样的冻结温度和试验条件与2.3节试验试样相同，均在低温状态下快速检测。通过对比发现，低温冷冻对于B、C材料的低温弯折性几乎无影响，在弯折后表面无裂纹;对于D材料的低温弯折性仅有较小影响，部分出现微裂缝且为其表面薄膜塑料，防水材料主体性能良好，具体见图9;A材料在-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃环境下低温弯折性随着温度降低柔性性能弱化，其表现与低温柔性近似，降低至-40 ℃时出现脆性断裂，图10为部分典型试验结果。

2.5 耐候性

试验采用屋面试块为600 mm×600 mm的正方形，由8 cm厚底层混凝土层、5 cm厚泡沫混凝土层、3 cm厚砂浆层和防水材料层组成。耐候性试验包括冻融循环及正温期间模拟太阳辐射，冷冻及融化时间均持续12 h，冷冻温度选用上述各试样指标合格的温度限值-30 ℃，辐射强度控制为400 W/m2。试验发现：4种防水材料耐候性均比较稳定，表面无明显老化现象，但B材料在低温冻结时表面硬化，在正温辐射期内表面软化程度增加，在该种模拟环境下表面无法快速成型硬化，长期处于软黏状态，强度较低。耐候性试验时C材料上增加耐候性辅助板岩层，可以减小太阳辐射对材料的影响，具体见图11、图12、图13、图14。

2.6 粘滞性（自密自愈性）

粘滯性试验中，将材料用尖锐物刺穿破坏后低温冷冻处理，检验其在低温环境下的自愈自密能力，冻结完成后检验静水压力下的透水性，在规定时间内观察试样透水性以及透水量。粘滞性试验部分测算每种防水试样12个，累计48个。检测发现，4种材料的自愈能力强弱顺序为：C>B>A>D。

3  防水材料指标对比分析总结

基于以上对4种不同材料物理力学性能的对比试验，将材料性能指标对比排序见表4所示。

（1）拉伸性方面：A、B、C、D材料断裂伸长率分别稳定在400～500区间、40～50区间、300～400区间、60～70区间。

（2）不透水性方面：试验压力0.3 Mpa条件下，A材料加压后30 min前后部分试样出现漏水现象;B材料加压后25 min左右部分试样出现渗水现象;C材料的透水性能得到有效改善，在加压45 min期间内均无渗水、漏水现象;D材料加压后45 min内一直处于良好状态，无漏水渗水现象;C和D材料总体不透水性能表现良好。

（3）低温柔性和弯折性方面：4种材料在这两项指标上表现相似，A材料在-40 ℃时柔性指标上无明显裂缝，弯折时断裂;B材料在不同低温下性能稳定且达标;C材料在-40 ℃时材料表面无损、无可见弯折裂痕;D材料在-40 ℃时表面塑料膜微裂，内部主体材质无损。

（4）耐候性方面：除B材料在该模拟条件下其表面长期处于软粘状态，表面有程度不大的老化特点。由于检测周期的限定，短期内A、C、D这3种材料在该项指标上表现较为稳定，随着冻融过程及辐射过程进行，材料表面稳定性较好无明显老化行为。因此，在模拟高原环境下试样防水材料的耐候性仅能证明在试验周期内无破坏。

（5）粘滞性方面：A、C材料在尖锐物刺穿后冻结期间可较好地自愈，冻结后恢复至常温并安装在满水容器口倒置，均无漏水现象;B、D材料在尖锐物刺穿后冻结期间自愈性较差，冻结后恢复至常温并安装在满水容器口倒置，可观察到明显的滴水现象。但由于D材料强度远高于其他3种防水材料，因此在自愈性指标上应考虑该因素的影响。

4  结论与选材建议

针对4种防水材料，利用室内试验模拟高原低温冻融气候，从材料试验性能角度出发，综合对比各项指标，可得到以下结论。

（1）由于C材料之间有较好的粘结性，相比于D材料搭缝粘结处易劣化开裂特点，该组合材质可有效解决搭缝开裂问题。

（2）由于C材料有较大断裂拉伸性能，该性能可较好解决柔性防水材料和刚性混凝土变形系数差异大的问题。

（3）由于C材料低温柔性以及低温弯折性能良好，该材料结合了A材料断裂拉伸性良好以及B材料柔性特点，因此不易产生弯折裂痕可有效防止外界水在失效部位侵入。同时，由于柔性较好可更方便地应用于建筑表面的通风口、烟囱等异型结构处，对防水薄弱环节可有较好的防护作用。

（4）耐候性试验周期内，C材料耐候性稳定，可有效抵御太阳辐射及低温冻融条件下材料老化和性能削弱，进而可满足高原地区屋面防水性能要求。

综上，建议高原气候条件下，首选C材料（喷涂&成型非固化橡胶沥青防水涂料组合），次选D材料（SBS防水材料）。而A材料（喷涂速凝橡胶沥青防水涂料）以及B材料（成型非固化橡胶沥青防水涂料）由于其自身性能特点只有部分指标满足高原气候环境下工程需要，在试验过程中诸多指标表现不足，故不建议单独使用。

参考文献

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