探討防水層粘結(jié)強(qiáng)度物理因素

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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(huì)不同？當(dāng)基層含有裂紋的時(shí)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(jí)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(gè)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(huì)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(gè)裂紋（裂縫）擴(kuò)展的問題。等效示意圖如圖1。一個(gè)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(duì)這個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)指標(biāo)個(gè)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(duì)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(gè)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(duì)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(huì)開裂。以上三種模型，a和防水層的直接剝離測(cè)試方法相同、b和地下側(cè)墻回填土對(duì)防水層的拉拽而導(dǎo)致防水層下沉模型相同、c對(duì)應(yīng)搭接邊解封破壞模型相同。我們來看最簡(jiǎn)單的情況，I型張開開裂，可以用一些參數(shù)計(jì)算對(duì)應(yīng)的GIC。對(duì)于上下粘結(jié)層同質(zhì)的材料最簡(jiǎn)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(zhǎng)度，Pc臨界應(yīng)力（就是做垂直剝離實(shí)驗(yàn)時(shí)得到的臨界應(yīng)力）請(qǐng)注意這個(gè)GIC不是由E，b，a，h，Pc決定的，當(dāng)b，h，a變化時(shí)，Pc也會(huì)有對(duì)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(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)度），a初始裂紋長(zhǎng)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(zhǎng)度），a初始裂紋長(zhǎng)度，α和n由柔度插值法而得。C是柔度。這個(gè)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(duì)裂紋尖端的單元進(jìn)行逐個(gè)計(jì)算，如圖3以上只是對(duì)最簡(jiǎn)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(shí)候要求解這個(gè)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(gè)適用于混合型斷裂的判別準(zhǔn)則，這個(gè)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(duì)分層斷裂（脫粘）問題的表征。下面說一下大家測(cè)的防水層的拉拔強(qiáng)度和剝離強(qiáng)度。首先，這兩個(gè)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(cè)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(gè)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(gè)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(shí)，粘結(jié)強(qiáng)度的表現(xiàn)。至于防水層測(cè)試不同角度剝離強(qiáng)度為什么會(huì)不同？就在于三種基本類型的斷裂模式。理解粘結(jié)理論，對(duì)于理解材料測(cè)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(duì)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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［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(zhǎng)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