防水板拉伸性能檢測(cè)研究與分析

馬小峰

（北京中交橋宇科技有限公司，北京 100102）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的進(jìn)步，大量基礎(chǔ)設(shè)施投入建設(shè)，推動(dòng)了各種防水材料的發(fā)展，防水板作為一種常見的防水卷材廣泛應(yīng)用于建筑、交通、市政、水利等領(lǐng)域。防水板是以高分子聚合物為原料經(jīng)過密煉、擠出或壓延等工藝加工而成，具有拉伸強(qiáng)度高，延伸率大等優(yōu)點(diǎn)，在地下工程中要適應(yīng)不同氣候條件下建筑結(jié)構(gòu)沉降、變形，地基不均勻沉降等不利因素，在隧道工程中又要承受因鋪設(shè)基面不平以及綁扎鋼筋等后續(xù)工作被頂破或撕裂的風(fēng)險(xiǎn)。

目前，市場(chǎng)上防水材料品種繁多，質(zhì)量參差不齊，環(huán)境適應(yīng)性不一，主要幾種防水材料物理性能指標(biāo)如表 1 所示［1］，其中建設(shè)者最關(guān)注的性能集中在抗拉強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率兩項(xiàng)指標(biāo)上。

表1 高分子防水卷材物理性能指標(biāo)

1 拉伸性能對(duì)實(shí)際工程的影響

在隧道工程中，防水板所鋪設(shè)的基面是凹凸不平的，當(dāng)遇到較大的起伏或空洞時(shí)，在施做二襯時(shí)會(huì)對(duì)防水板進(jìn)行擠壓，使防水板受拉，易斷裂破壞。另外，基于隧道所處的環(huán)境及其受力特點(diǎn)，隧道修建完畢后應(yīng)力會(huì)重新調(diào)整，從而造成圍巖和初襯向內(nèi)收縮，同樣可能會(huì)對(duì)防水板進(jìn)行擠壓，產(chǎn)生局部拉伸作用［2］。

在地下工程底板施工時(shí)，防水層沒有保護(hù)措施，當(dāng)進(jìn)行鋼筋綁扎和模板支護(hù)過程中，難免會(huì)對(duì)防水板擠壓和拉伸。另外，地下工程長(zhǎng)期承受地下水壓力，當(dāng)?shù)叵滤畨毫ψ兓瘯r(shí)，防水板應(yīng)當(dāng)能夠承受地基不均勻沉降產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)。

隧道及地下工程防水為一次性工程，不像屋面防水可以翻新翻修，一旦出現(xiàn)滲漏，將侵蝕混凝土內(nèi)部鋼筋，使鋼筋銹蝕，改變結(jié)構(gòu)受力狀況，從而會(huì)產(chǎn)生新的裂縫，導(dǎo)致新的滲漏。長(zhǎng)此以往循環(huán)下去，影響結(jié)構(gòu)安全。

從以上可知，在工程施工和運(yùn)營(yíng)期間，眾多因素可能對(duì)防水板產(chǎn)生拉伸效果，造成防水板損壞失去防水作用。因此，做好防水材料檢測(cè)，提高檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，把好防水材料質(zhì)量關(guān)，對(duì)整個(gè)工程具有重要意義。

2 試驗(yàn)

為了更加準(zhǔn)確地檢測(cè)防水板拉伸性能，下面以隧道結(jié)構(gòu)中常見的 EVA 均質(zhì)防水板為例，對(duì)其拉伸狀態(tài)下力學(xué)性能進(jìn)行分析。

2.1 試驗(yàn)儀器

①微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，WDW-10 C 型，精度0.5級(jí)；

②防水卷材測(cè)厚儀，HD-6 型，精度 0.01 mm；

③游標(biāo)卡尺，（0～150）mm，精度 0.01 mm；

④恒溫恒濕箱：BSYH-40C 型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，溫度（23±2）℃，相對(duì)濕度（50±10）%；

⑤裁片機(jī)及啞鈴 1 型裁刀。

2.2 樣品調(diào)節(jié)與制備

試驗(yàn)選用型號(hào)為 JS2-EVA-29m×3m×1.2mm 的防水板，執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 18173.1－2012《高分子防水材料 第 1 部分：片材》，拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率試驗(yàn)按 GB/T 528－2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠 拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》的規(guī)定進(jìn)行。將樣品展平后在恒溫恒濕箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù) 24 h，裁取啞鈴1型試樣，如圖 1 所示，然后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)環(huán)境溫度控制在（23±2）℃。

圖1 啞鈴1型試樣

2.3 試驗(yàn)方法

首先在試樣的中心部位標(biāo)記試驗(yàn)長(zhǎng)度為（25.0± 0.5）mm 的兩條標(biāo)線，把試樣安裝在試驗(yàn)機(jī)的上下夾持器上，保證拉力能均勻地分布在試樣橫截面上，然后用大變形引伸計(jì)的標(biāo)距夾頭夾持在試樣標(biāo)線上。夾持器的移動(dòng)速度設(shè)置在（250±50）mm/min 之間，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)過程中觀察拉力和試驗(yàn)長(zhǎng)度的變化情況。如果發(fā)現(xiàn)試樣在狹窄的部分以外會(huì)發(fā)生斷裂的情況，則舍棄該試樣的試驗(yàn)結(jié)果，并另取一試樣進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將夾持器移動(dòng)速度設(shè)置為 250mm/min，在實(shí)際試驗(yàn)拉伸過程中，產(chǎn)生了如圖 2 所示的曲線。

圖2 拉伸試驗(yàn)曲線

曲線的起始階段，應(yīng)力迅速增大，達(dá)到 A 點(diǎn)時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變成正比，材料所受的形變?yōu)閺椥孕巫?，此時(shí)撤去外力后防水板可恢復(fù)原狀。

當(dāng)應(yīng)力達(dá)到 A 點(diǎn)，材料進(jìn)入屈服階段后，變形增加較快，此時(shí)除了產(chǎn)生彈性變形外，還產(chǎn)生部分塑性變形。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn) B 以后，材料所受的形變?yōu)樗苄孕巫?，此時(shí)撤去外力，防水板不能恢復(fù)原狀。

材料屈服后，在曲線的 BC 階段，在應(yīng)力變化不大的情況下，材料變形迅速增大，試樣拉伸截面出現(xiàn)縮頸現(xiàn)象。曲線從 C 點(diǎn)直到試樣斷裂的 E 點(diǎn)出現(xiàn)兩次變形曲線折返，應(yīng)力又開始快速上升。

由于曲線出現(xiàn)折返的特殊現(xiàn)象，多次進(jìn)行試驗(yàn)，并仔細(xì)觀察了試驗(yàn)過程中試樣和引伸計(jì)的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)啞鈴型試樣的狹窄部分被拉薄，表面變得十分光滑，摩擦力變小，而拉伸速度較快，大變形引伸計(jì)跟不上夾持器的拉伸速度，標(biāo)距夾頭夾持不住試樣，出現(xiàn)下滑現(xiàn)象，造成變形減小。

2.5 試驗(yàn)改進(jìn)與分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18173.1－2012《高分子防水材料第 1 部分：片材》中拉伸速率的規(guī)定，樹脂類防水板夾持器的移動(dòng)速度設(shè)置在（250±50）mm/min 之間，將拉伸速率調(diào)整為 200 mm/min 和 300 mm/min，經(jīng)過拉伸出現(xiàn)了如圖 3 所示的曲線。

圖3 不同速率下拉伸試驗(yàn)曲線

從圖 3 中曲線可知，改變拉伸速率依然不能解決曲線折返、變形減小的問題。問題的關(guān)鍵不在拉伸速率，而是大變形引伸計(jì)的彈簧夾頭。為了解決大變形引伸計(jì)打滑造成變形減小的問題，筆者對(duì)引伸計(jì)標(biāo)距夾頭做了增大摩擦力的特殊處理，并將拉伸速率調(diào)整為 250 mm/min 進(jìn)行了試驗(yàn)，產(chǎn)生了圖 4 所示的曲線。

圖4 優(yōu)化后拉伸試驗(yàn)曲線

從圖 4 拉伸曲線可以看出，在材料塑性變形階段，不再出現(xiàn)變形曲線折返，曲線 CD 階段應(yīng)力又一次快速增大，這是由于試樣的標(biāo)線內(nèi)材料拉伸到一定程度后不再變長(zhǎng)，而試樣標(biāo)線外的材料開始被拉伸，應(yīng)力再次增大。曲線 CD 階段變形不大，是由于在此階段標(biāo)線內(nèi)長(zhǎng)度變化不大，試樣的主要變形為標(biāo)線外材料的伸長(zhǎng)，圖形只顯示引伸計(jì)所夾持的標(biāo)線內(nèi)長(zhǎng)度的變形。

在整個(gè)試驗(yàn)過程中大變形引伸計(jì)的標(biāo)距夾頭始終夾持著試樣標(biāo)距跟隨夾持器勻速運(yùn)動(dòng)，未出現(xiàn)引伸計(jì)回縮現(xiàn)象。優(yōu)化后效果明顯，提升了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.6 試驗(yàn)方法思考

均質(zhì)片防水板拉伸試驗(yàn)的主要問題出在防水板拉斷伸長(zhǎng)率的檢測(cè)。拉斷伸長(zhǎng)率的檢測(cè)通常有兩種方法：一是在試驗(yàn)結(jié)束后，將兩片斷裂的試樣吻合的拼接在一起，通過測(cè)量試驗(yàn)前后兩條標(biāo)線之間的距離計(jì)算拉斷伸長(zhǎng)率；二是通過大變形引伸計(jì)夾持試樣標(biāo)線，拉伸時(shí)實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)長(zhǎng)度的變化，最后直接計(jì)算出拉斷伸長(zhǎng)率。

第一種方法，當(dāng)均質(zhì)片防水板被拉伸后，試樣上面的兩條標(biāo)線也被拉到變形，斷裂時(shí)標(biāo)線已分辨不出來(lái)，因此該種斷后測(cè)量法不適用。本試驗(yàn)采用的是第二種引伸計(jì)法，所使用的大變形引伸計(jì)為機(jī)械接觸式引伸計(jì)，為多數(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)所采用。在試驗(yàn)過程中當(dāng)試樣伸長(zhǎng)時(shí)，重量很輕的引伸計(jì)夾頭跟隨移動(dòng)，當(dāng)試樣被拉變薄時(shí)，表面變得十分光滑。在引伸計(jì)使用過程中，應(yīng)注意引伸計(jì)夾頭移動(dòng)端自身重力以及其與所夾持材料間摩擦力等方面影響，消除影響結(jié)果的不利因素。

此外，目前市場(chǎng)上還有一些非接觸式、光學(xué)應(yīng)變測(cè)量裝置，對(duì)于該類設(shè)備是否能夠滿足檢測(cè)需求，以及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需科研人員進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

防水材料性能的好壞關(guān)系到整體工程質(zhì)量，檢測(cè)結(jié)論的準(zhǔn)確性對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)工程質(zhì)量至關(guān)重要。要想使檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，不僅要考慮環(huán)境因素的影響，還要注重設(shè)備的正確使用。筆者通過對(duì)防水板拉伸試驗(yàn)進(jìn)行研究，將試驗(yàn)工程中細(xì)節(jié)優(yōu)化，提高了檢測(cè)結(jié)論的準(zhǔn)確性，提升了防水材料在實(shí)際工程中的使用效果。