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    高分子自粘胶膜防水卷材粘接性能研究及其影响因素解析
     

     高分子自粘胶膜防水卷材是一种适用于地下、隧道工程的,具备优异的防窜水功能的预铺反粘施工的防水材料。其优异的防水性能与其材料构成有着密切关系。

     
      高分子自粘胶膜防水卷材是一种由高分子片层底膜、自粘胶层、保护涂层三层结构复合制成的防水卷材,产品的基本结构示意如下图1。

    图1:高分子自粘胶膜防水卷材结构示意图

    1.1 高分子层:
      主要成分为高密度聚乙烯,是防水的主结构层。 
    1.2 自粘胶层:
      自粘胶层可与结构混凝土形成满粘,防止地下水在防水层和结构混凝土间窜流。 
    1.3 保护涂层:
      保护涂层起到保护自粘胶层的作用,提供高分子自粘胶膜防水卷材与后浇混凝土的反粘功能,是确保两者牢固粘接的关键。 
    1.4 高分子自粘胶膜防水卷材与混凝土粘接结构:

    图2:高分子自粘胶膜防水卷材与混凝土粘接示意图

      高分子自粘胶膜防水卷材施工时,将高分子自粘胶膜防水卷材的保护涂层一面朝上,HDPE片材在基层上松铺;然后将混凝土直接浇筑在高分子自粘胶膜防水卷材保护涂层上,待混凝土凝固后,卷材与结构混凝土便产生较强的粘附力,形成牢固稳定的结合,与混凝土成为一体,有效的防止窜水的发生。


      自粘胶粘剂以树脂或橡胶为主体材料,配以增粘剂等其他辅料,是一种多成分的混合物。自粘胶粘剂有四大粘合性能,快粘力、粘合力、内聚力和粘基力。 
      这四种力的关系与粘接润湿理论的Young 方程有关。 
      Young 方程也称为润湿方程(图3),它是界面化学基本方程之一。是测定液体热力学表面自由能的方法。

    图3:Young 方程表达式

      液-固界面的润湿现象和吸附现象;
      1)当θ=0,完全润湿;
      2)当θ﹤90°,部分润湿或润湿;
      3)当θ=90°,是润湿与否的分界线;
      4)当θ﹥90°,不润湿;
      5)当θ=180°,完全不润湿。
      粘接力是不同材料分子间的相互吸引作用,材料的表面能决定了这种吸引力的大小。被粘接材料表面能越高,即越容易润湿,则粘接力越大,被粘接材料表面能越低,即越不容易润湿,则粘接力越小。对于高分子自粘胶膜防水卷材而言,自粘胶层对于高分子片层及保护涂层的润湿、铺展效果将直接影响到粘接强度和胶接界面的破坏效果。

      高分子自粘胶膜防水卷材与后浇混凝土的粘接是个复杂的过程,最终的粘接的包括多个界面力,如图4所示:

    图4:高分子自粘胶膜防水卷材与后浇混凝土的满粘示意图

      A:高分子层与自粘胶层的粘接力 
      B:自粘胶层内聚力 
      C:自粘胶层与保护涂层的粘接力 
      D:保护涂层与混凝土层的粘接力 
      这四种作用力相互独立又相互影响,高分子自粘胶膜防水卷材与后浇混凝土的粘接与这四种作用力息息相关,下面将详细讨论这四种作用力的产生原理。 
    3.1 高分子层与自粘胶层的粘接力及影响因素
      从Young 方程可知自粘胶层与高分子片层的润湿效果直接影响两种材料的粘接强度,两者润湿程度越好,则两者贴合越紧密,粘接力越大。高分子片层与自粘胶层的粘接力与两者材料本身的的极性匹配程度和基层平整度有关。高分子片层与自粘胶层都属于高分子材料,两者极性相似,有较好的润湿性能,匹配性较好。 
      当自粘胶分子充分润湿高分子片层的表面,并且与之良好接触,自粘胶分子与高分子片层之间的距离接近分子间力的作用半径( 0.5nm)时,两种分子之间就要发生相互吸引作用,最终趋于平衡。其界面间的相互作用力主要为范德华力、氢键,即分子间作用力。这种由于吸附力而产生的胶接既有物理吸附也有化学吸附。 
      此外高分子层的平整度也会影响自粘胶层的粘接效果,如下图所示,高分子片层材料平整度越高,那么自粘胶层越容易在基层表面润湿、铺展,从而得到更好的贴服性,自粘胶层与高分子片层粘接的越好。但是并不是高分子层越平整越好,因为自粘胶层具备一定的蠕动性,如果高分子片层具有合适的粗糙度,如图所示,那么自粘胶层可以通过自身的蠕变流动,渗透到高分子片层的凹凸结构中去,可以大大增加自粘胶层与高分子片层的粘接面积,从而增加粘接力,达到更好的粘接效果。因此自粘胶层和高分子层的选择要互相匹配,溶解度参数越接近越好。此外,自粘胶层与高分子片层的粘接温度越高,时间越长,其扩散作用也越强,粘接力也就越高。

    3.2 自粘胶层内聚力
      自粘胶层的内聚力,也叫内聚强度,是自粘胶层的一种重要力学性能。任何材料在受到外力作用时都会产生形变甚至破坏。所谓材料的内聚力,就是指自粘胶本身抵抗外力作用的能力。 
      外力作用于卷材与砼粘胶接界面时可分为正拉、剪切和剥离三种方式。好的自粘胶层粘接面在受到快速的剥离外力作用时,一般发生胶接界面破坏,受到缓慢外力时则主要发生胶层内聚破坏(见图7)。因此,卷材与砼粘接后剥离粘接强度可以用来表征自粘胶内聚强度的大小。

    图7:自粘胶层的内聚力破坏照片

      自粘胶层与砼完全粘接后,一旦卷材发生破损,满粘的防水结构层可以有效防止渗入的地下水在卷材间串流,对建筑主体结构形成永久的保护;但是地下结构沉降不可避免,当地下主体结构发生沉降时,高分子层局部被拉伸,弥补这些细小的裂纹;这时,自粘胶层会沿受力方向慢慢滑移。自粘胶层的这种滑移是在持久性的剪切外应力作用下产生缓慢流动(形变)所引起的。这种缓慢的流动(形变)被称为蠕变。滑移或蠕变吸收了沉降对材料的破坏力,起到缓冲释放作用。由于这种蠕变发生在自粘胶层,主要取决于自粘胶层的内聚力。所以,自粘胶层的内聚力是评价高分子防水卷材抗拉伸、防窜水的一项重要技术指标。 
    3.3 自粘胶层与保护涂层的粘接力
      自粘胶层与保护涂层的粘接类似于自粘胶层与高分子片层的粘接,两者材料本身的极性相似,润湿性能较好。两者间的作用力主要为范德华力、氢键,即分子间作用力。 
      由于自粘胶层的主要成分含有不饱和双健,在紫外线照射或者高温下易被氧化,会随着存放时间的增长而发生氧化,断链后使胶失去粘性,因此保护涂层必须具备良好的耐紫外老化能力和隔绝空气的能力,以防止自粘胶层在老化变质。保护涂层使用特殊工艺和配方制备而成,可以有效隔绝紫外线辐射和空气中的氧气,起到保护自粘胶层的作用,同时赋予自粘胶层表面不粘特性,可以上人行走、方便工人施工。 
    3.4 保护涂层与混凝土层的粘接力
      保护涂层与混凝土层的粘接力与混凝土水化反应密切相关。混凝土浇筑完毕后,水泥中的硅酸三钙和水迅速反应生成Ca(OH)2饱和溶液,并从中析出Ca(OH)2晶体。同时,水泥中的石膏也很快进入溶液和铝酸三钙反应生成细小的钙矾石晶体。随着上述反应的进行,水泥水化开始加速,生成较多的Ca(OH)2和钙矾石晶体。同时在保护涂层和水泥颗粒上长出纤维状的C—S—H。产生强(结晶的)、弱(凝聚的)不等的接触点,随着反应的进行,在保护涂层和水泥颗粒表面的结晶继续生长并将各颗粒初步联接成网,从而使水泥浆凝结硬化,与保护涂层形成牢固的满粘结构。

      在高分子预铺反粘卷材表面浇筑混凝土时,混凝土的水化凝胶粒子在外部机械力(自身重力和外部机械搅拌、震动力)的作用下完全渗入到涂层凹凸结构周围,经过固化,产生楔合、钩合、锚合现象,从而二者形成牢固的机械互锁结构,形成永久粘接层。
      从以上反应过程可知,保护涂层的粒径选择和级配对于与砼粘接强度有直接影响。保护涂层必须具备合适的凹凸结构,才可与后浇混凝土形成良好的粘接。凹凸结构不能太小(混凝土水凝粒子不容易渗入到凹凸结构四周),也不能太大(影响施工速度)。


      高分子自粘胶膜防水卷材可以与后浇混凝土形成牢固的粘接结构,可以有效防止地下窜流水对于建筑主体结构等侵蚀、破坏。其中起主要作用的为三层复合防水结构:高分子片层、自粘胶层和保护涂层,这三层结构材料特性不同,所起作用也各不相同,只有充分考虑到这三层结构的材料特性,相互匹配,协同作用,才能达到最佳的预铺反粘防水效果。


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