國家速滑館屋面高延性防水卷材力學性能研究*

張少杰 蘇振華 羅惠平 李少華 馮 鵬 王世彬 張道博

(1.清華大學，北京 100084；2.北京城建集團有限責任公司，北京 100088)

隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，鋼筋混凝土及鋼結構建筑的應用愈加廣泛，防水材料的使用也相應增多。近年來大量大型異形建筑結構的出現(xiàn)，加劇了建筑對防水材料的性能要求，部分柔性結構等還對其延伸性、美觀性、魯棒性等提出了新要求。速滑館采用金屬屋面體系，由壓型鋁板、保溫巖棉、隔汽層、防水層等組成，在滿足一定的力學性能基礎上具有保溫、防水兼建筑造型的功能，因此防水層不僅要滿足GB 50345—2012《屋面工程技術規(guī)范》對屋面防水系統(tǒng)的一般要求，還應該兼具美觀性和對索網變形的適應性。

基于國家速滑館的屋面防水需求，統(tǒng)計了常見的防水卷材并調研了相關工程案例，然后通過試驗對比三種高分子防水材料的力學性能，最終選用EPDM卷材搭配自硫化泛水作為速滑館屋面防水體系。

1 工程概況

國家速滑館是2022冬奧會的標志性場館，建筑面積約8萬m2，建筑高度為15.4～33.8 m。國家速滑館的結構體系由屋頂索網、環(huán)桁架、斜拉索和混凝土結構組成。其屋蓋由外環(huán)向鋼桁架與單層雙向正交馬鞍形索網結構組成，屋面采用單元式金屬屋面體系，每個索網網格對應一個屋面模塊。金屬屋面與索體結構材料性質不同，為了避免因變形不協(xié)調造成結構損傷，在單元屋面上設置了變形縫，這對屋面防水材料的延展性提出了較高要求。

鑒于國家速滑館金屬屋面對防水材料高延展性的要求，綜合考慮試驗結果和設計需求后最終采用了EPDM卷材搭配自硫化泛水為屋面防水體系，其防水體系由EPDM、壓敏自硫化泛水、搭接帶、搭接底涂、基層粘合劑、外密封膏等組成。施工采用滿粘+機械固定的成熟工藝，且搭接部位使用搭接帶配合專用底涂，配合自硫化泛水進行細部處理。

2 建筑防水材料

2.1 建筑防水材料市場概況

現(xiàn)代建筑對防水材料的要求越來越高，傳統(tǒng)的防水材料壽命短、性能差，已不能滿足屋面防水要求。隨著科技的進步及高分子產業(yè)的突飛猛進，新的防水材料出現(xiàn)，已成為建筑工程重要的一環(huán)。

當前，國內外市場中較為常見的建筑防水材料有改性瀝青防水卷材、高分子防水卷材、防水涂料、密封材料、防水和堵漏止水材料等。我國新型防水材料仍是以改性瀝青防水卷材為主，高分子防水卷材為輔，其他防水材料次之[1]。其中，高分子防水卷材是典型的新型建筑防水材料，因其性能優(yōu)異而廣泛應用于現(xiàn)代建筑中。

2015年我國建筑防水材料產量中，改性瀝青防水卷材年產45 908萬m2，占全年建筑防水材料產量的26.7%；高分子防水卷材年產23 779萬m2，占全年建筑防水材料產量的13.9%，年產量相比于2005年增長217.0%，相比于2010年增長52.4%。由圖1可以看出，高分子防水卷材年產量自2005年逐年增加，雖離改性瀝青防水卷材還有一定差距，但改性瀝青防水卷材施工多采用熱熔手段，危險且具有污染。隨著能源改革深化以及高分子產業(yè)的進步，高分子防水卷材有望超過改性瀝青防水卷材的產量成為建筑防水的主力軍。

圖1 國家速滑館金屬屋面系統(tǒng)

2.2 高分子防水卷材

目前，高分子防水卷材由于其強度高、低溫柔性好、耐久性好、冷施工等特點，正在廣泛運用于建筑防水中。其主要包括聚氯乙烯(PVC)防水卷材、三元乙丙橡膠(EPDM)防水卷材、氯化聚乙烯(CPE)防水卷材、CPE與橡膠共混防水卷材、三元丁橡膠防水卷材、再生膠油氈，以及新興的熱塑性聚烯烴(TPO)防水卷材等[2]。

EPDM防水卷材是以EPDM與丁基橡膠為基本原料，添加軟化劑、填充補強劑、促進劑以及硫化劑等，經混煉、過濾、精煉、擠出(或壓延)成型，并經硫化等工序制成的片狀防水材料[3]。EPDM只在側鏈含有不飽和鍵，而主鏈是由飽和烴組成，化學穩(wěn)定，因此其耐久性能優(yōu)異，應用十分廣泛。美國卡萊工廠生產出一種EPDM自硫化泛水材料，該卷材在使用狀態(tài)時(未硫化)具有較高延性，可以任意變形，服帖于各種異形部位而不產生內應力，經過自然條件下一定時間的硫化后，最終可達到與EPDM相近的力學性能，并長期保持最初粘貼時的形態(tài)。因此，EPDM防水卷材搭配自硫化泛水材料非常適合于延性要求較高的裝配式金屬屋面。

TPO防水卷材是一種新型防水卷材，由聚烯烴、軟化劑和多種添加劑等原料通過特殊的聚合工藝加工而成。與EPDM相比，TPO防水卷材的防穿刺性更好，泛水可以焊接，接縫的耐久性和強度更好，可提供持久的白色或淺色[1]。

2.3 高分子防水卷材應用實例

21世紀以來，我國建筑防水市場中高分子防水卷材的產量逐年上升，就TPO和EPDM兩種卷材而言，由于上世紀高分子卷材的出現(xiàn)，歐美地區(qū)十分流行，國內偏向引進國外先進施工技術[4]。本世紀初EPDM作為高分子防水卷材在我國較為流行，如2000年深圳華為技術有限公司生產基地二期工程防水施工[5]、2007年中央電視臺新臺址電視文化中心劇場幕墻的防水工程[6]及北京大學內的2008年奧運會乒乓球比賽館屋面防水工程[7]等均采用EPDM防水卷材；近些年由于歐美地區(qū)TPO卷材的新興及施工技術的進步，國內重點工程也開始使用先進TPO及施工技術[4]，如2019年深圳國際會展中心[8]和2020年國家會議中心二期工程[9]。

目前EPDM自硫化泛水材料在國內應用較少，也缺乏相關研究以及相關規(guī)程標準，鑒于EPDM壓敏自硫化泛水材料的高延性適合速滑館索網區(qū)域單元屋面的細節(jié)，速滑館項目擬采用EPDM卷材搭配自硫化泛水體系。因此對內增強型TPO、勻質型EPDM及相關配套材料壓敏自硫化泛水進行力學性能試驗研究及微觀表征測試，基于試驗結果，尋找適合國家速滑館屋面防水要求的高分子防水卷材。

3 試驗設計

3.1 試驗材料

本試驗對象共包括三種高分子卷材，分別為勻質型EPDM、EPDM壓敏自硫化泛水和內增強型 TPO卷材，具體規(guī)格如表1所示。

表1 試驗材料規(guī)格

力學試驗包括拉伸強度、拉斷伸長率、熱空氣老化的測試，均依據GB/T 18173.1—2012《高分子防水材料 第1部分 片材》、GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測試》等執(zhí)行，三種卷材在以上廠家生產規(guī)格基礎上進行標準試件的裁切，最終試驗試件如圖3～5所示。

圖2 2005—2015年中國建筑防水材料市場情況

圖3 勻質型EPDM試件

圖4 EPDM壓敏自硫化泛水試件(未硫化)

圖5 內增強型 TPO試件

3.2 拉伸試驗

片材的拉伸強度、拉斷伸長率試按GB/T 528—2009的規(guī)定執(zhí)行。試驗采用I型啞鈴狀試樣，試驗設備為UTM5504電子萬能試驗機，加載速率為500 mm/min，通過拉伸試驗測量拉伸強度，在中心位置布置引伸計來計算拉斷伸長率。對于TPO和EPDM卷材，分別在其橫向和縱向裁剪試件進行拉伸，參照GB/T 528—2009分別測量試件在23,60 ℃條件下的拉伸強度和23,-20 ℃條件下的拉斷伸長率，每組試驗共5個試件。除此之外，EPDM壓敏自硫化泛水材料分別經過未硫化、硫化46 h和硫化166 h三種條件預處理后，再分別置于上述溫度下測量相應指標，每組試驗共5個試件。

3.3 熱空氣老化試驗

片材的熱空氣老化試驗按GB/T 3512—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》的規(guī)定執(zhí)行。試驗設備為電熱鼓風干燥箱，在115 ℃的高溫下處理片材168 h，進而進行常溫(23 ℃)拉伸試驗得出拉伸強度和拉斷伸長率。對于TPO和EPDM卷材，分別在其橫向和縱向裁剪試件進行熱空氣老化后拉伸，每組試驗共3個試件，取中值。除此之外，EPDM壓敏自硫化泛水分為未硫化、硫化46 h和硫化166 h三種預處理條件，每種預處理條件下分別測量上述指標。在此基礎上計算相關性能保持率，保持率計算式如下：

(1)

式中：f1為試件熱空氣老化前的拉伸強度或拉斷伸長率；f2為試件熱空氣老化后的拉伸強度或拉斷伸長率。

3.4 硫化試驗

EPDM壓敏自硫化泛水材料的硫化試驗同樣使用上述電熱鼓風干燥箱，分別按未硫化、加速硫化46 h(70 ℃)和加速硫化166 h(70 ℃)三種預處理條件對試件進行預處理，后分別對其進行拉伸試驗、熱空氣老化試驗和低溫彎折性試驗。

3.5 SEM表征分析

為了觀察防水卷材在拉伸前后的微觀結構變化以及斷裂行為，對標準拉伸試件拉伸斷裂前后的關鍵區(qū)域進行SEM表征分析，包括“初始”截面(未拉伸的卷材在橫向或縱向裁剪的斷面)及“斷裂”截面(構件在拉伸試驗后在橫向或縱向的斷面)。試驗設備為Quanta 200 FEG場發(fā)射環(huán)境掃描電鏡。以上試驗試件匯總如表2所示，為了便于統(tǒng)計分析，后文試驗結果分析均采用平均值，而非GB/T 528—2009中的中位數(shù)。

4 試驗結果分析

4.1 EPDM與TPO力學性能對比

對比勻質型EPDM和內增強型 TPO材料的常溫(23 ℃)、低溫(-20 ℃)、高溫(60 ℃)及熱空氣老化后常溫的力學性能，如圖6～9所示。

圖6 EPDM與TPO的拉伸強度對比

從圖6可以看出，勻質型EPDM在23 ℃和60 ℃的橫向或縱向拉伸強度均不及和內增強型 TPO，前者僅為后者的53.65%～74.24%。圖7結果表明，勻質型EPDM在-20 ℃的拉斷伸長率與23 ℃幾乎一致，表明EPDM材料在低溫下仍具有良好的延展性，縱向、橫向損失率僅為-0.22%、6.40%。而TPO在低溫時遠不及常溫的拉斷伸長率，從23 ℃至-20 ℃縱向和橫向拉斷伸長率損失分別達到了91.65%和43.86%。即溫度降低時，TPO延展性顯著下降，而且TPO的拉斷伸長率性能表現(xiàn)不穩(wěn)定。

圖7 EPDM與TPO的拉斷伸長率對比

圖8 EPDM與TPO熱空氣老化后常溫拉伸強度對比

圖9 EPDM與TPO熱空氣老化后常溫拉斷伸長率對比

4.2 自硫化泛水材料硫化前后力學性能對比

對比EPDM壓敏自硫化泛水材料在未硫化、硫化46 h和硫化166 h三種預處理條件下的常溫、低溫、高溫及熱空氣老化后常溫的力學性能，其結果如圖10～13所示。

圖10 自硫化泛水材料硫化前后拉伸強度對比

圖11 自硫化泛水材料硫化前后拉斷伸長率對比

由圖10可以看出，隨著硫化時間增加，自硫化泛水材料的常溫拉伸強度逐漸增大，硫化166 h后常溫橫向拉伸強度達2.08 MPa，是未硫化時材料拉伸強度的3倍左右。而自硫化泛水材料硫化46 h后在高溫下的拉伸強度卻有所降低，60 ℃下三種預處理自硫化泛水材料的縱向拉伸強度損失率分別為54.55%、68.75%、61.46%，造成未硫化時的自硫化泛水材料熱空氣老后強度損失率最小的原因可能是因為高溫實驗條件中發(fā)生了硫化，對未硫化的材料拉伸強度有一定正向促進作用。囿于試驗設備的限制，EPDM自硫化泛水材料在未硫化及硫化46 h時的高溫拉伸強度只能測出0.4 MPa及0.34 MPa，其實際拉伸強度應更大。

EPDM自硫化泛水材料未硫化時具有較高的延展性，其常溫橫向拉斷伸長率可達1 408%，隨著硫化時間增加，常溫拉斷伸長率逐漸減小，這是因為在硫化過程中線性高分子通過交聯(lián)作用，逐漸變?yōu)槿S網狀高分子[9]，材料由原來的塑性逐漸表現(xiàn)為彈性，延展性下降，拉伸強度增強。囿于試驗設備的限制，EPDM自硫化泛水材料在未硫化及硫化46 h時的低溫拉斷伸長率只能測出820%，其實際拉斷伸長率應更大。

對比EPDM壓敏自硫化泛水材料分別在未硫化、硫化46 h和硫化166 h三種預處理條件下，經過熱空氣老化試驗，其常溫條件下(23 ℃)的力學性能保持率如圖12及圖13所示。隨著硫化時間增加，拉伸強度保持率呈下降趨勢，而拉斷伸長率保持率呈上升趨勢。

圖12 自硫化泛水材料熱空氣老化后拉伸強度對比

圖13 自硫化泛水材料熱空氣老化后拉斷伸長率對比

出現(xiàn)這個趨勢的原因可能是：熱空氣老化條件(115 ℃、168 h)可看作是更嚴格的硫化條件，未硫化的EPDM自硫化泛水材料在熱空氣老化后內部發(fā)生深度硫化，線性高分子交聯(lián)成網狀高分子[10]，強度急劇增大，延展性降低，而硫化后的EPDM自硫化泛水材料內部分子已發(fā)生交聯(lián)，再經歷熱空氣老化后交聯(lián)作用變得并不顯著。因此硫化166 h的材料在熱空氣老化后常溫縱向、橫向拉斷伸長率保持在熱空氣老化前83.71%、69.65%，而未硫化的材料在熱空氣老化后常溫縱向、橫向拉斷伸長率僅為熱空氣老化前24.41%、20.36%。

4.3 自硫化泛水材料與EPDM力學性能對比

對比勻質型EPDM與加速硫化166 h的自硫化泛水材料力學性能，如圖14及圖15所示。硫化166 h的EPDM自硫化泛水材料常溫縱向、橫向拉伸強度分別為1.92，2.08 MPa，分別是成品EPDM的拉伸強度的17.48%、21.49%，而兩者的拉斷伸長率相差不大。雖然自硫化泛水材料在硫化后的拉伸強度仍達不到成品EPDM的拉伸強度，但是硫化前的塑性隨著硫化時間增加逐漸變?yōu)閺椥?，此時EPDM自硫化泛水材料從使用要求和施工工藝上已完全滿足速滑館防水節(jié)點的使用要求。

圖14 自硫化泛水材料與EPDM的拉伸強度對比

圖15 自硫化泛水材料與EPDM的拉斷伸長率對比

4.4 拉伸過程及斷裂分析

4.4.1EPDM與TPO對比

由圖16可知EPDM的常溫拉伸過程類似于玻璃鋼，可認為拉伸過程是彈性變形，在拉伸過程中，初始缺陷如細小孔隙被不斷放大，最后發(fā)展為大孔隙進而斷裂，EPDM被拉伸至極限承載力后發(fā)生脆性斷裂。對比圖17a和17c可以看出，EPDM基本屬于勻質材料，片材拉伸斷口呈片狀。

體驗哲學的創(chuàng)立提供了一條語言認知研究的新路徑。該理論提出的一些新觀點，令哲學和語言學研究者豁然開朗。但作為一種新的哲學理論，它對語言哲學問題的認識還沒有做到無懈可擊，其論述過程中存在絕對化、主觀化和片面化的傾向。其不足之處主要表現(xiàn)為以下幾個方面。

圖16 EPDM和TPO常溫拉伸試驗力-位移典型曲線

a—EPDM-23 ℃-橫向-初始；b—EPDM-23 ℃-橫向-斷裂；c—EPDM-23 ℃-縱向-初始；d—EPDM-23 ℃-縱向-斷裂。

與EPDM相比，TPO的常溫拉伸過程首先經過彈性階段，被拉至峰值承載力后荷載迅速下降，而后荷載幾乎不變,位移增大，經過一平臺段，最后斷裂。從圖18可以看出，內增強型 TPO片材內部使用聚酯纖維增強，屬于復合材料，橫縱向纖維分布不同，故具有橫縱向性質差異，被拉至極限荷載時纖維首先發(fā)生斷裂，之后發(fā)生TPO塑性變形直至斷裂。

a—TPO-23 ℃-橫向-初始；b—TPO-23℃-橫向-斷裂；c—TPO-23℃-縱向-初始；d—TPO-23℃-縱向-斷裂。

4.4.2自硫化泛水材料

由圖19可以看出自硫化泛水材料在未硫化時常溫下屬于勻質材料，具有一定粘性。未硫化及硫化46 h時的自硫化泛水材料因硫化不完全，其常溫拉伸后塑性變形很大，而且其斷面不平整，如圖20所示。

a—自硫化-0 h-23 ℃-橫向-初始；b—自硫化-0 h-23 ℃-橫向-斷裂；c—自硫化-46 h-23 ℃-橫向-初始；d—自硫化-46 h-23 ℃-橫向-斷裂; e—自硫化-166 h-23 ℃-橫向-初始；f—自硫化-166 h-23 ℃-橫向-斷裂。

圖20 自硫化泛水材料三種狀態(tài)常溫拉斷后狀態(tài)

而自硫化泛水材料在硫化166 h后已由原來的塑性轉換為彈性，被拉斷后變形量較小，由圖19看出其初始片材形貌與斷面形貌已經基本與成品EPDM相似。由圖21可知，硫化166 h后自硫化泛水材料拉伸變形過程也變得與成品EPDM相似，但其極限荷載和彈性模量相對來說仍較小。

圖21 自硫化泛水硫化166 h后與EPDM常溫拉伸試驗典型力-位移曲線

對比自硫化泛水材料三種預處理條件下熱空氣老化后常溫拉伸前后SEM照片，如圖22所示。材料在未硫化及硫化46 h經歷熱空氣老化后內部出現(xiàn)大小不等的孔隙，而硫化166 h經歷熱空氣老化后材料較為致密，幾乎不含孔隙。

a—自硫化-0 h—老化-橫向-初始；b—自硫化-0 h-老化-橫向-斷裂；c—自硫化-46 h-老化-橫向-初始；d—自硫化-46 h-老化-橫向-斷裂；e—自硫化-166 h-老化-橫向-初始；f—自硫化-166 h-老化-橫向-斷裂。

原因可能在于熱空氣老化(115 ℃、168 h)是比加速硫化(70 ℃、46 h)更強的硫化條件。自硫化泛水材料經歷加速硫化(70 ℃、46 h)后硫化程度較淺，材料在未硫化及硫化46 h經歷熱空氣老化時由于溫度較高，硫化速度過快，硫化反應產生的氣體無法及時排除，導致孔隙率過大；而材料經歷加速硫化(70 ℃、166 h)時，氣體已勻速排除，再經歷熱空氣老化后，硫化作用變得并不顯著，但熱空氣老化下硫化所帶來拉伸強度增強效應強于高溫后拉伸強度減弱效應(圖12)。

5 結束語

對內增強型TPO、勻質型EPDM及相關配套材料壓敏自硫化泛水進行了力學性能測試和微觀破壞機理分析。試驗結果表明，EPDM和TPO在常溫、低溫的拉伸強度，常溫、高溫的拉斷伸長率，熱空氣老化后的常溫拉伸強度和拉斷伸長率，低溫彎折性均滿足GB/T 18173.1—2012。得到的主要結論如下：

1)TPO是復合材料，拉伸強度測試數(shù)據較EPDM高，這是由于TPO卷材內部采用聚酯纖維進行增強，但是這也導致TPO卷材的拉斷伸長率性能表現(xiàn)不穩(wěn)定。TPO被拉伸至峰值荷載時內部聚酯纖維發(fā)生率先破壞，對TPO卷材造成不可逆轉的損壞，致使TPO卷材在未拉斷時已發(fā)生破壞，其尺寸穩(wěn)定性較差，不適用于有高延性需求的防水節(jié)點處理。

2)EPDM是勻質型材料，在拉伸測試中表現(xiàn)十分穩(wěn)定。EPDM卷材在達到拉伸極限時之前，卷材仍保持較好的穩(wěn)定性，并未出現(xiàn)卷材損壞。EPDM延性強于TPO,拉伸強度不及TPO，但是已經滿足GB/T 18173.1—2012要求，而且相較于TPO，其尺寸穩(wěn)定性更優(yōu)。

3)EPDM壓敏自硫化泛水材料在未硫化時具有較好的延展性，隨著硫化時間增加，EPDM壓敏自硫化泛水材料內部的線性高分子交聯(lián)成網狀高分子，材料逐漸由原來的塑性變?yōu)閺椥浴?/p>

4)自硫化泛水材料常作為EPDM的配套材料局部使用，國家規(guī)范并未對其有明確的要求。因本項目大量使用自硫化泛水，且使用在關鍵部位，因此本研究有比較高的研究意義。通過分析本文試驗數(shù)據發(fā)現(xiàn)，加速硫化條件(70 ℃、46 h和70 ℃、166 h)對于自硫化泛水材料來說不夠嚴格，達不到深度硫化的效果，而熱空氣老化條件(105 ℃，24 h)對于自硫化泛水材料來說硫化速度過快，進而導致材料內部孔隙率過大，形成初始缺陷。因此在以后關于自硫化泛水材料的硫化研究中建議采用更嚴格的硫化條件，后續(xù)研究應該著重于硫化和熱空氣老化對材料的單獨影響以及耦合作用。

5)得到的規(guī)律僅針對測試的三種高分子防水卷材，各種廠家生產的相同材料規(guī)格卻不同，本文的規(guī)律并不能直接用于相似材料，但是可以給相似材料后續(xù)的研究提供參考或建議。

6)綜合分析試驗結果和速滑館實際設計需求，最終選用EPDM卷材搭配自硫化泛水為速滑館屋面防水體系，其中EPDM卷材用于屋面主體, 自硫化泛水用于節(jié)點構造，以滿足速滑館單元板塊金屬屋面的形縫的使用要求，并能夠給類似大變形結構屋面防水處理提供借鑒參考。