天津科技大學外文資料翻譯天津科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯學院： 材料科學與化學工程學院 專業(yè)： 高分子材料與工程 姓名： 阮孝順 學號： 10032411 指導教師（簽名）： 2014年 3月 15日19基底機械附著防水體系ACC板適宜性的確認及其高風壓下的強度Michal Bartkoa, Hiroyuki Miyauchia,*, Kyoji Tanakaba忠南大學，305-764，大田，南韓b日本東京工業(yè)大學，226-8503，神奈川縣，日本 2012年9月7日收到，2013年5月9日收到修改稿，2013年5月19日接受，2013年6月19日發(fā)表【摘要】受到強風的影響，機械連接防水體系的蒸氣壓混凝土板（AAC）的可靠性需要驗證。通過靜態(tài)和動態(tài)拉伸試驗研究AAC面板緊固件的優(yōu)點。對最常用的機械和化學緊固件的優(yōu)點和AAC斷裂類型進行測試觀察。靜態(tài)強度值介于2.0至5.0kN之間，動態(tài)強度下降范圍在.5到 2.2kN之間。而且，我們創(chuàng)造性的應用了彈性粘合劑來代替常用的環(huán)氧樹脂從而廣泛的消除了ACC斷裂。我們使用專門設計和生產的恒定負載型動態(tài)測試儀，檢查完整的機械連接的防水體系的特征。我們測試了兩種聚氯乙烯（PVC）卷材的類型和兩種不同的卷材和圓盤連接方法。重復實驗，直到失敗的次數高達100,000次，并記錄在相同強度的強風下實際屋頂發(fā)生的斷裂類型。也發(fā)現了緊固件的動態(tài)強度和完全防水體系之間的關系，證明了AAC面板有足夠承載力能夠作為機械連接防水體系的基底，也探究出了確定緊固件最大間距的方法。2013年愛思唯爾公司保留所有權?！娟P鍵詞】：機械連接防水體系；AAC鑲基板；阻力風；靜態(tài)和動態(tài)測試；斷口模式；體系設計方法 2013年愛思唯爾公司保留所有權。1. 前言機械連接防水體系是一種干式防水體系，有幾個優(yōu)勢，比如不受裂縫和聯合移動的影響。該防水體系適用于多種類型的基板，安裝簡單容易，可以方便的修復，在技術上和經濟上可行。因此，該體系在日本和全球的使用量正在增長。蒸壓加氣混凝土板（AAC板）經常被用作住宅樓屋頂基底上。 機械連接體系的目的是要為日本抵御許多臺風的襲擊。從充分實現防水體系的透視性看，如圖1中所示的負風壓，該行為在低坡屋頂表面，是設計緊固件類型和負風壓的基礎。AAC面板常用的緊固件類型如圖2所示?？紤]到跟常規(guī)鋼筋混泥土相比AAC板強度明顯較低，已經有人注意到風應力不持久的AAC緊固件，但在文獻里還未被提到。圖1 影響防水卷材的風向圖2 蒸汽壓混泥土板的緊固件類型（AAC緊固件類型） 這種防水體系已經被安裝在許多帶低坡的屋頂，但不幸的是，常造成了一些重大事故（比如AIJ,2005;RICOWI,2006,2007a,b）。這種機械式連接體系由若干材料和部件組成，和風力載荷一起被傳輸至卷材，隨后傳送到光盤、緊固件，并最終到基板上。對防水體系發(fā)生會發(fā)生實質性傷害。 從故障情況看，我們可以從風動態(tài)重復特征的影響確定造成的損害，而不是從靜態(tài)特征。圖3總結了幾種故障。圖3 機械連接屋面的可能斷裂類型測量是Baskaran（Baskaran 等人進行的，1999年，2009年；baskaran，2002；Baskaran和Smith，2005年；）Gerhartd（Gerhardt and Gerbatsch ,1991年;Gerhardt 2011年；Gerhardt 2011年；Gerhardt等人，1990年；Gerhardt和Kramer1990，1992,1986），Miyauch（Miyauchi等人，2008年，2011年）和其他人（Furuichi等人，2006年；Yamble等人，2007；Silva等人，2010年；Fukuda et all，2009）通過集中在同一基板和不同類型基板上面的體系部件、低重復頻率和重復測試的次數，通過觀察屋頂的薄卷材鼓翼，考慮到其壽命長過多個年， 需要大量重復動態(tài)試驗。在這種情形下，我們可以研究安裝AAC面板的緊固件的靜態(tài)和動態(tài)特性，來開發(fā)測試儀器和進行抗風試驗，抗風試驗的標本是由普通機械連接的防水體系相同的部分組成。2. 緊固件和AAC基板靜態(tài)拉伸試驗2.1 試樣制作基板，我們使用專用作低坡屋頂和由聚酰胺（PA）插頭和不銹鋼螺釘組成的最常用的鋼絲網增強的AAC面板。光盤作為防水體系里必不可少的一部分在這里被省略了?；宓暮穸葹?00mm，而直徑為860mm的PA插頭分別插入920mm深的預鉆孔里。螺絲是設計完成后從表面安裝完后，高出表面20mm，以方便用專用夾具夾住?；瘜W緊固件也用相同的方法制備?；瘜W劑、環(huán)氧樹脂在安裝插頭前注入到預鉆孔，圖4給出了測試用緊固件的安裝方法。圖4 緊固件的安裝方法2.2 測試參數和條件我們研究了緊固件的拉伸強度和緊固件強度方向上預鉆孔直徑的影響。為了完成實驗，使用英斯特朗型應力機，連著緊固件的AAC面板安裝在應力機底部，螺釘通過夾具牽拉并，固定在應力機的頂端，如圖5所示，測試速度為1mm/min，測試參數已經概括在表1中。圖5 靜態(tài)試驗裝置和測試機表1 靜態(tài)拉伸試驗參數2.3 實驗結果研究極限拉伸強度和AAC基板斷口。圖6給出了機械緊固件和化學緊固件之間拉伸強度的關系和對預鉆孔直徑的影響。機械緊固件的一個直徑8mm的基本孔的平均極限強度為2.0kN，隨著直徑的增加，強度降低到0，而化學緊固件的平均極限強度是經過很多測量驗證過的幾乎恒定的，為5kN。圖6 靜態(tài)拉伸強度的結果圖7 靜態(tài)拉伸試驗中出現的AAC斷裂類型：（a）無AAC斷裂的機械緊固件斷裂；（b）AAC部分斷裂化學緊固件斷裂；（c）主要是AAC斷裂的化學緊固件斷裂。圖8 使用緊固件作為PA插頭的半切AAC試樣表2 彈性粘結試樣的測試參數PA插頭插頭插入粘合劑硬化一周前注入到預鉆孔：混合環(huán)氧樹脂和彈性模量E=1.0MPa的有機硅聚合物圖9 帶彈性粘合劑試樣的測試結果：（a）拉伸強度結果；（b）無AAC斷裂的基底斷裂結果AAC基板斷口類型可以從圖7觀察到。AAC緊固件被基板拉出，AAC基板無斷口。另外，還觀察到了化學緊固件兩種決然不同的AAC斷口類型：一種是局部類型，一種AAC面板被徹底摧毀。造成兩種斷裂類型的原因是沿一個可變插頭長度方向的厚度和從尼龍插頭到AAC面板最大壓力的位置。圖8分析了一個較厚的插頭穩(wěn)定器和較厚底部的半切削試樣，如圖7中所示的AAC斷裂圖，在最遠點，螺釘是決定因素：如果螺釘完全通過插頭，發(fā)生的是這種斷裂，然而，沒有通過的螺釘在插頭的穩(wěn)定器部分產生最大壓力，從而引起如圖7b的斷裂類型。2.4 AAC面板斷口消除對重新裝修過的屋頂，屋面被強風破壞后，斷裂的AAC面板不能再使用，而要進行維修貨徹底更換，從而產生額外費用和勞動力。理想的緊固件應具有高拉伸強度而不導致AAC面板出現斷口。在同一組實驗中，我們研究了加有彈性粘合劑的化學緊固件，發(fā)現跟加入環(huán)氧樹脂的化學緊固件的斷口不同。測試參數已經總結在表2中，并且測試結果如圖9所示。最后的拉伸強度值為4.0kN（圖9a），AAC斷口已經成功消除（圖9b）。3. 緊固件和AAC基板動態(tài)拉伸試驗3.1 試樣動態(tài)拉伸試驗是在對試樣進行完全相同的靜態(tài)拉伸試驗條件下進行的，即對一個100mm厚的的AAC面板和一個60mm長、8mm直徑的插頭和不銹鋼，對機械緊固件和兩種類型（環(huán)氧樹脂型和彈性粘合劑型）的化學緊固件進行測試。3.2 試驗參數和條件為進行動態(tài)試驗，使用液壓壓力機械（如圖10），循環(huán)測試。和靜態(tài)試驗類似，裝有緊固件的AAC面板連接到液壓壓力機械的底部部分，并且螺釘上產生循環(huán)載荷，該循環(huán)載荷是夾具附著在裝置頂部的。圖10 動態(tài)測試設置和測試機3.3 重復次數計算對于防水卷材的重復次數，需要氣象站提供特殊設備和臺風的統(tǒng)計數據，但這樣分析超出了研究的范圍而不進行。相反我們簡化假設和計算出最大次數。重復次數依賴于振動頻率和強風的周期，能用下列公式表示：n=tfn是重復的次數，t是強風周期，f是防水體系的振動頻率。在補充實驗的基礎上，鼓卷材的估計頻率看作f=10Hz，為計算，假設每年發(fā)生兩次臺風，每一次持續(xù)12個小時，防水體系的壽命有10年，周期可以用以下公式計算：t=ot1tLo是指臺風一年發(fā)生的次數，t1是臺風的周期，tL是防水體系的壽命（單位：年）。在這些實驗的基礎上，機械連接防水體系能承受的循環(huán)次數必須等于10,000,000，并且設置第10,000,000作為最后一次，此外，因為試驗次數太多，小于10Hz的頻率將顯著延長實驗時間，測試條件和參數分別總結在了表3和表4中。表3 動態(tài)拉伸試驗的條件表4 動態(tài)拉伸試驗中的參數3.4 實驗結果對每一類緊固件，設置不同的最大拉伸載荷，重復進行黃莊實驗，最大拉伸載荷值等于靜態(tài)拉伸強度的值。換裝實驗的目的是獲得不同載荷下的強度曲線，還有重復測量的次數，和最終動態(tài)拉伸強度值。圖11給出了強度曲線和極限強度值。表5給出了靜態(tài)和動態(tài)強度還有相關系數的值。圖11 重復107次動態(tài)拉伸強度曲線和值表5 靜態(tài)和動態(tài)拉伸強度之間的相關參數AAC斷口和靜態(tài)拉伸試驗觀察到的相同，一個簡單的插件被拉出，AAC基板沒受損傷， 機械膠黏劑和彈性膠粘劑試樣也沒減少，環(huán)氧樹脂標本損失也很少。如圖12所示。圖12 動態(tài)拉伸試驗中出現的AAC斷裂模式：（a）無AAC機械緊固件斷裂；（b）環(huán)氧樹脂型的AAC基板斷裂；（c）無AAC基板斷裂的彈性粘合劑的化學緊固件斷裂。4 防水體系的動態(tài)試驗4.1 試驗設備為進行防水體系的動態(tài)試驗，我們設計和建立了一個樣片試驗裝置。為了盡可能準確的模擬實際屋頂，我們設計了一個給以恒定負載的裝置，這種裝置比恒定負載裝置更合適。在研究中，Miyauchi (Miyauchi等人., 2011)到了施加在緊固件上的垂直力和水平力?？紤]到卷材的使用壽命長和風向快速變化，我們不考慮水平力的影響，只考慮負壓力的影響。試驗室條件下，負壓力難以被氣動壓力抵消，負壓力從下方作用于卷材，如圖13所示。負壓力是通過空氣壓縮機壓縮空氣到卷材下面裝有乙烯-丙烯-二烯的袋子(EPDM袋)里，然后將負壓力轉至防水體系組件。圖14是了乙烯-丙烯-二烯袋子。緊固件的位置是在中心，如圖15所示，空氣經過乙烯軟管到達一個高度適當的水壓恒定裝置。通過使用由鏈條連接到所述馬達的曲柄機構，對防水體系無動態(tài)重復得地連續(xù)施加載荷。螺旋彈簧連接到曲柄機構，帶有該螺旋彈簧的加壓夾具加壓到盤附近試樣的卷材上，夾具下方的緊固件也受到夾具的壓力，從而減輕了盤片和卷材上的負荷。向上運動時，加壓夾具和卷材被分開，負載從而由EPDM袋下方作用在緊固件、光盤和卷材上。完整的測試設備如圖16所示。圖13 執(zhí)行體系動態(tài)測試的壓力替代體系圖14 用于氣動壓力程序的乙烯丙烯二烯單體氣囊（EPDM袋）圖15.定壓體系圖16 設計和制作動態(tài)測試設備4.2 試樣為制作基底，使用10mm厚的平面屋頂用的11m2大的AAC面板，AAC面板通過卷材中間的一個緊固件L型的側邊連接到基底，根據Gerhart和Jung（1991年）的研究，由于卷材的負荷根據情況而不同，在中心只有一個緊固件的試樣會產生扭曲，試樣周圍比較緊固件而言負載更多。但在我們的研究中這個情況并沒有被考慮在內，但在后來我們研究中，對結果進行比較發(fā)現，由Gerhart和Jung（1991年）校正出來的值是適用的。緊接著，用兩種不同的卷材，即用兩種不同的基氯乙烯卷材和按兩個緊固件的長度最大限度的覆蓋。下面已經給出了標本摘要。4.2.1 卷材的應用方法用了兩種不同的方法進行測試。第一種方法中，盤放在卷材下，頂部有粘合劑（厚度0.65mm，直徑87mm）和緊固件的金屬圓盤安裝在基板底；然后，將卷材鋪在基板。接著，將卷材通過感應加熱附著到圓盤上。在這種方法中，卷材不穿孔，而且非常迅速。第二種方法中，盤被放置在卷材上面。相反這種方法中卷材直接放在基底上，帶有緊固件的金屬圓盤（1.1mm厚，7.5mm直徑）在陌上，這種方法中卷材是多孔的，所以圓盤上方和卷材上面必須加保護蓋。試驗中為了更好的觀察試樣，不用保護蓋。4.2.2 PVC卷材的類型實驗中我們使用兩種類型的卷材，一種是玻璃纖維網格的1.5mm厚的PVC卷材，一種是類似的1.5mm厚的聚酯卷材（高強卷材），圖17給出了兩種卷材的機械性能。圖17 所使用聚氯乙烯膜的性能4.2.3緊固件長度把8mm直徑、長度分別為40,mm和60mm的不銹鋼螺絲安裝到PA插頭4.3 負吸引力風速和負壓力彼此相關。根據建筑物負載研究（2004年版），風壓的定義公式為：qH=1/2CPEU2H，qH是風壓，是空氣密度，1.22kg/m3，UH設計風速，CPE是最大風壓系數。考慮到將更可能大的力施加到平面屋頂的屋角，我們進行了抗風測試。我們認為日本最典型的兩種風速是最低的30m/s和最高的50m/s，CPE的最大值為-5.4，運用公式3，我們計算出負壓和在0-2.965kN/m2和0-8.235 kN/m2兩個水平幅度進行疲勞測試。首先，使用空氣壓縮機將EPDM袋里的空氣壓縮至設定水平，測試時一直持續(xù)壓縮，每5s按一次緊固件的拉鏈獲得，導致了有時施加在緊固件上的力為0,。在Baskaran測量的基礎上（Baskarand等，1999年），頻率設置為2Hz,。為確定負重載量的變化，記錄壓力的頻率，將負載電池安裝在試樣的底部。測試過程中，試樣受到損失，重復次數不做限定，當樣品被損壞的時候中斷實驗。測試參數在表6中已經給出。表6 體系動態(tài)拉伸試驗參數4.4 實驗結果開始時候我們將盤里的試樣放在卷材下面，現在機械連接體系常這樣安防。采用感應加熱將標準的PVC卷材（含玻璃纖維增強材料）附著到光盤上方，緊固件的有效長度分別為40mm和60mm。測試時，壓力在0-2.965kN/m2范圍之間變化，卷材和盤之間的粘合劑使用達到1000次后停止使用，圖18a是實驗完畢后的盤和卷材。另外，試驗時壓力在0-8.235kN/m2之間變化，如圖18所示，在1000次重復實驗后元盤中周邊的卷材開始撕裂。即使是PVC作為加強卷材，卷材和網格都會遭到破壞兩種類型的損壞常出現在屋頂上。圖18 疲勞實驗里發(fā)生的損壞。（a）測試中壓力在02.965kN/m2之間變化時卷材和盤之間的粘合劑損壞；（b）測試中壓力在02.965kN/m2之間變化時圓盤周圍的卷材撕裂；（c）測試中壓力在02.965kN/m2之間變化時圓盤損壞；（d）測試中壓力在08.235kN/m2之間變化時圓盤周圍的膜撕裂；（e）測試中壓力在08.235kN/m2之間變化時緊固件穿透時的膜撕裂；（f）測試中壓力在08.235kN/m2之間變化時圓盤損壞；（g）測試中壓力在08.235kN/m2之間變化時較長緊固件從較短緊固件中拉出。 為了防止盤和卷材之間的粘合劑失效，我們變換了卷材和盤的位置，測試了帶卷材盤的體系，這種實驗裝置常常用。測試中以壓力為2.965kN/m2為例，如圖18（b），在重復實驗1000次后圓盤周圍的卷材開始發(fā)生撕裂。此外，在測試中壓力為8.235kN/m2時，卷材撕裂如圖18（e）所示，因為緊固件穿透卷材開始發(fā)生損壞，卷材的損壞是瞬間的，當重復實驗50次以后，卷材已經完全被損壞了。在高壓力下云盤一開始就被卷材轉移過來的損壞。緊接著，我們用一個不同的、高強度的、聚氨酯加固 PVC卷材做試樣，緊固件部分和之前實驗的一樣。在試驗中，壓力在0-2.965kN/m2之間變化，緊固件成了最脆弱的部分，尤其是緊固件的金屬盤。如圖18c，在重復實驗20，000-30，000次后，金屬發(fā)生疲勞現象，光盤呈現完全的圓形斷口，這種疲勞性斷裂是因為由卷材傳至圓盤的垂直向上的重復力。表7 測試結果（壓力范圍：02.965kN/m2）表8 實驗結果（壓力范圍：0kN/m28.235kN/m2）在實驗中，壓力在08.235kN/m2范圍之間變化時，如圖18f所示，圓盤第一次因為高壓力而變形，光盤彎曲，然后，中間部分斷裂。對于壓力為8.235kN/m2時所有試樣進行測試，如圖18g所示，40毫米長的緊固件被拉出。重復次數按表7在壓力在0-2.965k/m2之間變化時測試和如表8壓力在0-8.235kN/m2之間變化時測試試樣損壞停止。5. 討論如圖19和圖20所示的例子，我們闡釋了作為機械連接防水體系的一部分理論AAC基板緊固件的評估理論。圖19 給定安裝間距和緊固件強度防水體系強度評估方法示例圖20 設定風速和緊固件最大間距的關系5.1 緊固件強度和防水體系做幾件的關系如圖19所示的例子，使用60毫米的PA插頭的機械緊固件安裝在光盤上后，將PVC卷材安裝到AAC基板上，考慮600mm的AAC面板的寬度和面板中心線處的最佳緊固件位置，0.50.5mm的有效面積表示600420mm的緊固件距離。分析不同載荷時的測試結果和所記錄的重復次數，在堅固件的動態(tài)拉伸強度值由曲線表示。該帶一個60mm長的PA插頭的機械緊固件的適用范圍被示為曲線下的白色區(qū)域。通過對體系進行疲勞實驗，我們獲得的結果在圖里以十字表示，是說由虛線連接的試樣已經損壞。在該示例中，緊固件始終承受載荷，直到測試結束時，該體系的其他組件發(fā)生故障（粘合劑破壞，卷材撕裂，光盤破損）。我們可以說，經證明AAC面板適合于機械地附著防水體系，仍然在較高的承載能力方面潛力也高。5.2設定風速和緊固件間距之間的關系圖20是設計風速和防水體系堅固件最大間距的關系，我們設計風速為30-50m/s的同時確定緊固件間距和屋頂角落的等效負壓值，因此緊固件靜態(tài)和動態(tài)強度的關系就出來了。比如，帶60mm長尼龍插頭機械緊固件的防水體系的安全區(qū)域由水平線以下的白色區(qū)域下表示，水平線指緊固件的動態(tài)強度。又例如，對一個設計風速為40m/s的在某一區(qū)域的建筑，通過考慮其動態(tài)強度值，我們在圖中找到圓圈，緊固件的安全位置是在箭頭下方730mm，此外，通過考慮AAC面板的寬度為600mm和在AAC中心線上的最佳緊固件位置，設計緊固件陣列以使間距是600730mm，圖中的左側的灰色區(qū)域，緊固件間距小于150mm時由于AAC面板強度較小并可加工性變差，認為是不安全的。6.結論評價機械連接防水體系AAC面板作為基底的可靠性，我們研究了安裝在AAC面板上機械和化學緊固件的最終靜態(tài)和動態(tài)拉伸強度。機械緊固件平均靜態(tài)抗拉強度等于2.0kN。隨著化學手段的改進，加入了環(huán)氧樹脂和彈性粘結劑后同樣的緊固件平均靜態(tài)拉伸強度分別達到5.0kN和4.0kN。機械緊固件動態(tài)拉伸強度重復107 次后下降至1.5kN，加環(huán)氧樹脂的緊固件靜態(tài)拉伸強度下降至2.2kN，加彈性粘合劑的緊固件的靜態(tài)強度下降至2.0kN。接著，通過利用專門開發(fā)的原型測試儀器，我們對屋頂常用的材料的試樣成功進行了大量重復實驗。斷口證明了屋頂防水體系的失敗之處，我們總結實驗中的損壞和屋頂發(fā)生的損壞如下：因為風的原因在屋頂能觀察到圓盤和卷材之間的粘合劑失效，通過實驗設備觀察到已經是完全失效，卷材撕裂是更為常見的失效類型，通過實驗設備觀察卷材失效也非常接近于完全失效，由于作者知識有限，圓盤失效還未納入市級研究體系中。此外，通過研究緊固件和完整的防水體系動態(tài)強度之間的關系，總結出AAC面板完全能作為機械連接防水體系的基板，歸納出緊固件安全負載的條件，提出在設定風速的情況下緊固件最大間距的測定方法。致謝作者對東京工業(yè)大學材料與結構實驗室的之肇石井先生表示衷心的感謝，感謝他對本實驗測試設備制作的指導，感謝建筑山出公司和三星皮帶有限公司在試樣制備過程中的合作，以及東急建設和技術研究所對有關研究的有益討論。此外，這項研究是韓國政府（MEST）（No.2012R1-A2A2A01014582）資助的國家研究基金會（NRF）授予的，韓國政府智囊團也提供了一些研究人員。我們衷心的感謝各方的支持。參考文獻AIJ,，2005The Third Symposium on Waterproofing Membrane System， Investigation ResultsofActual Conditions and the Wind Tunnel Test Results onMechanically Anchored Waterproofing Membrane System, Architectural Institute of JapanBaskaran,，A.，2002. 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