收稿日期：2019-06-19；修订日期：2019-07-29
作者简介：刘锡涛，男，1981年生，辽宁沈阳人，硕士，高级工程师。地址：上海市浦东新区康新公路3399弄25号，E-mail ：leo.liu@mlcpoly 原mer 。
防水膜材料裂缝桥接性能研究
作为建筑质量体系中的一环，防水性能在建筑整体性能表现中十分关键。评价建筑用防水系统的优劣往往会具体到其抗渗性、耐久性、耐候性及施工难易程度等诸多方面，而防水材料的裂缝桥接性能CBA （Crack bridging ability ）作为一种考量其长期承载基材变形的能力也被众多标准、工程指标列为重点考察的内容之一。
1裂缝桥接性能的概念
关于材料的裂缝桥接性能（CBA ）在不同的标准中有着较
为接近的定义表述。如英国标准EN 14891：2007将其定义为：固化后的防水材料经受裂纹扩张而不损坏的能力；德国标准EN 1062-7中将其定义为：涂层或者涂层体系经受由于
裂纹扩展引起的断裂延伸的能力；此外JC/T 2415—2017《用于陶瓷砖粘结层下的防水涂膜》对于材料
桥接能力裂缝则有如下定义：防水涂膜承受基层裂纹扩散而不被拉伸破坏的能力。观察这些定义可以发现，其中都提到了承受裂缝扩散的相关概念，区别在于被描述的主体不同，有的是硬化防水膜，有的则是涂层材料，这点与相关标准的不同应用范围有关。根据上述概念，本文将材料裂缝桥接性能总结为涂层体系经受裂纹扩张而不变形的能力。着重强调了该能力对于涂层体系的普适范围及该体系能承受其基底的裂纹扩展而本身不发生变形的性能。
2防水膜材料工况介绍
防水膜材料应用时的工作状况大致可归纳为2种：一种
情况是防水膜在实际应用的伸缩过程中受到的应力大于其所能承受的极限应力值滓0，此时材料会发生塑性形变，出现不可逆的褶皱状态[见图1（a ）]，一般情况下，对于相同的基材裂缝扩张情况来说，防水膜材料发生塑性形变的情况一般发
刘锡涛
（上海超铠新材料有限公司，上海
201318）
摘要：关于防水膜材料的裂缝桥接性能，许多国家和地区都针对实际情况设计规定了不同的性能要求、制定了测试标准和相
应的施工规范，对这些标准进行了对比分析。在现阶段的实际施工过程中，针对不同的应用领域及目的，设计、合成了一系列不同类型的防水膜材料，并已在各类工程中得到广泛应用。介绍有关防水膜材料裂缝桥接性能的相关概念；归纳总结并比较与防水材料裂缝桥接性能相关的性能要求、测试标准、研究进展，以期为后期工作提供参照，并对防水材料的未来发展作出展望。
关键词：防水膜材料；裂缝桥接性能；防水材料中图分类号：TU57+3
文献标识码：A
文章编号：1001-702X （2019）12-0120-05
Study on the crack bridging ability of waterproofing membranes
LIU Xitao
（Shanghai Chaokai New Materials Co.Ltd.，Shanghai 201318，China ）
Abstract ：A series of requirements ，standards and corresponding construction regulations have been developed to judge crack
bridging ability （CBA ）of waterproofing materials in different situations and applications by countries and regions.Comparative analysis of these standards was made.In the actual construction process at this stage ，a series of different types of waterproof
membrane materials have been designed and synthesized for different application fields and purposes ，and have been widely used in various projects.This summary will introduce the definition of CBA of waterproofing materials ，summarize and compare the CBA-
related requirements ，standards and research progress to give instructs and prospects to further work.
Key words ：waterproofing membranes ，crack bridging ability ，waterproofing
materials
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生在材料本身σ0值较小的状态下；另一种情况是防水膜在实际应用的伸缩过程中所受到的应力并未超过其所能承受的极限应力值σ0，因此其整个伸缩过程一直维持在弹性形变范围
内，故防水膜材料本身的状态未发生明显的变化[见图1（b ）]，通常意义上，对于相同的基材裂缝扩张状况，只发生弹性形变的防水膜材料σ0值往往较大。在实际工况中，防水膜材料性质本身会随着时间及环境的变化而发生改变，因而其所经历的也通常是之前所述的塑性形变和弹性形变的综合过程，直观上看，各类建筑的涂层在服役一段时间后都会或多或少出现不平整、褶皱及破裂的状况，这也是涂层材料CBA 能力的直观体现。
图1防水膜材料工况示意
3材料裂缝桥接性能测试标准介绍
对于防水材料、涂料的性能指标，各国、各地区制定了一
系列的标准，这其中也不乏对于该类材料裂缝桥接性能的要求。总体来说，针对材料裂缝桥接性能的测
试方法主要可分为持续拉伸的单向测试和来回伸缩的往复测试2种，而这2种测试方法又各自可依据承载基底的情况分为初始有间隙和初始无间隙2类。相比之下，初始无间隙条件下的动态往复伸缩测试对材料的总体性能要求最高，因为这一测试条件不仅考验材料的循环、耐久性能，同时在同样的拉伸宽度下，初始无间隙情况下材料所产生的应变较初始有间隙情况下更大，因而该测试条件对材料极限应力的考验也相对更高。故在4类测试中，初始无间隙条件下的往复伸缩测试对于材料的性能要求最为严苛。在同等情况下，初始有间隙条件下的单向拉伸测试对于材料的性能要求是4类测试中最低的。在实际测试标准中，由初始有间隙单向拉伸的方法还衍生出了初始有间隙的静态测试法，该方法较为少见，对于材料裂缝桥接性能的要求也是最低的。实际过程中，由于不同国家、不同类型的材
料所经历的工况不甚相同，因此对材料的性能要求不能一概而论，故各国、各地区针对不同材料制定了不同的性能指标与要求，见表1、表2。
表1
材料裂缝桥接性能测试标准介
绍
项
目
日本标准
澳洲标准AS/NZS 4858美国标准
ASTM C1305-08
新加坡标准
A 类
B 类水性防水材料溶剂型防水材料
测试方法单向拉伸
单向拉伸
往复伸缩
往复伸缩
单向拉伸/往复
伸缩
往复伸缩
初始间隙/mm
02
拉伸宽度
2mm （标况）
/1.5mm （加热）/1mm （水中浸泡
7d ）1mm （标况/水中浸泡7d ）
50%断裂伸长（断裂伸长率<300%）/4mm （断裂伸长率>
300%） 3.2mm 单向拉伸2mm 往复伸缩1mm
2mm 拉伸速率5mm/min
5mm/min
60min 内拉伸至所需宽度
3.2mm/60min
3.2mm/60min 3.2mm/60min
循环次数/次005010单向拉伸0往复伸缩1010试样尺寸/mm 120×50120×5060×2550.8×49.6×1.5050.8×49.6×1.5050.8×49.6×1.50测试环境
（23±2）℃，（50±5）%RH （23±2）℃，
（50±5）%RH （20±2）℃，（65±15）%RH
（-26±1）℃（23±2）℃，（50±5）%RH
（23±2）℃，（50±5）%RH
养护环境标况：7d ；加热：7d 标况+7d 80℃；水中浸泡：7d 标况
+7d 浸水标况：7d ；水中浸泡：7d 标况+7d 浸水参照材料要求
室温养护14d ，（70±2）℃养护2d ，室温放置≥1h ，（-26±1）℃养
护≥24h 室温养护14d ，
（70±2）℃养护
2d ，室温放置
≥1h 0.5%NaClO 、1.25%氨
水和3.7%盐酸中各
浸泡72h
适用范围
聚合物改性水泥基材料
聚合物改性水泥基材料
建筑内部潮湿区域防水
ASTM C957-06整合型涂层表面/ASTM C836-06分离型涂层表面
建筑内部潮湿区域防水
建筑内部潮湿区域防水
表3不同测试标准的归纳总结
表2材料裂缝桥接性能测试标准介绍
测试方法初始有间隙静止测试初始有间隙单向拉伸初始无间隙单向拉伸初始有间隙往复伸缩初始无间隙往复伸缩
标准EN1062-7A1ÖNORM B2207日本/新加坡水性防水材料/
EN1062-7方法A/
EN14891:2007/ETA G022
AS/NZS4858/
EN1062-7方法B
ASTM C1305-08/
新加坡水性防水材料、
溶剂型防水材料
项目
英国标准
BS EN1504-2：2004BS EN14891：2007
测试方法单向拉伸参考BS EN1062-7单向拉伸初始间隙/mm0参考BS EN1062-70
拉伸宽度
0.1mmA1/0.25
mmA2/0.5mmA3/
1.25mmA4/
2.5
mmA5
参考BS EN1062-70.75mm
拉伸速率
A1静止/cracks什么意思中文
0.05mm/minA2&3，
0.5mm/minA4&5参考BS EN1062-70.15mm/min
循环次数/次0参考BS EN1062-70试样尺寸/mm参考BS EN1062-760×30
测试环境23℃A1/推荐-10℃
A2&3&4&5参考BS EN1062-7（23±2）℃，（50±5）%RH/-5℃/ -20℃
养护环境高温/紫外、湿气/
水中浸泡/冻融
反应性树脂：（70±2）℃养护
7d，（23±2）℃，（50±5）%RH
养护至少24h；膏状涂敷材
料：间隔置于（60±3）℃、紫外
光照4h与（50±3）℃、潮湿条
件下4h，交替持续1000h后，
再在（23±2）℃，（50±5）%RH
下养护≥24h
（23±2）℃，（50±
5）%RH环境下
养护28d
适用范围
用于墙体或者
混凝土的防护涂料
混凝土表面保护体系瓷砖下防水膜
欧洲
ETA G022
单向拉伸
0.4mm
0.02mm/min
并保持24h
300×150
（23±2）℃，
（50±5）%RH
（23±2）℃，（50±
5）%RH环境下
养护28d
潮湿房间地板和
墙壁防水涂料
奥地利标准
ÖNORM B2207
单向拉伸
0.2
0.4mm
0.2mm/（15~20）
min并保持24h
150×145
（23±2）℃，
（50±5）%RH
（23±2）℃，（50±
5）%RH环境下
养护28d
瓷砖、面板和
马赛克铺设德国标准
方法A
往复伸缩
0.1mmB1&2&3/
0.2mmB4
0.05mmB1&2/0.2
mmB3/0.3mmB4
f=0.03Hz
B1&2&3.1&4.1/
额外增加振动
W L=±0.05sinus，n=
20000，f=1Hz
B3.2&4.2
100B1/1000
B2&3.1&4.1
推荐-10℃
高温/紫外、湿气/
水中浸泡/融冻
用于墙体或者
混凝土的防护涂料
方法B
表3归纳的是不同标准所用的裂缝桥接性能测试方法的
种类。在有关材料裂缝桥接性能的各类测试中，往复伸缩测试
标准对于材料性能的要求要比单向拉伸标准的严格。单就各
类采用单向拉伸方法进行测试的标准来说，日本针对聚合物
改性水泥基防水材料的测试标准要求最高，奥地利标准ÖNORM B2207要求最低，这与当地不同环境及不同种类材料的应用领域有着一定的关系。总体上说，在各类采用单向拉
伸测试方法的标准中，英国标准EN14891：2007和德国标准EN1062-7方法A对于材料的性能要求较为合理。在使用往复伸缩法进行测试的各类标准中，ASTM C1305-08的测试温度为（-26±1）℃，更符合寒冷地区的实际情况，同时该方法还使用了初始无间隙的测试条件，因而对材料的整体性能要求相对较高。而澳州标准AS/NZS4858和德国标准EN1062-7方法B对于材料裂缝桥接性能的测试使用的都是初始有间隙的实验条件，且这2类标准的共同特点是循环次数标准较高，这点相对符合长时间、复杂环境下的实际工况，不过其中EN1062-7标准对于B3.2与B4.2级产品的测试方法及性能要求显得较为苛刻。另外，新加坡《关于内部潮湿环境的防水指导》中针对不同类型的材料制定了不同的测试标准及手段，对水性防水材料和溶剂型防水材料根据不同性质及应用范围，设计了相应的初始无间隙条件的单向拉伸和初始无间隙条件的往复伸缩的测试体系及特定性能要求，体现了设计、施
工的针对性，也很好地展示了不同材料对应不同应用的新一代防水材料应用理念。
4防水材料及其裂缝桥接性能的研究进展
TAKATSUGU Iwai [1]在研究中介绍了日本市场屋面防水
材料的市场占有率状况。调查发现，目前，日本屋面防水材料市场中防水卷材的市场占有率为65%~70%，单层液态材料的市场占有率为15%~20%，而多层液态材料的占有率则为10%~15%，防水卷材在日本市场占有相当大的比重，但随着技术的发展、科技的进步，液态防水材料的市场占有率将会不断上升。如表4所示，对一系列不同类型、不同厚度的液态防水材料分别进行了初始无间隙条件下的单向扩张、往复收缩及初始有间隙条件下长时间静态裂缝桥接性能的测试。多层体系中，丙烯酸橡胶类防水体系以A 、C 、E 、J 为代号，氯丁橡胶类以K 为代号，硅胶类以N 为代号，单层体系中，丙烯酸树脂类以S 为代号。
表4
不同类型防水材料裂缝桥接性能的比较[1]
表4结果表明，多层体系的CBA 优于单层体系，同时丙烯酸橡胶和硅胶类防水材料所表现出的裂缝桥接性能要优于其它类型的防水材料。
Delucchi M 等[2]比较了不同厚度的防水膜材料在不同基
材裂缝产生条件下所表现的CBA 。如图2所示，附着在基材表面的涂层材料在单向拉伸法裂缝桥接性能测试过程中的应力变化主要分为以下几个阶段：第Ⅰ阶段，涂层材料的应力随着基材间拉伸距离的增大
而迅速上升；第Ⅱ阶段，基材完全断裂，应力迅速下降；第Ⅲ阶段，涂层材料被进一步拉伸；第Ⅳ阶段，涂层材料被拉伸直至完全破坏，应力迅速下降。涂层材料应力值发生迅速下降的拐点所对应的拉伸长度就是材料的裂缝桥接性能值，这就是单向拉伸裂缝桥接性能测试中应力变化曲线所传达的信息的意义。研究发现，完全相同的防水膜材料在测试过程中，其基材通过弯折完全断裂再进行拉伸时所表现的裂缝桥接性能值要高于其基材直接通过拉伸造成完全断裂后再进行拉伸测试所表现的裂缝桥接性能值。另外，虽然整体上较厚的材料往往具有较高的裂缝桥接性能，但不同种
类材料在不同厚度下所表现的裂缝桥接性能分别与其相应厚度之间存在很好的指数函数相关性（见图3）。这一结果表明，材料本身的性质对于其裂缝桥接性能具有一定的决定性，这就方便了今后不同厚度、不同种类材料间裂缝桥接性能的预测与比较。此外，根据该实验所选取的测试样品及其相应结果可以发现，水基乳液型丙烯酸涂层的裂缝桥接性能优于同条件下的环氧树脂-聚氨酯复合涂层，这是一个较为重要的实验结论，对于今后防水材料的设计具有参考价值。
图2涂层/混凝土断裂桥接的典型力学性质与
断裂桥接位移的关系[2]
图3涂层材料断裂桥接位移与厚度的关系[2]
在另一研究中，Litvan G G [3]详细介绍了加拿大地区常用的防水膜体系，如图4所示。
图4
防水膜系统组成示意[3]
在加拿大，防水膜系统常分为薄层体系和厚层体系2类。薄层体系常由底层、防水膜层、磨耗层等组成，这3层材料的总厚度一般小于2mm ，其中的防水膜层材料通常为聚氨酯、环氧/聚氨酯混合物、氯丁橡胶、丁苯橡胶及其它橡胶材料等。磨耗层则通常使用环氧树脂、聚氨酯等材料。厚层体系则通常还包括橡胶化沥青膜、预制粘结层膜和沥青基类磨耗层等组
断裂延伸
循环测试断裂测试综合评价好非常好一般好好好好好差差一般差差差差差差差差差好一般好好差
差
好
一般
A
C E J
编
号
丙烯酸
橡胶类
氯丁橡胶类K 硅胶类N
丙烯酸树脂类
S
成部分。一般情况下，在厚层体系中防水膜层的厚度在5~15 mm，磨耗层厚度在15mm以上。这2类防水膜系统本身在构成上就有着较大的区别，应用领域上也是各有不同。此外，还介绍了针对不同宽度的基材裂缝在涂覆防水膜系统前的预处理措施，较为实用，具有参考意义。
总的来说，水性丙烯酸类、聚氨酯类和硅树脂类防水材料具有良好的裂缝桥接性能和综合防水性能，现
阶段在市场中也占到了相当大的比例，随着今后相关研究的进一步发展，相信会受到更多的关注。此外，相关研究中所总结的有关材料种类与裂缝桥接性能间的相互关系等结论，也会为新型材料的开发提供更多指导和依据。值得重视的是，几乎所有研究都指出，增加材料的厚度往往能使其表现出更好的裂缝桥接性能，这也是提高防水材料裂缝桥接性能表现的一种有效途径。5防水材料发展展望
现阶段，除了优先开发具有优秀裂缝桥接性能的水性丙烯酸、聚氨酯型防水材料外，关于防水材料的整体发展趋势，目前有如下几点发展展望[4]：
（1）大力研究发展高性能、高耐候的材料
聚氨酯防水材料由高污染型向非焦油型、纯聚氨酯型发展，同时开发各种化学改性、纳米改性材料，改善其环保及综合性能；对于外墙防水涂料，推荐开发、使用丙烯酸型涂料；厕浴间防水工程，推广聚氨酯和聚合物乳液防水材料；地下室防水，推广无机防水及结构自防水混凝土与柔性防水卷材或防水涂料相结合的防水方案；潮湿地区墙面防水，推荐使用聚合物防水砂浆或弹性防水涂料。
（2）大力发展环保型防水涂料
加快开发高性能水性聚合物改性沥青防水涂料、水性聚氨酯防水涂料等水性环保品种，从根本上解决现阶段防水材料环境污染的问题。
（3）研究开发防水涂料系列产品
开发系列产品，如底层涂料、中层涂料、面层涂料等，使该系列产品能够适应不同部位、不同施工环境条件的要求。另外，针对新建或翻修等不同目的，分别开发对应的防水产品，在保证工程质量的同时降低整体成本。
（4）研究开发多功能防水材料
涂料基质由溶剂型向水乳型发展，涂层颜由深向浅发展，低档涂料向高弹性、高耐久性、功能性涂料发展，实现涂料领域的全面升级。同时，在防水涂料现有防水功能的基础上，进一步增加保温、隔声、阻燃等附加功能，赋予其更多的复合价值。
（5）研制和推广新型的施工机具
针对双组份防水材料体系，推进使用新型喷涂工艺，以实现反应速度可调、短时间内可反复喷涂、立面厚涂不流挂等目的，进一步拓展新型双组份防水材料的应用范围。
综上所述，现阶段，防水材料开发过程中，在保证材料基础的防水性能上，还需要针对不同的实际应用需求、选择合适的材料种类及恰当的性能指标，并综合考虑环保、施工等其他因素，以此开发出具有良好裂缝桥接性能并兼具其他性能的新型高性能防水膜材料。
参考文献：
[1]TAKATSUGU Iwai.Crack bridging properties of elastomeric wa-terproofing wall coatings.
[2]Delucchi M.Crack-bridging ability of organic coatings for con-crete：influence of themethod of concrete cracking，thickness and nature of the coating[J].Progress in Organic Coatings，2004，49，336-341.
[3]Litvan G G.Waterproofing of parking garage structureswith seal-ers and membranes：the Canadian experience[J].Construction and Building Materials，1996，10（1）：95-100.
[4]余剑英，董连宝，孔宪明，我国建筑防水涂料的现状与发展[J].新
型建筑材料，2004（10）：28-32.
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