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毕业设计-外文翻译

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-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-CompanyOne1

天津科技大学本科生

毕业设计（论文）外文资料翻译

学院：材料科学与化学工程学院

专业：高分子材料与工程

姓名：阮孝顺

学号：

指导教师（签名）：

2014年3月15日

基底机械附着防水体系ACC板

适宜性的确认及其高风压下的强度

MichalBartkoa,HiroyukiMiyauchia,*,KyojiTanakab

a忠南大学，305-764，大田，南韩

b日本东京工业大学，226-8503，神奈川县，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日发表

【摘要】受到强风的影响，机械连接防水体系的蒸气压混凝土板（AAC）的可

靠性需要验证。通过静态和动态拉伸试验研究AAC面板紧固件的优点。对最常

用的机械和化学紧固件的优点和AAC断裂类型进行测试观察。静态强度值介于

至之间，动态强度下降范围在１.5到之间。而且，我们创造性的应用了弹性粘

合剂来代替常用的环氧树脂从而广泛的消除了ACC断裂。

我们使用专门设计和生产的恒定负载型动态测试仪，检查完整的机械连接

的防水体系的特征。我们测试了两种聚氯乙烯（PVC）卷材的类型和两种不同

的卷材和圆盘连接方法。重复实验，直到失败的次数高达100,000次，并记录

在相同强度的强风下实际屋顶发生的断裂类型。

也发现了紧固件的动态强度和完全防水体系之间的关系，证明了AAC面板

有足够承载力能够作为机械连接防水体系的基底，也探究出了确定紧固件最大

间距的方法。

2013年爱思唯尔公司保留所有权。

【关键词】：机械连接防水体系；AAC镶基板；阻力风；静态和动态测试；断

口模式；体系设计方法

2013年爱思唯尔公司保留所有权。

1.前言

机械连接防水体系是一种干式防水体系，有几个优势，比如不受裂缝和联

合移动的影响。该防水体系适用于多种类型的基板，安装简单容易，可以方便

的修复，在技术上和经济上可行。因此，该体系在日本和全球的使用量正在增

长。蒸压加气混凝土板（AAC板）经常被用作住宅楼屋顶基底上。

机械连接体系的目的是要为日本抵御许多台风的袭击。从充分实现防水体

系的透视性看，如图1中所示的负风压，该行为在低坡屋顶表面，是设计紧固

件类型和负风压的基础。AAC面板常用的紧固件类型如图2所示。考虑到跟常

规钢筋混泥土相比AAC板强度明显较低，已经有人注意到风应力不持久的AAC

紧固件，但在文献里还未被提到。

图1影响防水卷材的风向

图2蒸汽压混泥土板的紧固件类型（AAC紧固件类型）

这种防水体系已经被安装在许多带低坡的屋顶，但不幸的是，常造成了一

些重大事故（比如AIJ,2005;RICOWI,2006,2007a,b）。这种机械式连接体系由若

干材料和部件组成，和风力载荷一起被传输至卷材，随后传送到光盘、紧固

件，并最终到基板上。对防水体系发生会发生实质性伤害。从故障情况看，我

们可以从风动态重复特征的影响确定造成的损害，而不是从静态特征。图3总

结了几种故障。

图3机械连接屋面的可能断裂类型

测量是Baskaran（Baskaran等人进行的，1999年，2009年；baskaran，

2002；Baskaran和Smith，2005年；）Gerhartd（GerhardtandGerbatsch,1991

年;Gerhardt2011年；Gerhardt2011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；

Fukudaetall，2009）通过集中在同一基板和不同类型基板上面的体系部件、低

重复频率和重复测试的次数，通过观察屋顶的薄卷材鼓翼，考虑到其寿命长过

多个年，需要大量重复动态试验。

在这种情形下，我们可以研究安装AAC面板的紧固件的静态和动态特

性，来开发测试仪器和进行抗风试验，抗风试验的标本是由普通机械连接的防

水体系相同的部分组成。

2.紧固件和AAC基板静态拉伸试验

试样

制作基板，我们使用专用作低坡屋顶和由聚酰胺（PA）插头和不锈钢螺钉

组成的最常用的钢丝网增强的AAC面板。光盘作为防水体系里必不可少的一部

分在这里被省略了。基板的厚度为100mm，而直径为860mm的PA插头分别插

入920mm深的预钻孔里。螺丝是设计完成后从表面安装完后，高出表面

20mm，以方便用专用夹具夹住。化学紧固件也用相同的方法制备。化学剂、

环氧树脂在安装插头前注入到预钻孔，图4给出了测试用紧固件的安装方法。

图4紧固件的安装方法

测试参数和条件

我们研究了紧固件的拉伸强度和紧固件强度方向上预钻孔直径的影响。为

了完成实验，使用英斯特朗型应力机，连着紧固件的AAC面板安装在应力机底

部，螺钉通过夹具牵拉并，固定在应力机的顶端，如图5所示，测试速度为

1mm/min，测试参数已经概括在表1中。

图5静态试验装置和测试机

表1静态拉伸试验参数

实验结果

研究极限拉伸强度和AAC基板断口。图6给出了机械紧固件和化学紧固件

之间拉伸强度的关系和对预钻孔直径的影响。机械紧固件的一个直径8mm的

基本孔的平均极限强度为，随着直径的增加，强度降低到0，而化学紧固件的

平均极限强度是经过很多测量验证过的几乎恒定的，为5kN。

图6静态拉伸强度的结果

图7静态拉伸试验中出现的AAC断裂类型：（a）无AAC断裂的机械紧固

件断裂；（b）AAC部分断裂化学紧固件断裂；（c）主要是AAC断裂的化学紧

固件断裂。

图8使用紧固件作为PA插头的半切AAC试样

表2弹性粘结试样的测试参数

PA插头插头插入粘合剂硬化一周

前注入到预钻孔：混合环氧树脂和弹性

模量E=的有机硅聚合物

图9带弹性粘合剂试样的测试结果：（a）拉伸强度结果；（b）无AAC断

裂的基底断裂结果

AAC基板断口类型可以从图7观察到。AAC紧固件被基板拉出，AAC基板

无断口。另外，还观察到了化学紧固件两种决然不同的AAC断口类型：一种是

局部类型，一种AAC面板被彻底摧毁。造成两种断裂类型的原因是沿一个可变

插头长度方向的厚度和从尼龙插头到AAC面板最大压力的位置。图8分析了一

个较厚的插头稳定器和较厚底部的半切削试样，如图7中所示的AAC断裂图，

在最远点，螺钉是决定因素：如果螺钉完全通过插头，发生的是这种断裂，然

而，没有通过的螺钉在插头的稳定器部分产生最大压力，从而引起如图7b的断

裂类型。

AAC面板断口消除

对重新装修过的屋顶，屋面被强风破坏后，断裂的AAC面板不能再使用，而要

进行维修货彻底更换，从而产生额外费用和劳动力。理想的紧固件应具有高拉

伸强度而不导致AAC面板出现断口。在同一组实验中，我们研究了加有弹性粘

合剂的化学紧固件，发现跟加入环氧树脂的化学紧固件的断口不同。测试参数

已经总结在表2中，并且测试结果如图9所示。最后的拉伸强度值为（图

9a），AAC断口已经成功消除（图9b）。

3.紧固件和AAC基板动态拉伸试验

试样

动态拉伸试验是在对试样进行完全相同的静态拉伸试验条件下进行的，即

对一个100mm厚的的AAC面板和一个60mm长、8mm直径的插头和不锈钢，

对机械紧固件和两种类型（环氧树脂型和弹性粘合剂型）的化学紧固件进行测

试。

试验参数和条件

为进行动态试验，使用液压压力机械（如图10），循环测试。和静态试验

类似，装有紧固件的AAC面板连接到液压压力机械的底部部分，并且螺钉上产

生循环载荷，该循环载荷是夹具附着在装置顶部的。

图10动态测试设置和测试机

重复次数计算

对于防水卷材的重复次数，需要气象站提供特殊设备和台风的统计数据，

但这样分析超出了研究的范围而不进行。相反我们简化假设和计算出最大次

数。重复次数依赖于振动频率和强风的周期，能用下列公式表示：

n=t×f

n是重复的次数，t是强风周期，f是防水体系的振动频率。

在补充实验的基础上，鼓卷材的估计频率看作f=10Hz，为计算，假设每年

发生两次台风，每一次持续12个小时，防水体系的寿命有10年，周期可以用

以下公式计算：

t=o×t1×tL

o是指台风一年发生的次数，t1是台风的周期，tL是防水体系的寿命（单

位：年）。

在这些实验的基础上，机械连接防水体系能承受的循环次数必须等于

10,000,000，并且设置第10,000,000作为最后一次，此外，因为试验次数太

多，小于10Hz的频率将显著延长实验时间，测试条件和参数分别总结在了表3

和表4中。

表3动态拉伸试验的条件

表4动态拉伸试验中的参数

实验结果

对每一类紧固件，设置不同的最大拉伸载荷，重复进行黄庄实验，最大拉

伸载荷值等于静态拉伸强度的值。换装实验的目的是获得不同载荷下的强度曲

线，还有重复测量的次数，和最终动态拉伸强度值。图11给出了强度曲线和极

限强度值。表5给出了静态和动态强度还有相关系数的值。

图11重复107次动态拉伸强度曲线和值

表5静态和动态拉伸强度之间的相关参数

AAC断口和静态拉伸试验观察到的相同，一个简单的插件被拉出，AAC基

板没受损伤，

机械胶黏剂和弹性胶粘剂试样也没减少，环氧树脂标本损失也很少。如图

12所示。

图12动态拉伸试验中出现的AAC断裂模式：（a）无AAC机械紧固件断

裂；（b）环氧树脂型的AAC基板断裂；（c）无AAC基板断裂的弹性粘合

剂的化学紧固件断裂。

4．防水体系的动态试验

试验设备

为进行防水体系的动态试验，我们设计和建立了一个样片试验装置。为了

尽可能准确的模拟实际屋顶，我们设计了一个给以恒定负载的装置，这种装置

比恒定负载装置更合适。在研究中，Miyauchi(Miyauchi等人.,2011)到了施加在

紧固件上的垂直力和水平力。考虑到卷材的使用寿命长和风向快速变化，我们

不考虑水平力的影响，只考虑负压力的影响。试验室条件下，负压力难以被气

动压力抵消，负压力从下方作用于卷材，如图13所示。负压力是通过空气压缩

机压缩空气到卷材下面装有乙烯-丙烯-二烯的袋子(EPDM袋)里，然后将负压力

转至防水体系组件。图14是了乙烯-丙烯-二烯袋子。紧固件的位置是在中心，

如图15所示，空气经过乙烯软管到达一个高度适当的水压恒定装置。通过使用

由链条连接到所述马达的曲柄机构，对防水体系无动态重复得地连续施加载

荷。螺旋弹簧连接到曲柄机构，带有该螺旋弹簧的加压夹具加压到盘附近试样

的卷材上，夹具下方的紧固件也受到夹具的压力，从而减轻了盘片和卷材上的

负荷。向上运动时，加压夹具和卷材被分开，负载从而由EPDM袋下方作用在

紧固件、光盘和卷材上。完整的测试设备如图16所示。

图13执行体系动态测试的压力替代体系

图14用于气动压力程序的乙烯—丙烯—二烯单体气囊（EPDM袋）

图15.定压体系

图16设计和制作动态测试设备

试样

为制作基底，使用10mm厚的平面屋顶用的1×1m2大的AAC面板，AAC

面板通过卷材中间的一个紧固件L型的侧边连接到基底，根据Gerhart和Jung

（1991年）的研究，由于卷材的负荷根据情况而不同，在中心只有一个紧固件

的试样会产生扭曲，试样周围比较紧固件而言负载更多。但在我们的研究中这

个情况并没有被考虑在内，但在后来我们研究中，对结果进行比较发现，由

Gerhart和Jung（1991年）校正出来的值是适用的。

紧接着，用两种不同的卷材，即用两种不同的基氯乙烯卷材和按两个紧固

件的长度最大限度的覆盖。下面已经给出了标本摘要。

卷材的应用方法

用了两种不同的方法进行测试。第一种方法中，盘放在卷材下，顶部有粘

合剂（厚度，直径87mm）和紧固件的金属圆盘安装在基板底；然后，将卷材

铺在基板。接着，将卷材通过感应加热附着到圆盘上。在这种方法中，卷材不

穿孔，而且非常迅速。第二种方法中，，盘被放置在卷材上面。相反这种方法

中卷材直接放在基底上，带有紧固件的金属圆盘（厚，直径）在陌上，这种方

法中卷材是多孔的，所以圆盘上方和卷材上面必须加保护盖。试验中为了更好

的观察试样，不用保护盖。

PVC卷材的类型

实验中我们使用两种类型的卷材，一种是玻璃纤维网格的厚的PVC卷材，

一种是类似的厚的聚酯卷材（高强卷材），图17给出了两种卷材的机械性能。

图17所使用聚氯乙烯膜的性能

紧固件长度

把8mm直径、长度分别为40,mm和60mm的不锈钢螺丝安装到PA插头

负吸引力

风速和负压力彼此相关。根据《建筑物负载研究》（2004年版），风压的

定义公式为：q

H=1/2CPEρU2

H，

qH是风压，ρ是空气密度，m3，U

H设计风速，CPE是最大风压系数。

考虑到将更可能大的力施加到平面屋顶的屋角，我们进行了抗风测试。我

们认为日本最典型的两种风速是最低的30m/s和最高的50m/s，C

PE的最大值

为，运用公式3，我们计算出负压和在m2和kN/m2两个水平幅度进行疲劳测

试。

首先，使用空气压缩机将EPDM袋里的空气压缩至设定水平，测试时一直

持续压缩，每5s按一次紧固件的拉链获得，导致了有时施加在紧固件上的力为

0,。在Baskaran测量的基础上（Baskarand等，1999年），，频率设置为

2Hz,。为确定负重载量的变化，记录压力的频率，将负载电池安装在试样的底

部。测试过程中，试样受到损失，重复次数不做限定，当样品被损坏的时候中

断实验。测试参数在表6中已经给出。

表6体系动态拉伸试验参数

实验结果

开始时候我们将盘里的试样放在卷材下面，现在机械连接体系常这样安

防。采用感应加热将标准的PVC卷材（含玻璃纤维增强材料）附着到光盘上

方，紧固件的有效长度分别为40mm和60mm。

测试时，压力在m2范围之间变化，卷材和盘之间的粘合剂使用达到1000

次后停止使用，图18a是实验完毕后的盘和卷材。另外，试验时压力在m2之间

变化，如图18所示，在1000次重复实验后元盘中周边的卷材开始撕裂。即使

是PVC作为加强卷材，卷材和网格都会遭到破坏两种类型的损坏常出现在屋顶

上。

图18疲劳实验里发生的损坏。（a）测试中压力在0—m2之间变化时卷材

和盘之间的粘合剂损坏；（b）测试中压力在0—m2之间变化时圆盘周围

的卷材撕裂；（c）测试中压力在0—m2之间变化时圆盘损坏；（d）测试

中压力在0—m2之间变化时圆盘周围的膜撕裂；（e）测试中压力在0—m2

之间变化时紧固件穿透时的膜撕裂；（f）测试中压力在0—m2之间变化时

圆盘损坏；（g）测试中压力在0—m2之间变化时较长紧固件从较短紧固件

中拉出。

为了防止盘和卷材之间的粘合剂失效，我们变换了卷材和盘的位置，测试

了带卷材盘的体系，，这种实验装置常常用。

测试中以压力为m2为例，如图18（b），在重复实验1000次后圆盘周围

的卷材开始发生撕裂。

此外，在测试中压力为m2时，卷材撕裂如图18（e）所示，因为紧固件穿

透卷材开始发生损坏，卷材的损坏是瞬间的，当重复实验50次以后，卷材已经

完全被损坏了。在高压力下云盘一开始就被卷材转移过来的损坏。紧接着，我

们用一个不同的、高强度的、聚氨酯加固PVC卷材做试样，紧固件部分和之前

实验的一样。

在试验中，压力在m2之间变化，紧固件成了最脆弱的部分，尤其是紧固件

的金属盘。如图18c，在重复实验20，000-30，000次后，金属发生疲劳现象，

光盘呈现完全的圆形断口，这种疲劳性断裂是因为由卷材传至圆盘的垂直向上

的重复力。

表7测试结果（压力范围：0—m2）

表8实验结果（压力范围：0kN/m2—m2）

在实验中，压力在0—m2范围之间变化时，如图18f所示，圆盘第一次因

为高压力而变形，光盘弯曲，然后，中间部分断裂。对于压力为m2时所有试样

进行测试，如图18g所示，40毫米长的紧固件被拉出。重复次数按表7在压力

在m2之间变化时测试和如表8压力在m2之间变化时测试试样损坏停止。

5.讨论

如图19和图20所示的例子，我们阐释了作为机械连接防水体系的一部分

理论—AAC基板紧固件的评估理论。

图19给定安装间距和紧固件强度防水体系强度评估方法示例

图20设定风速和紧固件最大间距的关系

紧固件强度和防水体系做几件的关系

如图19所示的例子，使用60毫米的PA插头的机械紧固件安装在光盘上

后，将PVC卷材安装到AAC基板上，考虑600mm的AAC面板的宽度和面板中

心线处的最佳紧固件位置，×的有效面积表示600×420mm的紧固件距离。分

析不同载荷时的测试结果和所记录的重复次数，在坚固件的动态拉伸强度值由

曲线表示。该带一个60mm长的PA插头的机械紧固件的适用范围被示为曲线

下的白色区域。通过对体系进行疲劳实验，我们获得的结果在图里以十字表

示，是说由虚线连接的试样已经损坏。在该示例中，紧固件始终承受载荷，直

到测试结束时，该体系的其他组件发生故障（粘合剂破坏，卷材撕裂，光盘破

损）。我们可以说，经证明AAC面板适合于机械地附着防水体系，仍然在较高

的承载能力方面潜力也高。

设定风速和紧固件间距之间的关系

图20是设计风速和防水体系坚固件最大间距的关系，我们设计风速为30-

50m/s的同时确定紧固件间距和屋顶角落的等效负压值，因此紧固件静态和动

态强度的关系就出来了。比如，带60mm长尼龙插头机械紧固件的防水体系的

安全区域由水平线以下的白色区域下表示，水平线指紧固件的动态强度。又例

如，对一个设计风速为40m/s的在某一区域的建筑，通过考虑其动态强度值，

我们在图中找到圆圈，紧固件的安全位置是在箭头下方730mm，此外，，通过

考虑AAC面板的宽度为600mm和在AAC中心线上的最佳紧固件位置，设计紧

固件阵列以使间距是600×730mm，图中的左侧的灰色区域，紧固件间距小于

150mm时由于AAC面板强度较小并可加工性变差，认为是不安全的。

6.结论

评价机械连接防水体系AAC面板作为基底的可靠性，我们研究了安装在

AAC面板上机械和化学紧固件的最终静态和动态拉伸强度。机械紧固件平均静

态抗拉强度等于。随着化学手段的改进，加入了环氧树脂和弹性粘结剂后同样

的紧固件平均静态拉伸强度分别达到和。机械紧固件动态拉伸强度重复107次

后下降至，加环氧树脂的紧固件静态拉伸强度下降至，加弹性粘合剂的紧固件

的静态强度下降至。

接着，通过利用专门开发的原型测试仪器，我们对屋顶常用的材料的试样

成功进行了大量重复实验。断口证明了屋顶防水体系的失败之处，我们总结实

验中的损坏和屋顶发生的损坏如下：因为风的原因在屋顶能观察到圆盘和卷材

之间的粘合剂失效，通过实验设备观察到已经是完全失效，卷材撕裂是更为常

见的失效类型，通过实验设备观察卷材失效也非常接近于完全失效，由于作者

知识有限，圆盘失效还未纳入市级研究体系中。

此外，通过研究紧固件和完整的防水体系动态强度之间的关系，总结出

AAC面板完全能作为机械连接防水体系的基板，归纳出紧固件安全负载的条

件，提出在设定风速的情况下紧固件最大间距的测定方法。

致谢

作者对东京工业大学材料与结构实验室的之肇石井先生表示衷心的感谢，

感谢他对本实验测试设备制作的指导，感谢建筑山出公司和三星皮带有限公司

在试样制备过程中的合作，以及东急建设和技术研究所对有关研究的有益讨

论。此外，这项研究是韩国政府（MEST）（）资助的国家研究基金会（NRF）

授予的，韩国政府智囊团也提供了一些研究人员。我们衷心的感谢各方的支

持。

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