屋面系统所面临的诸多挑战中，冰雹是最具破坏性的，风暴带来冷降雨，由此形成的冰雹会猛烈撞击瓦面。美国国家气象局每年的年度恶劣天气报告中都会记录冰雹直径大于或等于2.54cm的地方，初步报告表明，2013年整个美国共有7065例大冰雹，2014年的情况和2013年相似。因此，全美每年由冰雹造成的财产损失大约有12.5亿美元也就不足为奇了。冰雹带来的撞击力能破坏屋面覆盖层。对于沥青瓦屋面来说，主要破坏模式有3种：瓦面碎裂、沥青损伤和矿物粒料脱落。
冰雹撞击瓦面带来的冲击力会使沥青瓦向下弯曲，瓦的上表面受到垂直压应力，而瓦的下表面受到水平拉应力。为了吸收上述应力，瓦的底部会扩展，这种扩展会导致裂纹，即瓦面碎裂。如果裂纹没有延伸至整个瓦片，就称作为沥青损伤，沥青损伤仍然被视为功能损伤，因为它会使得瓦面易碎。撞击也可能使沥青瓦表面的矿物粒料脱落，使暴露于紫外线下的沥青更容易老化。
保险部门创建的冲击试验重点是瓦面碎裂试验，该试验已经发展成为UL 2218标准，该标准的验收准则中“不合格”的判定为：对于瓦面碎裂试验，瓦背面如有可见裂纹被定义为试验不合格。当前的试验方法认为功能性破坏是由瓦底部开裂引起的，但是不涉及矿物粒料脱落、沥青损伤或者瓦表面可见孔洞等能导致沥青材料加速老化的因素。
商业和住宅安全保险所的研究发现，有屋面覆盖材料的住宅比没有屋面覆盖材料的住宅少40%，有屋面覆盖材料的住宅被认为是具有耐冲击性的。尽管许多沥青瓦都通过了UL 2218标准的4级耐冲击测试，但它们仍然有不同的表现。该保险所研究中心的独立检测也表明，在耐冲击试验中，对所有4个钢球冲击等级试验来说，聚合物改性沥青瓦的耐冲击性比传统的氧化沥青瓦要好20%～50%。实际使用情况也证明了这一点，同一地区相邻的两幢建筑，屋面覆盖材料分别采用SBS改性沥青瓦和氧化沥青瓦，冰雹过后的情况见图1—2。
图1 同一建筑冰雹过后SBS改性沥青瓦完好而壁板破坏
图2 相邻建筑氧化沥青瓦遭到破坏
沥青改性
所有屋面覆盖材料都是由各组分相互协同形成保护屏障的一个系统，瓦也是一样。沥青瓦主要由胎体、沥青、填料和矿物粒料组成，每个组分都有其功能，对于产品的最终性能来说都是必不可少的。在寻求创新的道路上，改性沥青引领了弹性沥青应用的新时代。
在传统沥青瓦生产工艺中，沥青被用作覆盖材料。原料沥青一般称作原沥青，是屋面覆盖材料的基料，软化点为27～49℃。而沥青瓦屋面的测试温度超过82℃，为了发挥屋面覆盖材料的功能，需要将沥青硬化，使之可以承受屋面的正常工作温度。传统工艺为沥青热氧老化或氧化反应，通常做法是将液态沥青在260℃下吹气氧化1～10h。一旦原沥青被氧化，其软化点会上升至93～107℃。
沥青的自然老化过程受3种因素的影响：热、氧气和紫外线。通过热和氧气可以人为地催化自然老化过程，使原沥青发生化学变化，从低分子量化合物（芳香族化合物、树脂和饱和烃）形成长链沥青质。沥青硬化的结果是氧化沥青对应力的反应能力受到了限制。因此，为了抵抗由冰雹冲击带来的应力，传统沥青必须具有足够大的分子量。
调整沥青物理性能的另一种方法是聚合物改性。聚合物材料一般是由相似化学成分的大分子组成，其分子量不随环境温度的变化而变化。沥青不同于聚合物材料，是由复杂小分子混合物组成，这些小分子的结合力高度依赖温度，聚合物和沥青混合，能使结合力更稳定，与原沥青和氧化沥青相比，其对于温度的依赖性较小。
聚合物改性不仅可以控制软化点温度，也可以改善胶粘质量。沥青中添加SBS可以提高软化点但却不会改变沥青的化学组成，能更好地保持在氧化过程中可能损失的柔性。在沥青氧化过程中使用这种改性聚合物，能够改变沥青的应变性能，使其能够在更大应力下发挥作用，比如由于冰雹撞击瓦面而引起的应力。
生产过程中改性聚合物的引入和应用，也会影响沥青瓦的耐久性。沥青瓦生产过程中引入改性聚合物通常有3种方法。第1种方法是用聚合物改性沥青充分浸渍胎体。该方法会降低产量，因为聚合物改性沥青的加入会增加黏度，需要更多时间充分浸渍胎体。用SBS改性沥青充分浸渍的沥青瓦，具有SBS优异的柔性和抵抗变形的能力。第2种方法是用氧化沥青浸渍胎体，然后在上表面涂一层聚合物改性沥青。该方法由于氧化沥青的低黏度，可以保持快速的生产速度，但是和第1种方法相比，柔性及其他性能相对较差。第3种方法是在氧化沥青中添加聚合物混合油、松香或树脂添加剂。该方法只能稍微软化氧化沥青，但由于引入了人工催化的氧化沥青而不是原沥青，这种方法不能充分发挥聚合物对沥青的改性效果。
聚合物改性沥青瓦介绍
SBS改性沥青防水卷材是由Malarkey Roofing Products公司在1977年引入北美的。凭借这项技术，该公司在1986年第1次引进了SBS改性沥青瓦。SBS改性沥青瓦可以在阿拉斯加州的低温下安装，从而有效延长了屋面施工季节，并减少了氧化沥青瓦冬季施工引起的开裂。安装时，在现场观察到改性沥青瓦另一个意想不到的特性：抗风性。
1992年，对于抗风揭性进行了进一步测试。该试验是在实验室进行的，安装SBS改性沥青瓦到屋面板上，并确保充分密封，施加约177km/h的风力2h。经过初次试验后，第2次试验用未密封的沥青瓦，再次施加约177km/h的风力2h，沥青瓦在风压下会弯曲翘起，但当测试结束时，又会恢复原状，并没有出现沥青瓦被风掀起的现象。
沥青瓦主要依靠上层瓦把下层瓦密封起来以防止其被风掀开。SBS改性沥青瓦具有在风压下弯曲然后恢复原状的能力，减少了被风掀起的可能性，可以避免屋面被完全破坏，为屋面提供了一层额外的保护。2014年，商业和住宅安全保险所的研究中心通过试验已经发现，沥青瓦良好的柔韧性能使其在风暴中免遭破坏（即使是在密封破坏的情况下）。
20世纪90年代末，在高风地区，比如美国中西部，由于冰雹的原因很多屋面都安装了改性沥青瓦，随后发现改性沥青瓦还能够抵抗风暴带来的破坏。1997年，SBS改性沥青瓦通过了UL 2218标准耐冲击试验的4级评定。从此，在整个美国中西部地区，SBS改性沥青瓦由于优异的抗冲击性能成为首选沥青瓦。
沥青瓦的性能不仅仅是抗冲击，还有弹性恢复率。按照ASTM D412标准测试沥青承受拉力的能力，在这个测试中，氧化沥青可以延伸至原始尺寸的50%，但是不能恢复到原始尺寸；SBS改性沥青可以延伸至300%或更大，然后基本能恢复到原来的大小。SBS改性沥青良好的弹性恢复率使其具有更好的应变响应，同时，弹性恢复也有助于改善其与矿物粒料的粘结性。矿物粒料随着天气冷热变化会自然收缩和膨胀，SBS改性沥青的扩展和恢复能力使其具有更好的矿物粒料粘结性；反过来，好的矿物粒料粘结性可以保护改性沥青免受紫外线的降解破坏。
强化的系统
我们不能改变天气，但可以强化屋面系统，使它能够更好地适应不断提高的功能需求。为了完善屋面解决方案，商业和住宅安全保险所建立了强化屋面系统项目独立测试指南，旨在减少由于自然灾害引起的潜在财产损失；同时，也在寻求新的解决方案，继续研究如何通过沥青与聚合物的混合创造出更有弹性的屋面材料。
（本文原载于《中国建筑防水》2016年第3期，沈玉华 摘译自Interface,March 2015）
本文编辑/丁春花
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