寒冷地區(qū)平屋面防滲漏系統(tǒng)試驗(yàn)研究*

廖 利,祖 峰,梅 陽,朱克勤,劉文中,徐小輝

(1.北京特種工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100028; 2.亞太建設(shè)科技信息研究院有限公司,北京 100120; 3.上海裕項(xiàng)工程建設(shè)發(fā)展有限公司,上海 201999)

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程和建筑業(yè)的迅速發(fā)展,人們對(duì)建筑質(zhì)量的要求逐漸提高。建筑屋面的形式逐漸豐富,綜合體等復(fù)雜形式建筑的發(fā)展對(duì)屋面防滲漏提出了更高的要求[1]。當(dāng)前,建筑滲漏仍是困擾防水行業(yè)乃至整個(gè)建筑行業(yè)的重大問題,工程滲漏率較高,造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失,成為行業(yè)亟需解決的難點(diǎn)問題[2]。在工程質(zhì)量投訴中,滲漏投訴比例一直居高不下。寒冷地區(qū)屋面滲水,嚴(yán)重影響了建筑頂層的使用[3-5],成為工程質(zhì)量頑疾。

屋面滲漏問題直接影響建筑的安全、外觀和使用壽命。滲漏問題的出現(xiàn)也給建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工及后期運(yùn)營維修單位帶來不便,維護(hù)費(fèi)用加重了居民的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[6],甚至造成了不良的社會(huì)影響。因此,研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系防滲漏性能對(duì)建筑安全性、經(jīng)濟(jì)性及人們的生產(chǎn)生活具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

本研究依托內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗地區(qū)氣候條件,制作鋼筋混凝土屋面和金屬巖棉夾心板屋面模型,對(duì)2種屋面系統(tǒng)開展防滲漏和抗風(fēng)揭性能試驗(yàn)研究,并針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果提出系統(tǒng)優(yōu)化措施。

1 氣候條件

額濟(jì)納旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)最西端,轄區(qū)面積占內(nèi)蒙古自治區(qū)總面積的22.8%。該地區(qū)屬內(nèi)陸干燥氣候,具有干旱少雨、蒸發(fā)量大、日照充足、溫差較大、風(fēng)沙多等氣候特點(diǎn)。該地區(qū)年平均氣溫8.3℃,溫差大,1月平均氣溫-11.6℃,極端低溫-36.4℃,7月平均氣溫26.6℃,極端高溫42.5℃。額濟(jì)納旗日均氣溫0℃以上持續(xù)時(shí)期為3月中旬至10月下旬,屬于寒冷地區(qū)。年均≥8級(jí)以上大風(fēng)天數(shù)達(dá)44d,平均風(fēng)速4.0m/s,最大風(fēng)速達(dá)40m/s,大風(fēng)常伴隨沙塵暴,年均沙塵暴14次。分析額濟(jì)納旗地理環(huán)境及氣候環(huán)境可知,該地區(qū)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和保溫性能要求非常高,應(yīng)關(guān)注防水層失效后滲漏水進(jìn)入保溫層導(dǎo)致保溫和防水同時(shí)失效的問題。

依據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,額濟(jì)納旗海拔高度為940.500m,10,50,100年重現(xiàn)期風(fēng)壓值分別為0.40,0.60,0.70kN/m2;依據(jù)JGJ 235—2011《建筑外墻防水工程技術(shù)規(guī)程》,額濟(jì)納旗日最大降水量為21.9mm。

空氣密度:ρ=1.137 8×10-3t/m3,100年重現(xiàn)期風(fēng)壓下風(fēng)速v0=35.1m/s。

根據(jù)閆國臣等[7]的相關(guān)研究,額濟(jì)納旗100年重現(xiàn)期風(fēng)壓相當(dāng)于蒲福12級(jí)風(fēng),極限最大風(fēng)速40m/s相當(dāng)于蒲福13級(jí)風(fēng),風(fēng)壓為0.91kPa。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究寒冷地區(qū)屋面防滲漏體系及相關(guān)性能指標(biāo),設(shè)計(jì)了屋面防滲漏系統(tǒng)試件,并在第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水密性能和抗風(fēng)揭性能試驗(yàn),以研究該屋面體系在極限風(fēng)力作用下的水密性能和抗風(fēng)揭性能。

2.1 試驗(yàn)原理

根據(jù)GB/T 51422—2021《建筑金屬板圍護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)鑒定及加固技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,屋面防滲漏系統(tǒng)水密性能試驗(yàn)原理如下。

1)將試件安裝在壓力箱上,與壓力箱密封,使試件和壓力箱形成密封整體;利用供壓裝置向壓力箱內(nèi)加壓,在試件上下面兩側(cè)形成穩(wěn)定壓力差,以壓力差的大小模擬試件受到不同風(fēng)荷載作用時(shí)的狀態(tài),即屋面抗風(fēng)揭性能。

2)在給試件施加壓力的同時(shí),向試件的室外側(cè)以一定水流量進(jìn)行淋水,模擬試件在風(fēng)和雨同時(shí)作用的條件下,試件阻止雨水向室內(nèi)側(cè)滲漏的能力,即水密性能檢測(cè)。

3)設(shè)定恒定水量3L/(m2·min),最大穩(wěn)定加壓量2kPa,以攝像頭實(shí)時(shí)觀測(cè)和肉眼觀察屋面試件在風(fēng)雨共同作用下的滲漏情況。

2.2 試驗(yàn)裝置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室情況及規(guī)范要求,本次試驗(yàn)選擇在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,試驗(yàn)裝置由測(cè)試平臺(tái)、壓力箱體、風(fēng)壓供給系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成,風(fēng)壓和水壓由中控室進(jìn)行控制,如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental equipments

2.3 試件設(shè)計(jì)及制作

2.3.1寒冷地區(qū)屋面典型做法

對(duì)于寒冷地區(qū)屋面,保溫層和防水層是保證屋面功能的重要構(gòu)造層次,一般保溫層根據(jù)熱工計(jì)算的要求確定,平屋面構(gòu)造通常采用正置式防滲漏結(jié)構(gòu)[8],其典型結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖2所示。為避免該構(gòu)造保溫層內(nèi)蓄水導(dǎo)致防水層起鼓,應(yīng)設(shè)置排氣道及排氣孔。屋面坡度應(yīng)優(yōu)先采用結(jié)構(gòu)起坡,當(dāng)室內(nèi)頂板有裝飾可以掩蓋樓板不平時(shí),應(yīng)優(yōu)先采用同一板厚結(jié)構(gòu)起坡,無法結(jié)構(gòu)起坡時(shí),可用保溫層兼作找坡層。

圖2 寒冷地區(qū)正置式屋面典型做法Fig.2 Typical structure of upright roof in cold regions

2.3.2試驗(yàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.3.2.1混凝土屋面防滲漏系統(tǒng)

參考寒冷地區(qū)正置式屋面典型做法,采用熱鍍鋅方鋼作為屋面系統(tǒng)骨架與試驗(yàn)平臺(tái)固定連接,以鋼骨架輕型混凝土板作為屋面結(jié)構(gòu)[4-5]。由于需要研究結(jié)構(gòu)板拼縫對(duì)屋面防滲漏系統(tǒng)的影響,且保證構(gòu)件尺寸與3m×3m試驗(yàn)平臺(tái)尺寸匹配,選用結(jié)構(gòu)板尺寸為3m×1.5m,結(jié)構(gòu)構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 混凝土屋面試件關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of concrete roof specimen

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件和構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù),混凝土屋面防滲漏系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 混凝土屋面防滲漏系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.3 Design of concrete roof leakage prevention system

2.3.2.2金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統(tǒng)

考慮到工程項(xiàng)目中臨時(shí)性建筑及一般性建筑常采用金屬巖棉夾心的屋面板形式,參考額濟(jì)納旗地區(qū)該類型屋面的典型做法,即采用鋼骨架+金屬巖棉夾心保溫板作為屋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行防滲漏和抗風(fēng)揭性能試驗(yàn)研究,結(jié)構(gòu)構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 金屬巖棉夾心屋面試件關(guān)鍵參數(shù)Table 2 Key parameters of metal rock wool sandwich roof specimen

結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件和構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù),屋面系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統(tǒng)Fig.4 Structure of metal rock wool sandwich roof leakage prevention specimen

2.3.3試件制作

1)混凝土屋面防滲漏系統(tǒng)試件制作流程 焊接鋼骨架(鍍鋅方鋼120×60×5)→將120mm厚鋼骨架輕型混凝土板焊接于鋼骨架上→用填縫劑填充屋面板縫隙→將鋁鎂錳金屬屋面板T形支座間距1m固定于鋼骨架輕型混凝土板的金屬邊框上→支模板→20mm厚砂漿找平→1.5mm厚聚氨酯防水涂膜施工→50mm厚保溫防水一體化聚氨酯發(fā)泡施工→澆筑20mm厚憎水膨脹砂漿→鋪設(shè)0.6mm厚直立鎖邊鋁鎂錳金屬板(65/430)→金屬屋面鎖邊→安裝屋面防風(fēng)夾間距1 500mm。試件制作完成效果如圖5所示。

圖5 混凝土屋面防滲漏系統(tǒng)試件Fig.5 The concrete roof leakage specimen

2)金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統(tǒng)試件制作流程 焊接鋼骨架(鍍鋅方鋼120×60×5)→將100mm厚金屬巖棉夾心復(fù)合保溫板焊接于鋼骨架上→依次鋪設(shè)2層4mm厚SBS改性瀝青防水卷材→以間距600mm龍骨固定卷材→20mm厚憎水膨脹砂漿保護(hù)層施工。試件制作完成效果如圖6所示。

圖6 金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統(tǒng)試件Fig.6 The metal rock wool sandwich roof leakage prevention specimen

3 試驗(yàn)過程

由于抗風(fēng)揭性能試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn),因此,先進(jìn)行水密性試驗(yàn),測(cè)得構(gòu)件的水密性能后,再進(jìn)行抗風(fēng)揭性能試驗(yàn),主要試驗(yàn)步驟如下。

1)試驗(yàn)準(zhǔn)備 將制作好的構(gòu)件安裝到試驗(yàn)箱體上,墊起試驗(yàn)箱體一側(cè),保證屋面試件有5%的坡度,控制坡度方向使卷材順茬搭接排水。用密封膠將構(gòu)件四周密封嚴(yán)實(shí),接好噴淋設(shè)備、加壓系統(tǒng)和壓力測(cè)量系統(tǒng)。

2)水密性試驗(yàn)預(yù)備加壓 先施加3個(gè)壓力脈沖,每個(gè)脈沖壓力差絕對(duì)值為500Pa,每個(gè)脈沖作用時(shí)間持續(xù)10s,泄壓后保持2min再施加下級(jí)壓力。

3)淋水 調(diào)整淋水系統(tǒng)噴嘴角度,對(duì)整個(gè)試件均勻淋水,淋水量為3L/(m2·min),持續(xù)時(shí)間15min。

4)逐級(jí)加壓 在保持淋水量不變的同時(shí),按照150Pa→200Pa→350Pa→500Pa→700Pa→1 000Pa→1 500Pa→2 000 Pa的順序逐級(jí)施加壓力,每級(jí)壓力持續(xù)5min。試驗(yàn)過程中,通過安裝在板底的攝像頭觀察記錄箱體內(nèi)試件的滲漏情況。

5)抗風(fēng)揭試驗(yàn)準(zhǔn)備 再次檢查試件密封情況,漏氣部位用密封膠嵌填密實(shí),保證不漏氣。

6)抗風(fēng)揭加壓 加壓到0.7kPa,保持60s→泄壓到0→加壓到1.4kPa,保持60s→泄壓到0→加壓到2.1kPa,保持60s→泄壓到0→…→直至破壞,每步都應(yīng)檢查試件是否破壞或失效,一旦破壞則停止試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)試驗(yàn)步驟,待構(gòu)件制作完成并養(yǎng)護(hù)后在第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試,獲得2個(gè)典型防滲漏系統(tǒng)的水密性和抗風(fēng)揭性能試驗(yàn)結(jié)果。

4.1 混凝土屋面防滲漏系統(tǒng)

1)水密性試驗(yàn)表明,在3L/(m2·min)均勻淋水條件下,靜態(tài)穩(wěn)定加壓值為2kPa時(shí),構(gòu)件未發(fā)生滲漏,水密性能滿足額濟(jì)納旗地區(qū)風(fēng)力和雨量條件下的防滲漏要求,且有較大的安全余量。試驗(yàn)結(jié)果表明,屋面在3%～5%起坡情況下,設(shè)置直立鎖邊鋁鎂錳金屬板能迅速排走屋面積水,避免滲漏。同時(shí),由于額濟(jì)納旗地區(qū)日溫差較大,采用金屬屋面能夠很好地排水,并與其下構(gòu)造層間形成空氣層,避免其下構(gòu)造層因溫度劇烈變化而開裂,導(dǎo)致防水失效。

2)抗風(fēng)揭試驗(yàn)表明,混凝土屋面防滲漏系統(tǒng)抗風(fēng)揭壓力值為2.1kPa,破壞現(xiàn)象是試驗(yàn)壓力達(dá)2.8kPa時(shí),鋁鎂錳金屬屋面板從T形支座處脫出破壞(見圖7)。2.1kPa抗風(fēng)揭值是額濟(jì)納旗極端風(fēng)速40m/s(對(duì)應(yīng)風(fēng)壓值0.91kPa)的2.3倍,可見構(gòu)件的抗風(fēng)揭承載能力滿足額濟(jì)納旗地區(qū)極端風(fēng)力條件的安全要求,且有較大的安全余量。該設(shè)計(jì)狀況下,屋面防滲漏系統(tǒng)抗風(fēng)揭能力的薄弱點(diǎn)為直立鎖邊鋁鎂錳金屬屋面T形支座與鋁鎂錳屋面板的連接處。

圖7 混凝土屋面防滲漏系統(tǒng)抗風(fēng)揭破壞狀態(tài)Fig.7 Failure state of concrete roof leakage prevention system specimen in wind exposure test

4.2 金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統(tǒng)

1)水密性試驗(yàn)結(jié)果表明,在3L/(m2·min)均勻淋水條件下,靜態(tài)穩(wěn)定加壓2kPa,構(gòu)件未發(fā)生滲漏。該試件的水密性能可以滿足額濟(jì)納旗地區(qū)防滲漏要求,且有較大的安全余量。

2)抗風(fēng)揭試驗(yàn)表明,金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統(tǒng)抗風(fēng)揭壓力值為4.9kPa,破壞現(xiàn)象是試驗(yàn)壓力為5.6kPa時(shí),金屬巖棉夾心板與鋼龍骨間的固定螺釘拔出,屋面系統(tǒng)上表面的20mm憎水膨脹砂漿破碎,破碎位置在金屬巖棉夾心板板縫位置。通過對(duì)比額濟(jì)納旗地區(qū)風(fēng)壓條件發(fā)現(xiàn),其抗風(fēng)揭壓力值遠(yuǎn)超過極限風(fēng)速下的安全要求,為額濟(jì)納旗極端風(fēng)速40m/s(對(duì)應(yīng)風(fēng)壓值0.91kPa)的5.38倍。該試件的薄弱點(diǎn)為金屬巖棉夾心板與鋼龍骨間的螺釘連接及金屬巖棉夾心板的板縫位置。

4.3 屋面防滲漏系統(tǒng)優(yōu)化建議

1)本試驗(yàn)采用的鋼骨架輕型屋面板為工廠預(yù)制的成型產(chǎn)品,板面平整度較好,能夠滿足聚氨酯防水涂料的平整度要求,因此可取消輕型屋面板與防水涂料間的20mm厚砂漿找平層。

2)由于鋁鎂錳金屬屋面的T形支座能夠穿透保溫防水一體化發(fā)泡聚氨酯層,與屋面結(jié)構(gòu)的鋼骨架連接,雖然能保證連接強(qiáng)度,但易形成冷橋,對(duì)寒冷地區(qū)屋面保溫不利。因此,建議本屋面防滲漏系統(tǒng)優(yōu)化屋面板結(jié)構(gòu)接縫形式,優(yōu)化屋面T形支座連接方式,防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生冷橋。

3)金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統(tǒng)的卷材防水層和20mm厚砂漿保護(hù)層直接接觸,由于二者變形模量差異巨大,且砂漿干燥過程中會(huì)產(chǎn)生收縮,極易產(chǎn)生裂縫,失去保護(hù)作用,導(dǎo)致卷材防水層的耐久性下降,是滲漏隱患點(diǎn)。因此,建議在防水層和砂漿保護(hù)層間增加無紡布隔離層,以避免保護(hù)層開裂。

5 結(jié)語

作為重要的圍護(hù)結(jié)構(gòu),寒冷地區(qū)的建筑屋面長期處于陽光、雨、雪、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)的復(fù)雜環(huán)境中,是建筑防水失效導(dǎo)致滲漏發(fā)生的“重災(zāi)區(qū)”。為研究寒冷地區(qū)屋面體系的防滲漏性能,設(shè)計(jì)了適用于寒冷地區(qū)的混凝土屋面結(jié)構(gòu)和金屬巖棉夾心屋面結(jié)構(gòu)防滲漏體系,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行2種屋面體系的水密性和抗風(fēng)揭性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,2種屋面系統(tǒng)均能夠滿足內(nèi)蒙古額濟(jì)納旗地區(qū)的要求,并具有一定的安全余量。結(jié)合試件設(shè)計(jì)、制作經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果,提出2種屋面防滲漏體系的優(yōu)化建議。

隨著建筑業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變,對(duì)寒冷地區(qū)屋面體系節(jié)能和防滲漏性能要求日趨嚴(yán)格,本文相關(guān)試驗(yàn)研究及優(yōu)化建議,可為寒冷地區(qū)平屋面設(shè)計(jì)提供參考。