防滲漏施工技術在房建施工中的應用

周 偉

（中鐵建設集團北京工程有限公司，北京 100000）

我國幅員遼闊，寒冷地區分布廣泛，該地區屋面滲水問題一直是頑疾[1]。為解決該問題，除采取防水材料填充屋面、改造老化防水層等常規措施外，在易發生滲漏的部位增設防水層，采用防水性能更好、更耐久的新型材料等方法也被廣泛應用于屋面施工中[2]。

凍融循環是寒冷地區混凝土屋面滲漏的主要原因之一，它會導致鋼筋混凝土性能降低[3]。但現有的研究主要集中在對易發生滲漏的部位增加防水層或采用防水性能更好的新型材料，忽略了凍融循環對寒冷地區屋面滲漏的影響且當前研究只能解決表面問題，難以徹底根除滲漏現象。

該研究提出的寒冷地區鋼筋混凝土平屋面的防滲漏體系，區別于傳統的防滲漏結構，通過提高屋面溫度、提高混凝土耐久性、解決屋面滲漏問題來抵抗凍融循環。除在寒冷地區鋼筋混凝土屋面防滲漏系統縮尺模型上進行室外試驗外，采用支持向量機（SVM）方法對凍融循環發生時間和溫度進行預測，并基于預測結果對屋面系統進行有限元模擬，研究屋面防滲漏性能。

1 鋼筋混凝土平屋頂防滲漏系統設計

該文基于石家莊某工程，提出一種在寒冷地區建造的鋼筋混凝土平屋頂的防滲漏系統。該系統包括3 個部分：屋頂系統的主體、加熱系統和排水系統。設計思路是在屋面系統主體上增加一個加熱系統，利用加熱系統的熱輻射效應提高屋面的整體溫度，防止屋面結冰，減少屋面在凍融循環中產生的應力，并建立一個排水系統，便于屋面積雪融化后迅速排出。系統的3 個部分共同作用，有助于抵抗凍融循環。屋頂系統的主體包括承重屋面板、預埋管道保溫層、坡度層、平整層、防水層和保護層。屋頂系統的主體采用多個分水口，使屋頂的縱向截面呈折板狀，同時保持2%～5%的排水坡度，出水口均勻地布置在相鄰的屋脊之間，便于屋頂快速集水，從而對屋頂板排水進行優化。屋頂采暖系統包括循環供水系統、預埋在屋頂的采暖支管、供水總管、回水總管和止水閥。屋頂排水系統采用與山脊線平行的懸掛管沿建筑物水平布置，懸掛管的分支與屋頂落水口相連。當凍融循環發生時，加熱系統打開，屋頂隔熱層中的熱介質進行熱輻射，提高屋頂系統的整體溫度。屋頂上的雪被加熱融化后，流入屋頂落水口，通過排水管排出，以減少屋頂上的積水，防止屋頂出現裂縫。

2 模型試驗

2.1 模型制作和測試準備

制備鋼筋混凝土平屋頂抗滲系統縮尺模型的主要材料為C30 混凝土、1∶8 水泥珍珠巖材料、1∶2.5 普通硅酸鹽水泥砂漿、3mm 厚度的SBS 改性瀝青防水膜防水層和內徑19mm、外徑22mm 的鑄鐵管。在保溫層上鋪設3%的斜坡，從屋頂兩側向中心鋪設1∶8 水泥珍珠巖材料。斜坡層上的鋪裝材料為1∶2.5 普通硅酸鹽水泥砂漿找平層，鋪裝后養護7 天。最后鋪設3mm 厚的自黏SBS 改性瀝青防水卷屋面膜，鋪設完成后24h 對防水層進行蓄水試驗，確認屋面無滲漏，然后澆筑保護層并進行養護。將縮尺模型連接到水箱、數控水泵和供水管道。依次在水箱內放置電熱棒，在縮尺模型的測量點處粘貼溫度傳感器，并將電阻連接到THTE 多路PID 溫控器上進行溫度數據記錄。

2.2 測試結果

當測試結束時，導出溫控器記錄的數據，對測試數據進行處理，得到各測點的時間溫度曲線，如圖1所示。屋面系統整體溫度明顯升高。隨著環境溫度變化，4 個測點的整體溫度均不同程度升高，但屋面4 個測點的整體溫度仍有顯著差異。1 號測點的溫度最高，其次是4 號測點、3號測點，最后是2 號測點。四個測點的溫度曲線也有不同的波動。

圖1 各測量點的時間-溫度曲線

1 號測點的曲線最平滑，波動最小；2 號測點的曲線波動幅度最大，3 號測點和4 號測點的曲線波動幅度介于1 號和2 號之間。1 號測點的初始溫度為-16℃，略高于初始環境溫度-18℃，而其他3 個測點的溫度與環境溫度相同。

每個測點溫度變化不同的原因是1 號測點位于保溫層中，離加熱線最近。因此，它具有比環境溫度更高的初始溫度和最高的總溫度，對環境溫度變化的影響較小，溫度剖面波動最小。2 號測點位于屋頂的角落，離供暖線最遠，其整體溫度最低，受環境溫度影響最大，波動曲線最大。3 號測點位于山脊上，整體溫度較低，由于兩側有加熱線，因此受環境溫度的影響小于2 號測點，整體溫度高于2 號測點。雖然4 號測點不在保溫層內，但是距離加熱管道的距離僅次于1 號測點。因此，總體溫度小于1 號測點，而高于2 號測點和3 號測點。

在采暖系統溫度場的持續作用下，屋面系統整體溫度升高得更明顯，降低了實踐中屋面系統波動引起的溫度應力和凍融循環作用下屋面系統滲漏的概率。研究結果證明該文提出的鋼筋混凝土平頂防漏系統在寒冷地區的有效性。

3 數值模擬分析

3.1 SVM 算法預測模型

某市凍融循環季節的最高和最低溫度預測如圖2所示，其中序號是凍融循環季節的天氣號，最高和最低溫度是當天最高和最低溫度的預測值。圖中的一組方形點是模擬該市當天的最高溫度。該數值的幅度隨序號增加先變大后變小且增加幅度較小，隨序號增加逐漸變大，在序號達到10 后迅速變大，在序號達到37 時達到最大值，然后逐漸減少。圖中的一組圓圈是預測當天的最低溫度。日最低氣溫的變化趨勢與日最高氣溫的變化趨勢相似，均先升高后降低。同時，序號16-24 和38-56之間，一天最高溫度大于0℃，一天最低溫度小于0℃。因此，凍融循環效應發生的時間間隔必須在序號16-24 和38-56 之間。提取該時間區間內的溫度數據，得到可能出現凍融循環效應的溫度幅值的SVM 預測，如圖3所示。

圖2 SVM 預測的每日的最高溫度和最低溫度

圖3 SVM 預測的可能發生凍融循環的溫度振幅

3.2 建立數值分析模型

利用有限元分析軟件建立寒區鋼筋混凝土平頂防滲漏系統的數值分析模型。有限元模型構件包括結構樓板、保溫層、預埋管道和上部維修結構，將各構件組裝成一個完整的屋面體模型。

數值模擬分為2 個部分：傳熱分析和靜態分析。在分析模型中輸入給定的溫度幅值進行換熱分析，然后將換熱分析得到的溫度場作為預應力場導入經驗分析，得到溫度應力分布。采用C3D8R和C3D20R 單元分別對頂板主要部件進行傳熱和靜力分析。混凝土材料參數是根據密度、導熱系數和比熱容來定義的，用于傳熱分析；根據彈性模量、線膨脹系數和混凝土損傷來定義的，用于靜力分析。在靜力分析中，上層養護結構材料即水泥珍珠巖、水泥砂漿、防水膜和鑄鐵只定義了密度、導熱系數和比熱容3 個參數，因為上層圍護結構的應力變化對屋面體裂縫發育條件的影響較小。表1 是模型材料參數。在實際工程中，屋面體各部分是協同工作的。因此，模型組件彼此綁定，被視為一個整體。屋面體底部采用鉸鏈約束，保證屋面體底板不移位。

表1 材料熱力學參數

3.3 SVM 預測中的數值分析

在模型中布置4 個測試點，將SVM 預測的可能凍融循環的溫度幅值作為邊界條件輸入模型中進行傳熱分析，得到SVM 預測環境下各測點的溫度變化曲線，如圖4所示。凍融循環作用下屋面各測點溫度先升高后降低，而各測點溫度變化規律與室外暴露試驗中各測點溫度變化規律一致，1 號測點整體溫度最高，溫度波動最小；2 號測點處整體溫度最低，溫度波動最大；3 號測點和4 號測點的溫度介于1 號測點和2 號測點之間；但是4 號測點處的整體溫度高于3 號測點處的整體溫度。此外，4 個測點溫度在0℃的時間均在576 h 以上。其中，除位于屋面系統邊緣的2 號測點溫度降至0℃以下外，其余各部位溫度，包括屋面上廣泛分布的低溫區溫度均在0℃以上，證明寒冷地區鋼筋混凝土平屋面防滲漏系統在凍融循環環境下的保溫能力。提取頂板3 個測點處的應力變化曲線，如圖5所示。經歷順序溫度應力耦合后，2 號測點和3 號測點的溫度應力趨于波動，最大值分別達到6.53MPa 和4.85MPa，1 號測點的應力趨于上升后趨于平穩，變化幅度較小，最大值約為0.53MPa。2 號測點和3號測點的溫度變化較大，靜力分析中產生的溫度應力相對于1 號測點較大，而1 號測點的溫度變化較小，其溫度應力在凍融循環過程中增長較為緩慢。預測凍融循環后，屋面系統整體溫度應力較低，除鉸接處外，屋面系統混凝土處于彈性應變階段，寒冷地區鋼筋混凝土平屋面防滲漏系統可將溫度應力控制在較低水平，提高混凝土的抗滲性能。

圖4 每個測量點在SVM 預測的環境中的溫度

圖5 時間-溫度應力曲線

4 結論

該文為寒冷地區建造的鋼筋混凝土平屋頂開發了一種防滲漏系統，并通過縮尺試驗驗證了該系統對凍融循環的抵抗力。基于機器學習SVM算法的天氣預報模型，建立寒區鋼筋混凝土平頂防漏系統凍融循環數值分析模型，得出以下2 個結論：1）寒區鋼筋混凝土平屋頂防漏系統的工作原理是在屋面主系統的基礎上增加供暖系統，利用供暖系統的熱輻射效應提高屋面整體溫度，防止雨水在屋面上凍結，減少凍融循環產生的應力。此外，還安裝了排水系統，以便于雪水融化后迅速排出。2）屋面系統加入采暖系統后保溫性能良好，在供暖系統溫度場的持續作用下，屋面各部位溫度均有所升高，有效抵抗了凍融循環，證明所設計的系統具有良好的抗凍融循環能力。

SVM 模型預測某市在凍融周期易發期有26 天可能出現凍融周期，其最大溫度幅值為18℃。

基于SVM 模型的預測，利用有限元軟件對頂板系統進行有限元模擬，發現頂板采暖系統可以降低凍融循環引起的溫度應力的影響，延緩頂板內部裂縫的發展，減少頂板滲漏的發生。驗證了凍融循環作用下頂板系統的抗滲性。