裝配式建筑外墻板防水設計研究與應用

馬 健,龔建鋒,翟立祥

(1. 浙江省建筑設計研究院,浙江 杭州 310006；2. 浙江省杭州市拱墅區基礎設施建設中心,浙江 杭州 310011)

1 概 述

自2016年以來,國家相繼出臺《中共中央國務院關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》(中發[2016]6號)和《國務院辦公廳關于大力發展裝配式建筑的指導意見》(國辦發[2016]71號)文件,文件要求要大力推廣裝配式建筑,力爭用10年左右時間,使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%。國家住房和城鄉建設部于2017年3月發布《“十三五”裝配式建筑行動方案》進一步明確了各地區的工作任務和階段目標,到2020年,全國裝配式建筑占新建建筑的比例達到15%以上,其中重點推進地區達到20%以上,積極推進地區達到15%以上,鼓勵推進地區達到10%以上。各省市也相繼出臺了裝配式建筑的相關支持文件,結合上級制定的任務和目標進行積極推進。《浙江省人民政府辦公廳關于推進綠色建筑和建筑工業化發展的實施意見》(浙政辦發[2016]111號)提出,浙江省作為國家裝配式建筑的重點推進地區,要求到2020年實現裝配式建筑占新建建筑面積的比例達到30%,比國家制定目標提前5年完成。

由此可見,裝配式建筑已然成為我國未來建筑的一個重要發展方向。裝配式建筑作為一個高度集成概念的新型建筑,當前主要涵蓋了三個方面的內容：主體結構，圍護墻和內隔墻以及裝修和設備管線[1]。本標準中圍護墻倡導采用非砌筑,同時強調了圍護墻與保溫、隔熱、裝飾一體化,因此夾芯保溫預制外墻將是未來裝配式建筑外墻體系發展的一個重要方向。但是此類型外墻板由于采用工廠預制和現場拼裝的施工工藝,會產生大量的拼裝接縫,這些接縫很容易成為水流滲透的通道,使墻面在建筑交付使用后產生滲漏水現象,影響建筑的正常使用,尤其在我國南方和多雨的沿海地區,此問題尤其值得注意。

2 外墻防水系統分析

對于裝配式建筑外墻板的防水系統設計主要包括三個方面：

1)雨量分析。對可能造成外墻滲漏的水源進行分析,包括雨、雪及臺風狀態下的滲漏水路徑。

2)整體防水設計。根據當地氣候、建筑結構形式等,確定整體外墻采取結構自防水、防水材料防水、幕墻系統防水等方案。

3)細部防水設計。對窗框、出墻管道、水平接縫和豎向接縫等部位的防水設計。

2.1 雨量分析

在降雨過程中,建筑外墻面雨水量的大小主要取決于降雨強度和風速兩個自然環境的影響。故在進行外墻防水設計時,應重點分析這兩個外部因素。

2.1.1 降雨強度

降雨強度是根據某一時間段內降水量的多少來劃分的,分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨六個等級。我國南方地區雨水充沛,經常有暴雨和大暴雨天氣,當受臺風登陸影響時,偶爾會有特大暴雨天氣。

降雨是由大小不同的雨滴組成的,小雨滴直徑約為0.2 mm,大雨滴直徑約6.0 mm以上。降雨強度越大,雨滴直徑越大,雨速也越快。雨滴在下落過程中,大小和速度是不斷變化的,大雨滴在下降過程中會破裂成大小不等的小雨滴。一次降雨的雨滴分布,用該次降雨雨滴累積體積百分曲線表示,其中累計體積為50%所對應的雨滴直徑,用D50表示。D50表明該次降雨中大于這一直徑的雨滴總體積等于小于該直徑的雨滴的總體積,它與平均雨滴直徑的含義是不同的。通常降雨強度愈大,D50愈大；降雨強度減小,D50也相應減小。

雨滴在空氣中的降落速度最初是逐漸增大的,隨著雨滴降落速度的增大,空氣阻力也逐漸增大,則雨滴的加速度逐漸減少,最后加速度減為零,最終雨滴在重力和空氣阻力的共同作用下,其終點速度接近勻速,這時雨滴的降落速度達到最大值,叫雨滴終速。降雨強度越大,相應雨滴直徑越大,雨速也越快,見表1[2]。

表1 降雨參數表

2.1.2 風速影響

盡管建筑的外墻面通常是沿豎直方向的,但由于風的影響,會使普通的降雨以一定的角度和矢量速度,滴落在建筑外墻面上,使墻面匯集了更多的雨水,因此在雨量分析時,有必要充分考慮風壓、風速的影響。

風壓是垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力。根據伯努利方程得出的風壓風速關系為：

Wp=0.5×ρ×v2

式中：Wp為風壓,kN/m2；

ρ為空氣密度,kg/m3；

v為風速,m/s。

空氣密度ρ和重度γ的關系為：γ=ρ×g,在標準狀態下,大氣壓1.013×105Pa,溫度15℃,空氣重度γ=0.012 25 kN/m3。重力加速度g=9.8 m/s2,因此風速與風壓的關系式為：

根據現行國家標準《建筑結構荷載規范(GB 50009—2012)》,我國沿海地區50年周期基本風壓高達0.5～1.0 kN/m2,其對應的風速為28.3～40 m/s,蒲福風力等級10～13級,見表2[3]。

表2 風級、風速、風壓表

以基本風壓0.50 kN/m2的大暴雨天氣為例,風速取28.3 m/s,雨滴終點速度取7 m/s,1 h降雨量取上限72.6 mm。根據矢量三角形法算得雨滴被風吹的斜向角度約為76.1°,見圖1。

雨水在墻面的匯集量：Wq=72.6×76.1°/90°=72.6×0.85=61.71 mm/h。由此可見,上述假定條件下,豎直墻面的匯水量約為等面積水平屋面的85%。

2.2 整體防水設計

外墻的整體防水通常有三種形式：墻體結構自防水、防水材料防水以及幕墻防水,外墻整體防水系統通常設置在迎水面一側,具體采用何種形式,應結合外墻保溫系統、裝飾系統、建筑外立面設計以及成本等因素綜合確定。

1)年降水量大于等于800 mm地區的高層建筑外墻；

2)年降水量大于等于600 mm且基本風壓大于等于0.5 kN/m2地區的外墻；

3)年降水量大于等于400 mm且基本風壓大于等于0.4 kN/m2地區有外保溫的外墻；

4)年降水量大于等于500 mm且基本風壓大于等于0.35 kN/m2地區有外保溫的外墻；

5)年降水量大于等于600 mm且基本風壓大于等于0.30 kN/m2地區有外保溫的外墻。

當前,我國對于外墻整體防水設計,使用最多的方式是防水材料防水,可選用的產品種類豐富,技術也相對成熟。1)剛性防水材料,主要包括聚合物水泥砂漿、普通防水砂漿以及聚合物水泥防水漿料等；2)柔性防水材料,包括聚氨酯防水涂料、聚合物水泥防水涂料、聚合物乳液防水涂料以及防水透氣膜等；3)憎水性防水材料,主要包括有機硅防水劑和無機納米防水劑等。上述各類防水材料各有優缺點和各自最適用的環境,在進行外墻整體防水設計時應依據實際情況進行選擇。同時采用材料防水時,還應特別注意防水材料與建筑外墻各層次材料之間的相容性,避免出現粘結不良或失效,引起墻體面層起泡、空鼓和脫落等問題。

裝配式建筑由于外墻板的整體防水,從構造上與傳統墻面區別不大,但因其采用了在工廠預制加工的方式,在施工精度、養護環境、作業條件等方面都有較高的保證,因此其整體防水效果更優。尤其對于保溫一體化外墻板,當外葉板與內葉板之間采用可靠的連接措施(如目前使用較多的thermomass保溫連接件)后,極大程度地避免了傳統施工工藝情況下,防水層連同保溫層一起脫落的現象發生,因此對于裝配式建筑外墻板的整體防水設計本文不贅述。

2.3 細部防水設計

對于裝配式建筑外墻的細部防水設計,最集中的問題出現在預制墻板由于拼接所形成的水平縫和垂直縫,縱觀目前國內外的主要研究與實踐,夾芯保溫預制墻體的垂直接縫和水平接縫通常采用材料防水、構造防水和結構防水三種措施相結合的設計。

2.3.1 外墻接縫的構造防水

在2008年的金融危機中，比特幣的創始人中本聰發明了比特幣，它成為了第一個去中心化的數字貨幣。區塊鏈是一個分布式網絡，每個節點都會存放所有交易的副本，并自動同步。節點可以是用戶的電腦、手機，或是其他設備。如圖2所示，區塊鏈網絡節點是扁平化的，每個節點的地位相等、公平，并以扁平拓撲的方式向相鄰節點進行數據交互[2]。

在外墻的接縫防水措施中,排水和導水是非常重要的構造措施,合理的排水和導水比防水措施更加高效,且保證性更高,耐久性更好。

對于水平接縫和豎直接縫,通常的作法是通過分別在墻體室內外兩側設置密封膠(或密封條、PE棒)形成內部空腔,見圖2、圖3。同時每隔2～3層,在水平縫和垂直縫相交的十字縫上端,設置導水管做引水,這樣即使最外側密封膠出現局部破壞滲漏,漏入墻體的水也能通過設置的空腔構造及導水管及時排走,滲漏不易繼續向內發展,此時的導水管還起到了連通接縫空腔內外大氣,使墻體內外氣壓平衡的作用。同時,采用隔層設置排水孔構造,還可使漏水被限制在兩個排水口之間,便于今后的排查與修理,排水口構造見圖4。室內側的密封膠一般從外部接縫內打膠,施工難度較大,因此可使用氣密條替代內側注膠方式,宜采用三元乙丙橡膠、氯丁橡膠或硅橡膠等高分子材料制成,其性能應滿足現行國家標準《工業用橡膠板(GB/T 5574—2008)》的相關規定,直徑宜為20～30 mm。

圖2 預制墻板水平接縫防排水構造1

圖3 預制墻板豎向接縫防排水構造1

圖4 接縫導水管構造

對于夾芯保溫承重墻的水平接縫以及夾芯保溫非承重墻與現澆混凝土(邊緣構件或非承重墻之間設置混凝土現澆帶)的豎向連接縫,則可利用接縫處設置的粗糙面和現澆漿料所形成的結構自防水措施,替代室內側設置密封膠條的構造做法,見圖5、圖6。接縫漿料或接縫處現澆混凝土建議采用高一級強度等級。

除上述空腔構造外,對于水平接縫,還可通過在墻板邊緣設置企口縫和高低縫,通過曲折滲漏水的路徑,進一步加強接縫位置的防水效果。

2.3.2 外墻接縫的防水密封膠

防水密封膠是外墻接縫的第一道防水屏障,膠體本身的質量和性能至關重要,因此在選用密封膠時應著重關注以下材料性能[3]：

圖5 預制墻板水平接縫防排水構造2

圖6 預制墻板豎向接縫防排水構造2

1)抗位移性 預制外墻板在使用過程中,受環境溫度變化會出現熱脹冷縮現象,受風荷載和地震作用時會產生相對位移,因此密封膠必須具備良好的抗位移性能。

2)耐候性 密封膠長期處于外露條件,必須具有良好的耐候性。

3)粘結性 為保證密封效果,密封膠必須與混凝土基材具有良好的粘結性。

4)防污染性 密封膠作為外露密封使用,為美觀需要還須具備防污染性能,避免對接縫兩側的基材造成污染。

5)蠕變性 密封膠應具備一定的蠕變性,即使粘結面長期受力,也不易造成粘結破壞。

6)涂裝性 建筑設計為追求整體美觀效果,常對其表面進行涂裝,因此密封膠應具有可涂裝性能。

7)可維修 密封膠在使用過程中難免出現破損、局部粘結失效的情況,因此需對密封膠及時修補。

目前采用的裝配式外墻防水密封膠品種主要包括聚氨酯建筑密封膠(PU膠)、硅烷改性硅酮建筑密封膠(MS膠)及硅酮密封膠等。非暴露部位可使用低模量聚氨酯密封膠(PU膠),暴露部位宜使用低模量硅烷改性硅酮密封膠(MS膠)。硅酮密封膠雖然耐候性優良,但因其存在無法涂裝、后期修補困難等缺點,使用較少。

聚氨酯建筑密封膠(PU膠)及硅烷改性硅酮建筑密封膠(MS膠)的性能應滿足現行行業標準《混凝土接縫用建筑密封膠(JC/T 881—2017)》[5]《聚氨酯建筑密封膠(JC/T 482—2003)》《硅酮和改性硅酮建筑密封膠(GB/T 14683—2017)》的相關規定。用于裝配式建筑的密封膠按位移能力分為五個主要級別,見表3[3]；按彈性模量可分為高模量(HM)和低模量(LM)兩個次級別,通常用于裝配式建筑外墻密封的低模量密封膠的位移能力不宜低于25級。當PC外墻板由外力作用產生位移時,接縫處密封膠的最大應變相對恒定,其模量越低,意味著膠體所受應力越小(模量=應力/應變),此時密封膠更不容易被撕裂或在結合位置發生脫開,因此應選用低模量密封膠。

表3 密封膠級別

密封膠的耐候性主要取決于某類膠本身的質量,與膠的品種沒有直接關系。對不同的密封膠進行紫外線循環耐久試驗的結果表明：無論是PU膠還是MS膠,耐候性主要由膠的配方決定。

密封膠的粘結性,也是衡量PC密封膠質量的重要因素。使用PU膠時,混凝土的基層結合面無需底涂即可實現良好的粘結；MS膠則需要進行合適的底涂,底涂材料應根據密封膠廠家的推薦選擇。使用前,還應在現場進行粘結性測試,確保密封膠粘結性符合要求。

外墻不僅具有防護和防水功能,還具有立面裝飾功能,因此密封膠的可涂裝性也至關重要。PU膠和MS膠均可以滿足涂覆立面裝飾涂料的要求,極大地拓展了密封膠的使用范疇。

2.3.3 外墻板接縫寬度設計

接縫寬度對外墻板的抗震性能、抗風性能以及防水性能的影響很大。因此預制外墻板的接縫寬度應根據工程所處環境的溫差情況,主體結構在風荷載和地震作用下的變形情況以及密封膠的彈性模量和施工安裝誤差等因素綜合確定。

接縫寬度計算可參考玻璃幕墻,按下述計算公式進行計算[6]：

式中：WS為膠縫寬度，mm；

α為混凝土板的線膨脹系數(1/℃),取1×10-5；

ΔT為外墻年溫度變化(℃),通常取80℃；

δ為硅酮密封膠允許的變位承受能力,取0.25；

b為計算方向上墻板長度，mm；

dc為施工偏差，根據目前國內施工情況,取5 mm；

de為其他因素預留量，取2 mm。

根據上述公式,計算出不同墻板尺寸下,外墻的接縫寬度見表4,一般接縫寬度在13～30 mm之間,基本符合《裝配式混凝土結構技術規程(JGJ 1—2014)》第10.3.7-2款,不應小于15 mm的規定。同時為使膠體更好地適應變形不至于從兩側基層脫離,通常控制密封膠體的厚度為接縫寬度的0.5～0.7 倍,并不宜小于8 mm。

表4 PC墻板密封膠寬度及厚度

2.3.4 接縫防水施工步驟與要點

接縫的施工質量應嚴格把控,安排經過專業培訓并考核合格的技術人員進行密封膠施工,裝配式建筑外墻板密封膠施工的基本步驟見圖7。

接縫兩側的混凝土基層應密實平整,不得有蜂窩、麻面、起皮等現象,表面應清潔、干燥、無油污,且接縫兩側基層高度偏差不宜大于2 mm。出現圖8a)所示的預制墻板破損時,應將破損面清理干凈,涂刷界面劑,使用聚合物水泥砂漿將墻板修補平整；出現圖8b)所示接縫寬度不一時,對小于15 mm的縫隙須采用機械切割至符合設計要求的寬度,嚴禁手工開鑿；注膠前還應將縫隙內的堵塞物清理干凈。

接縫中應設置連續的背襯材料,背襯材料與接縫兩側基層之間不得留有空隙,預留深度根據密封膠設計厚度確定。當背襯材料選用發泡閉孔聚乙烯塑料棒(PE棒)或發泡氯丁橡膠棒,直徑宜為縫寬的1.2～1.5倍。

圖7 密封膠施工流程圖

圖8 預制墻板接縫缺陷

此外,接縫兩側基層表面應連續、平整地粘貼防護膠帶,寬度不小于20 mm。

若使用有基層處理劑,應待其干燥后進行注膠。嵌填密封膠后,應在密封膠表面干燥前用專用工具對膠體表面進行修整,溢出膠應在固化前進行清理。

3 結 語

隨著國家裝配式建筑的逐步推進,預制外墻板的應用會越來越多,現有的防水技術和措施可基本滿足功能需求,與其對應的各類技術和產品也在快速地更新和迭代,我們仍需要從原理出發,結合越來越多的工程實踐經驗,對裝配式外墻防水技術予以更多的關注,對現有的防水構造和方法進行改良和提升,解決好發展過程中遇到的各類問題,以助力裝配式建筑的發展。