寒冷地區平屋面防滲漏系統試驗研究*

廖 利,祖 峰,梅 陽,朱克勤,劉文中,徐小輝

(1.北京特種工程設計研究院,北京 100028; 2.亞太建設科技信息研究院有限公司,北京 100120; 3.上海裕項工程建設發展有限公司,上海 201999)

0 引言

隨著我國城鎮化進程和建筑業的迅速發展,人們對建筑質量的要求逐漸提高。建筑屋面的形式逐漸豐富,綜合體等復雜形式建筑的發展對屋面防滲漏提出了更高的要求[1]。當前,建筑滲漏仍是困擾防水行業乃至整個建筑行業的重大問題,工程滲漏率較高,造成了較大的經濟損失,成為行業亟需解決的難點問題[2]。在工程質量投訴中,滲漏投訴比例一直居高不下。寒冷地區屋面滲水,嚴重影響了建筑頂層的使用[3-5],成為工程質量頑疾。

屋面滲漏問題直接影響建筑的安全、外觀和使用壽命。滲漏問題的出現也給建設、設計、施工及后期運營維修單位帶來不便,維護費用加重了居民的經濟負擔[6],甚至造成了不良的社會影響。因此,研究圍護結構體系防滲漏性能對建筑安全性、經濟性及人們的生產生活具有重大現實意義。

本研究依托內蒙古額濟納旗地區氣候條件,制作鋼筋混凝土屋面和金屬巖棉夾心板屋面模型,對2種屋面系統開展防滲漏和抗風揭性能試驗研究,并針對試驗結果提出系統優化措施。

1 氣候條件

額濟納旗位于內蒙古自治區最西端,轄區面積占內蒙古自治區總面積的22.8%。該地區屬內陸干燥氣候,具有干旱少雨、蒸發量大、日照充足、溫差較大、風沙多等氣候特點。該地區年平均氣溫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℃。額濟納旗日均氣溫0℃以上持續時期為3月中旬至10月下旬,屬于寒冷地區。年均≥8級以上大風天數達44d,平均風速4.0m/s,最大風速達40m/s,大風常伴隨沙塵暴,年均沙塵暴14次。分析額濟納旗地理環境及氣候環境可知,該地區對圍護結構的抗風和保溫性能要求非常高,應關注防水層失效后滲漏水進入保溫層導致保溫和防水同時失效的問題。

依據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》,額濟納旗海拔高度為940.500m,10,50,100年重現期風壓值分別為0.40,0.60,0.70kN/m2;依據JGJ 235—2011《建筑外墻防水工程技術規程》,額濟納旗日最大降水量為21.9mm。

空氣密度:ρ=1.137 8×10-3t/m3,100年重現期風壓下風速v0=35.1m/s。

根據閆國臣等[7]的相關研究,額濟納旗100年重現期風壓相當于蒲福12級風,極限最大風速40m/s相當于蒲福13級風,風壓為0.91kPa。

2 試驗設計

為研究寒冷地區屋面防滲漏體系及相關性能指標,設計了屋面防滲漏系統試件,并在第三方實驗室進行水密性能和抗風揭性能試驗,以研究該屋面體系在極限風力作用下的水密性能和抗風揭性能。

2.1 試驗原理

根據GB/T 51422—2021《建筑金屬板圍護系統檢測鑒定及加固技術標準》,屋面防滲漏系統水密性能試驗原理如下。

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加壓,在試件上下面兩側形成穩定壓力差,以壓力差的大小模擬試件受到不同風荷載作用時的狀態,即屋面抗風揭性能。

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

3)設定恒定水量3L/(m2·min),最大穩定加壓量2kPa,以攝像頭實時觀測和肉眼觀察屋面試件在風雨共同作用下的滲漏情況。

2.2 試驗裝置

根據實驗室情況及規范要求,本次試驗選擇在實驗室標準試驗臺上進行,試驗裝置由測試平臺、壓力箱體、風壓供給系統、噴淋系統及測試系統構成,風壓和水壓由中控室進行控制,如圖1所示。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental equipments

2.3 試件設計及制作

2.3.1寒冷地區屋面典型做法

對于寒冷地區屋面,保溫層和防水層是保證屋面功能的重要構造層次,一般保溫層根據熱工計算的要求確定,平屋面構造通常采用正置式防滲漏結構[8],其典型結構構造如圖2所示。為避免該構造保溫層內蓄水導致防水層起鼓,應設置排氣道及排氣孔。屋面坡度應優先采用結構起坡,當室內頂板有裝飾可以掩蓋樓板不平時,應優先采用同一板厚結構起坡,無法結構起坡時,可用保溫層兼作找坡層。

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

2.3.2試驗構件設計

2.3.2.1混凝土屋面防滲漏系統

參考寒冷地區正置式屋面典型做法,采用熱鍍鋅方鋼作為屋面系統骨架與試驗平臺固定連接,以鋼骨架輕型混凝土板作為屋面結構[4-5]。由于需要研究結構板拼縫對屋面防滲漏系統的影響,且保證構件尺寸與3m×3m試驗平臺尺寸匹配,選用結構板尺寸為3m×1.5m,結構構件關鍵參數如表1所示。

表1 混凝土屋面試件關鍵參數Table 1 Key parameters of concrete roof specimen

結合實驗室條件和構件關鍵參數,混凝土屋面防滲漏系統設計如圖3所示。

圖3 混凝土屋面防滲漏系統設計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

考慮到工程項目中臨時性建筑及一般性建筑常采用金屬巖棉夾心的屋面板形式,參考額濟納旗地區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構進行防滲漏和抗風揭性能試驗研究,結構構件關鍵參數如表2所示。

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

結合實驗室條件和構件關鍵參數,屋面系統設計如圖4所示。

圖4 金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統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泡施工→澆筑20mm厚憎水膨脹砂漿→鋪設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試件Fig.5 The concrete roof leakage specimen

2)金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統試件制作流程 焊接鋼骨架(鍍鋅方鋼120×60×5)→將100mm厚金屬巖棉夾心復合保溫板焊接于鋼骨架上→依次鋪設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試件Fig.6 The metal rock wool sandwich roof leakage prevention specimen

3 試驗過程

由于抗風揭性能試驗為破壞性試驗,因此,先進行水密性試驗,測得構件的水密性能后,再進行抗風揭性能試驗,主要試驗步驟如下。

1)試驗準備 將制作好的構件安裝到試驗箱體上,墊起試驗箱體一側,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。用密封膠將構件四周密封嚴實,接好噴淋設備、加壓系統和壓力測量系統。

2)水密性試驗預備加壓 先施加3個壓力脈沖,每個脈沖壓力差絕對值為500Pa,每個脈沖作用時間持續10s,泄壓后保持2min再施加下級壓力。

3)淋水 調整淋水系統噴嘴角度,對整個試件均勻淋水,淋水量為3L/(m2·min),持續時間15min。

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

5)抗風揭試驗準備 再次檢查試件密封情況,漏氣部位用密封膠嵌填密實,保證不漏氣。

6)抗風揭加壓 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,每步都應檢查試件是否破壞或失效,一旦破壞則停止試驗。

4 試驗結果分析

根據試驗步驟,待構件制作完成并養護后在第三方實驗室進行測試,獲得2個典型防滲漏系統的水密性和抗風揭性能試驗結果。

4.1 混凝土屋面防滲漏系統

1)水密性試驗表明,在3L/(m2·min)均勻淋水條件下,靜態穩定加壓值為2kPa時,構件未發生滲漏,水密性能滿足額濟納旗地區風力和雨量條件下的防滲漏要求,且有較大的安全余量。試驗結果表明,屋面在3%～5%起坡情況下,設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,由于額濟納旗地區日溫差較大,采用金屬屋面能夠很好地排水,并與其下構造層間形成空氣層,避免其下構造層因溫度劇烈變化而開裂,導致防水失效。

2)抗風揭試驗表明,混凝土屋面防滲漏系統抗風揭壓力值為2.1kPa,破壞現象是試驗壓力達2.8kPa時,鋁鎂錳金屬屋面板從T形支座處脫出破壞(見圖7)。2.1kPa抗風揭值是額濟納旗極端風速40m/s(對應風壓值0.91kPa)的2.3倍,可見構件的抗風揭承載能力滿足額濟納旗地區極端風力條件的安全要求,且有較大的安全余量。該設計狀況下,屋面防滲漏系統抗風揭能力的薄弱點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抗風揭破壞狀態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

1)水密性試驗結果表明,在3L/(m2·min)均勻淋水條件下,靜態穩定加壓2kPa,構件未發生滲漏。該試件的水密性能可以滿足額濟納旗地區防滲漏要求,且有較大的安全余量。

2)抗風揭試驗表明,金屬巖棉夾心屋面防滲漏系統抗風揭壓力值為4.9kPa,破壞現象是試驗壓力為5.6kPa時,金屬巖棉夾心板與鋼龍骨間的固定螺釘拔出,屋面系統上表面的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。通過對比額濟納旗地區風壓條件發現,其抗風揭壓力值遠超過極限風速下的安全要求,為額濟納旗極端風速40m/s(對應風壓值0.91kPa)的5.38倍。該試件的薄弱點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 屋面防滲漏系統優化建議

1)本試驗采用的鋼骨架輕型屋面板為工廠預制的成型產品,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泡聚氨酯層,與屋面結構的鋼骨架連接,雖然能保證連接強度,但易形成冷橋,對寒冷地區屋面保溫不利。因此,建議本屋面防滲漏系統優化屋面板結構接縫形式,優化屋面T形支座連接方式,防止結構產生冷橋。

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

5 結語

作為重要的圍護結構,寒冷地區的建筑屋面長期處于陽光、雨、雪、凍融循環、干濕循環的復雜環境中,是建筑防水失效導致滲漏發生的“重災區”。為研究寒冷地區屋面體系的防滲漏性能,設計了適用于寒冷地區的混凝土屋面結構和金屬巖棉夾心屋面結構防滲漏體系,在實驗室進行2種屋面體系的水密性和抗風揭性能試驗。試驗結果表明,2種屋面系統均能夠滿足內蒙古額濟納旗地區的要求,并具有一定的安全余量。結合試件設計、制作經驗和試驗結果,提出2種屋面防滲漏體系的優化建議。

隨著建筑業向高質量發展轉變,對寒冷地區屋面體系節能和防滲漏性能要求日趨嚴格,本文相關試驗研究及優化建議,可為寒冷地區平屋面設計提供參考。