基于防水失效概率的混凝土屋面工程適應性技術*

徐洪濤,肖緒文,朱志遠,張 勇,秦 越,霍倩男,朱 彤,周 輝

(1.中國建筑股份有限公司技術中心,北京 101300; 2.中國建筑股份有限公司,北京 100030; 3.中國建材檢驗認證集團蘇州有限公司,江蘇 蘇州 215008;4.中國建筑防水協(xié)會,北京 100055)

0 引言

我國工程防水應用技術累積了深厚的經驗。徐哲等[1]、陳可文[2]、郭君[3]論述影響因素和控制策略,給出了原則性建議。毋萬鵬[4]以防水工程設計與質量監(jiān)管措施為目標,分析了導致滲漏的人為因素。喻學斌[5]從材料、設計、施工和管理幾個方面提出解決工程防水滲漏的對策。李翠花[6]以“材料是基礎、設計是前提、施工是關鍵、管理是保證”為宗旨提出措施。陳威等[7]從防水實施的角度,提出設計、施工、管理、構造措施等方面的策略。葉琳昌[8]對滲漏進行總結,提出學習新技術、深化市場機制改革等建議。類似研究基本是經驗歸納,導出策略或建議。

防水領域的分類與量化研究也在不斷拓展。Ana等[9]對屋面滲漏因素進行分類,分析直接和間接原因,劃分因素量化指標等級,依此建立了屋面防水檢測分類系統(tǒng),用于使用與維修。Jorge 等[10]指出滲漏與搭接質量相關,防水材料基材尺寸穩(wěn)定性會影響接縫性能。Maher[11]從水分滲漏通道闡釋防水類型,歸納了各類材料的防水機理,然后從構造類型、阻水機理、驅動力、環(huán)境影響等方面提出防水措施類型,其論述屬于分類與措施應對。Yuan等[12]基于水頭壓力滲漏理論和Darcy公式,采用有限元方法模擬地下隧道滲漏,以重慶隧道為例進行驗證,提出防水層、排水設施及防水混凝土組合是控制滲漏的必要條件。Talib等[13]結合屋頂滲漏案例研究,采用分類方法總結了材料選擇、措施、應對方案清單。

近年來,關于防水有效性的研究開始關注可靠度。朱志遠等[14]提出以多道防水層增加可靠性。Kubal等[15]提出“90%的滲漏發(fā)生在1%的部位,99%的滲漏非材料原因”原則,類似研究均帶有概率思想。Jaime等[16]對12個屋面樣本進行分析,針對典型防水材料,采用Markov Chain預測滲漏概率和使用年限可靠性,據(jù)此制定維護計劃,其研究基礎為概率方法。

可以看出,工程防水領域多采用因果分析,基于分類學進行歸納與總結,提出措施與建議;目前已開始使用概率等量化方法,但欠缺用于評價工程防水適應性的量化方法。

1 研究方法

為了對防水材料及系統(tǒng)的適應性進行量化分析,基于蒙特卡羅防水失效概率算法,集成使用環(huán)境、構造、材料防水有效性等參數(shù)進行組合、計算,對得到的失效概率進行比較和分析,得出適應性結論,研究內容及技術路線如圖1所示。

圖1 研究技術路線

2 研究內容

2.1 計算組合

影響混凝土屋面防水失效概率的因素包含使用環(huán)境、材料、構造和構成[17],依據(jù)研究的目標對輸入?yún)?shù)進行組合,計算組合如表1所示。

表1 研究對象與參數(shù)組合

其中,防水使用環(huán)境選取典型城市,對應柯本氣候分區(qū)[18-20],分別為:哈爾濱(Dwb)、北京(Dwa)、呼和浩特(BSk)、烏魯木齊(BWk)、拉薩(ET)、昆明(Cwb)、上海(Cfa)、三亞(Af)。

2.2 正置、倒置式屋面氣候適應性及構造要求

設定屋面長度100m,保護層分格6m,厚度100mm,保溫層為XPS,混凝土女兒墻,選取Dwa,BWk,Cfa 3類氣候區(qū),1～3道SBS改性瀝青卷材,對常規(guī)和倒置式屋面進行計算,結果如圖2所示。

圖2 屋面類型與氣候區(qū)組合的防水失效概率

由圖2可知,常規(guī)屋面面層材料受溫度的影響更明顯,保溫層上的防水層受鄰近材料變形的影響更大,防水失效概率更高,倒置式屋面則反之。當?shù)怪檬轿菝姹貙优c鄰近材料之間存在結冰、凍融等可能產生顯著的變形時,需結合實際進行研究,此外,保溫層及輔助材料的耐水性能至關重要。

由圖2b可知,選定Dwa地區(qū),SBS改性瀝青卷材,選用1～3道防水層。采用1道防水層正置式屋面,失效概率較高,而1道防水層的倒置式屋面,在無凍融地區(qū)的滲漏風險更小;采用2道防水層的正置式屋面,失效概率顯著降低,其適應范圍更廣,考慮到屋面材料吸水或凍融的影響,采用2道防水層的倒置式屋面優(yōu)勢不明顯;采用3道防水層時,正置式屋面失效概率降到極低值,具有明顯的優(yōu)勢。

所以,倒置式屋面保溫層與鄰近材料之間不存在凍融時,其防水失效概率更低,當防水道數(shù)或防水有效性足夠時,正置式屋面適應范圍更廣[21]。

2.3 多道防水層組合的合理性

屋面設置條件同第2.2節(jié),設定1～3道SBS改性瀝青卷材,按防水層與保溫層的相對位置計算,結果如圖3所示。

圖3 多道防水層組合的防水失效概率

當防水層位于保溫層之上時,采用多道設防具有明顯優(yōu)勢。當保溫層上、下均設置防水層,失效概率取決于保溫層上部的防水層,需結合屋面、建筑功能進行分析。

保溫層上、下均設置防水層時,保溫層下部的防水層受保溫層防護,工作環(huán)境更穩(wěn)定,防水失效概率相對較低;如果上部防水層失效,下部防水層對結構、室內和用戶可形成一定的保護,在進行屋面翻新或維修時對室內的影響更可控[17]。

2.4 防水材料的氣候適應性

屋面設置條件同第2.2節(jié),選取Dwa,BWk,Cfa,Af 4類氣候區(qū),1道防水層位于保溫層之上,選取不同類型防水材料,防水失效概率如圖4所示。

圖4 防水材料與氣候區(qū)組合的防水失效概率

當其他條件設置成定值時,影響材料防水有效性的指標主要與延伸率、變形區(qū)間尺寸等相關。較典型的是自粘膠膜防水卷材,在常溫條件下延展性非常好,但是在-20℃條件下延伸率離散度非常大,從材料適應性角度,更適合在年度最低溫度較高的地區(qū)使用。

材料應與氣候相適應,低溫地區(qū)應用時,需確保材料在低溫條件下的柔度、防水有效性,高溫地區(qū)則需注意材料的熱老化。此外,也可調整防水材料在屋面內的位置,確保其溫度位于適宜范圍內。

2.5 防水材料在屋面內位置的合理性

屋面設置條件同第2.2節(jié),針對Dwa,BWk氣候區(qū)和典型防水材料,防水失效概率如圖5所示。

圖5 防水材料與構造組合的防水失效概率

SBS改性瀝青防水卷材在保溫層上或下均可;相對而言,自粘膠膜防水卷材在保溫層之上使用時,更能發(fā)揮材料的特性;聚合物砂漿由于其防水有效性指標相對較低,在溫差大的地區(qū)或鄰近材料變形量較大時,不合適使用;聚氨酯防水涂料在保溫層之上使用也不是很合理。

如果完全按照防水材料道數(shù)與防水等級或要求對應,并不一定合理,不同材料組合時,其防水失效概率相差較大[17,22]。最好綜合使用環(huán)境、材料變形及防水材料有效性進行量化分析,采用防水失效概率對防水等級進行劃分。

2.6 防水材料組合的合理性

設定2道不同防水材料組合,針對Dwa氣候區(qū),對典型防水材料進行組合,其他條件同第2.2節(jié),計算結果如圖6所示。

圖6 多類防水材料組合的防水失效概率

以上組合雖在實際工程中均不常見,但由圖6可知,如果材料防水有效性類似,組合后可有效發(fā)揮材料優(yōu)勢,不同類型材料疊合使用時,防水有效性指標較低的材料貢獻不明顯,所以多層材料疊合時,最好是同類或防水有效性指標近似的材料,同時考慮兼容性和可操作性。

2.7 女兒墻材料類型

選擇Dwb氣候區(qū),防水層位于保溫層之下,1～3道SBS改性瀝青防水卷材,女兒墻材料類型分別為混凝土、砌塊,長度取30,50,100m,其他條件同第2.2節(jié),計算結果如表2所示。

表2 不同女兒墻類型及長度的防水失效概率

當選用1～3層SBS改性瀝青卷材時,混凝土與砌塊女兒墻計算結果差異非常大,其原因在于溫差、濕度差導致女兒墻變形,砌塊女兒墻與基層之間的約束非常有限,相對變形值較大。

進一步對不同氣候區(qū)的應用進行對比,考慮Dwa與Dwb,BSk與BWk,Cfa與Cwb溫差類似,選取Dwa,BWk,Cfa。設定基層與女兒墻長度為30,50,100m,計算結果如圖7所示。

圖7 不同長度砌塊女兒墻的防水失效概率

當屋面長度為30m左右,位于Cfa,Af等年度溫差波動較小的地區(qū)時,防水失效概率相對較低,表明這些地區(qū)可采用砌塊類女兒墻。但在Dwa,BWk,ET等溫差波動較大的地區(qū),或女兒墻長度超過50m時,采用砌塊類女兒墻均不合適。

由于溫差或凍融循環(huán)作用,女兒墻與基層之間由于剪切作用導致防水失效的案例非常多。采用混凝土與屋面板整體澆筑,可有效降低屋面基層與女兒墻的相對變形,避免防水層失效。在年度溫差極值較大、存在凍融的地區(qū),避免采用砌塊類女兒墻。當女兒墻長度超過30m時,采用混凝土與屋面板整體澆筑更可靠。

2.8 屋面面層的分隔縫尺寸

選取分格為2,3,4,6,8,10m混凝土面層,厚100mm,防水層設置在保溫層上部,屋面長度為30m,混凝土女兒墻,選擇Dwa,Cfa,Af氣候區(qū),2道SBS改性瀝青防水層,保溫層為XPS,計算結果如圖8所示。

圖8 不同屋面面層尺寸的防水失效概率

當屋面面層長度大于8m后,防水失效概率急劇增加。考慮防水層的防水有效性指標一定,從防護層長度的相對關系推斷,防護層長度在6m以下相對合理。此外,當面層尺寸超過6m時,由于混凝土會受到自身的約束,變形為非線性增加,計算程式中簡化了材料內在約束,可能與實際變形存在一定出入。

2.9 保溫層的影響

計算條件同第2.2節(jié),選擇XPS和礦物棉MW類保溫材料,計算結果如圖9所示。

圖9 不同保溫材料的防水失效概率

保溫層的影響主要體現(xiàn)為初始變形、熱濕作用變形及受荷載作用的蠕變。在同一氣候區(qū),采用不同保溫層時,由于保溫層變形較穩(wěn)定,防水失效概率相差不大。選擇保溫時,在溫度、濕度、壓力長期作用下,需尺寸穩(wěn)定,具有一定的變形緩沖能力。

2.10 最大防水單元的規(guī)格

設定屋面長度為30～300m,采用防水層在保溫層下的構造進行分析,選取Dwb溫差較大的氣候區(qū),保護層分格尺寸6m,厚度100mm,保溫層為XPS,1～3道SBS改性瀝青防水卷材,計算結果如圖10所示。

圖10 不同屋面長度的防水失效概率

將圖10的數(shù)據(jù)按比例進行歸一化處理,如表3所示。

表3 屋面長度、防水層道數(shù)組合的失效概率關系

當選用1～3層SBS改性瀝青卷材時,隨著屋面長度的增加,基層與女兒墻之間的相對位移增加:在140m時,每增加一道防水層,防水失效概率降低的比值接近7;在200m時,比值接近2;在300m時,比值接近1.1。表明增加防水層道數(shù)已很難再有效降低失效概率。

當屋面長度為200～300m時,防水失效概率快速增加,任何措施都很難提升可靠度。考慮到找坡、找平基層也可能開裂,計算程式的結果與實際可能存在差異。但結果的相對關系和變化趨勢與實際類似,如果以屋面長度為變量,按防水失效概率的比例關系進行推測,140～200m可能是敏感區(qū)間,即混凝土屋面最大防水單元的長邊邊長限值可能位于140～200m的區(qū)間。

2.11 防水有效性的關鍵因素

屋面設置條件同2.2節(jié),防水層設定1～3道,選取各類氣候區(qū),設置1～3道SBS改性瀝青卷材,防水層均位于保溫層上,計算結果如圖11所示。

圖11 各類氣候區(qū)的防水失效概率比較

屋面老化影響因素中,濕度、紫外線(UV)、氧化條件相差不大,主因為溫度,計算程式將溫度設置成了決定性因素。溫度導致材料變形,防水層的服役溫度導致材料的延伸率、防水有效性變化,高溫極值導致材料老化。計算程式中各個氣候區(qū)溫差如表4所示。

表4 典型氣候區(qū)溫度

在Dwb,Dwa,BSk,BWk,ET氣候區(qū),由于屋面存在凍融,實際影響更大。同時,這些地區(qū)日內溫度循環(huán)差異較顯著,疲勞破壞效應更明顯。

中國建筑股份有限公司2020年對全國工程展開的滲漏調查顯示:華東、華中、東北三省滲漏比例偏高,其中華中和東北地區(qū)最高,均超過73%,而華南地區(qū)滲漏比例約為36.6%[21]。理論與實際調研均顯示屋面防水有效性與溫度特征相關。

此外,我國受季風影響,東、南部年降水量偏高,西、北部較低,降水量與溫差、溫度極值成一定的反向關系,輻射照度與溫度極值正相關。降水量同樣會對防水層及其他材料產生影響,并決定水分滲漏量,所以,混凝土屋面使用環(huán)境類別的分級指標中,需兼顧降水量和溫度的影響[17]。

3 討論

屋面防水失效概率的計算程式基于蒙特卡羅方法(MCM),關鍵計算參數(shù)包括溫度、相對濕度、材料防水有效性、材料層變形與協(xié)同變形量。溫度、濕度、荷載等采取了熱工、力學計算模型,結果明確,而防水層受其他材料層變形協(xié)同作用引入了不確定參數(shù),材料防水有效性僅選擇了特定的幾類材料。計算程式可以對應用場景、構成、構造進行組合,其結果可能與實際存在出入。但其基于統(tǒng)一的計算模型,提供了一種相對客觀、公平的量化分析平臺,所得出的結論具有可比性,基于防水失效概率的對比、分析,可對屋面構造、防水層道數(shù)、材料的氣候適應性、材料類型等進行定量分析,得出相對客觀的定性結論,也與實際規(guī)律基本一致。

4 結語

通過混凝土屋面材料、構造、應用的防水失效概率計算和對比分析,防水失效概率作為工程量化指標,可直觀揭示應用場景、材料、構造的可靠性,基于統(tǒng)一的基準平臺,得出相對客觀的量化結果,利于定性分析與判斷以指導工程實踐。

計算防水失效概率所引入的不確定參數(shù)研究還不深入,材料防水有效指標的精確度還不夠,所研究的材料種類有限,后續(xù)需進一步完善。基于MCM計算程式的參數(shù)還需進一步結合實踐驗證、修正。隨著計算機技術的普及,還可開發(fā)其他模糊算法進行對照。