装配式建筑外墙板防水设计研究与应用

马 健,龚建锋,翟立祥

(1. 浙江省建筑设计研究院,浙江 杭州 310006；2. 浙江省杭州市拱墅区基础设施建设中心,浙江 杭州 310011)

1 概 述

自2016年以来,国家相继出台《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》(中发[2016]6号)和《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发[2016]71号)文件,文件要求要大力推广装配式建筑,力争用10年左右时间,使装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%。国家住房和城乡建设部于2017年3月发布《“十三五”装配式建筑行动方案》进一步明确了各地区的工作任务和阶段目标,到2020年,全国装配式建筑占新建建筑的比例达到15%以上,其中重点推进地区达到20%以上,积极推进地区达到15%以上,鼓励推进地区达到10%以上。各省市也相继出台了装配式建筑的相关支持文件,结合上级制定的任务和目标进行积极推进。《浙江省人民政府办公厅关于推进绿色建筑和建筑工业化发展的实施意见》(浙政办发[2016]111号)提出,浙江省作为国家装配式建筑的重点推进地区,要求到2020年实现装配式建筑占新建建筑面积的比例达到30%,比国家制定目标提前5年完成。

由此可见,装配式建筑已然成为我国未来建筑的一个重要发展方向。装配式建筑作为一个高度集成概念的新型建筑,当前主要涵盖了三个方面的内容：主体结构，围护墙和内隔墙以及装修和设备管线[1]。本标准中围护墙倡导采用非砌筑,同时强调了围护墙与保温、隔热、装饰一体化,因此夹芯保温预制外墙将是未来装配式建筑外墙体系发展的一个重要方向。但是此类型外墙板由于采用工厂预制和现场拼装的施工工艺,会产生大量的拼装接缝,这些接缝很容易成为水流渗透的通道,使墙面在建筑交付使用后产生渗漏水现象,影响建筑的正常使用,尤其在我国南方和多雨的沿海地区,此问题尤其值得注意。

2 外墙防水系统分析

对于装配式建筑外墙板的防水系统设计主要包括三个方面：

1)雨量分析。对可能造成外墙渗漏的水源进行分析,包括雨、雪及台风状态下的渗漏水路径。

2)整体防水设计。根据当地气候、建筑结构形式等,确定整体外墙采取结构自防水、防水材料防水、幕墙系统防水等方案。

3)细部防水设计。对窗框、出墙管道、水平接缝和竖向接缝等部位的防水设计。

2.1 雨量分析

在降雨过程中,建筑外墙面雨水量的大小主要取决于降雨强度和风速两个自然环境的影响。故在进行外墙防水设计时,应重点分析这两个外部因素。

2.1.1 降雨强度

降雨强度是根据某一时间段内降水量的多少来划分的,分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨六个等级。我国南方地区雨水充沛,经常有暴雨和大暴雨天气,当受台风登陆影响时,偶尔会有特大暴雨天气。

降雨是由大小不同的雨滴组成的,小雨滴直径约为0.2 mm,大雨滴直径约6.0 mm以上。降雨强度越大,雨滴直径越大,雨速也越快。雨滴在下落过程中,大小和速度是不断变化的,大雨滴在下降过程中会破裂成大小不等的小雨滴。一次降雨的雨滴分布,用该次降雨雨滴累积体积百分曲线表示,其中累计体积为50%所对应的雨滴直径,用D50表示。D50表明该次降雨中大于这一直径的雨滴总体积等于小于该直径的雨滴的总体积,它与平均雨滴直径的含义是不同的。通常降雨强度愈大,D50愈大；降雨强度减小,D50也相应减小。

雨滴在空气中的降落速度最初是逐渐增大的,随着雨滴降落速度的增大,空气阻力也逐渐增大,则雨滴的加速度逐渐减少,最后加速度减为零,最终雨滴在重力和空气阻力的共同作用下,其终点速度接近匀速,这时雨滴的降落速度达到最大值,叫雨滴终速。降雨强度越大,相应雨滴直径越大,雨速也越快,见表1[2]。

表1 降雨参数表

2.1.2 风速影响

尽管建筑的外墙面通常是沿竖直方向的,但由于风的影响,会使普通的降雨以一定的角度和矢量速度,滴落在建筑外墙面上,使墙面汇集了更多的雨水,因此在雨量分析时,有必要充分考虑风压、风速的影响。

风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出的风压风速关系为：

Wp=0.5×ρ×v2

式中：Wp为风压,kN/m2；

ρ为空气密度,kg/m3；

v为风速,m/s。

空气密度ρ和重度γ的关系为：γ=ρ×g,在标准状态下,大气压1.013×105Pa,温度15℃,空气重度γ=0.012 25 kN/m3。重力加速度g=9.8 m/s2,因此风速与风压的关系式为：

根据现行国家标准《建筑结构荷载规范(GB 50009—2012)》,我国沿海地区50年周期基本风压高达0.5～1.0 kN/m2,其对应的风速为28.3～40 m/s,蒲福风力等级10～13级,见表2[3]。

表2 风级、风速、风压表

以基本风压0.50 kN/m2的大暴雨天气为例,风速取28.3 m/s,雨滴终点速度取7 m/s,1 h降雨量取上限72.6 mm。根据矢量三角形法算得雨滴被风吹的斜向角度约为76.1°,见图1。

雨水在墙面的汇集量：Wq=72.6×76.1°/90°=72.6×0.85=61.71 mm/h。由此可见,上述假定条件下,竖直墙面的汇水量约为等面积水平屋面的85%。

2.2 整体防水设计

外墙的整体防水通常有三种形式：墙体结构自防水、防水材料防水以及幕墙防水,外墙整体防水系统通常设置在迎水面一侧,具体采用何种形式,应结合外墙保温系统、装饰系统、建筑外立面设计以及成本等因素综合确定。

1)年降水量大于等于800 mm地区的高层建筑外墙；

2)年降水量大于等于600 mm且基本风压大于等于0.5 kN/m2地区的外墙；

3)年降水量大于等于400 mm且基本风压大于等于0.4 kN/m2地区有外保温的外墙；

4)年降水量大于等于500 mm且基本风压大于等于0.35 kN/m2地区有外保温的外墙；

5)年降水量大于等于600 mm且基本风压大于等于0.30 kN/m2地区有外保温的外墙。

当前,我国对于外墙整体防水设计,使用最多的方式是防水材料防水,可选用的产品种类丰富,技术也相对成熟。1)刚性防水材料,主要包括聚合物水泥砂浆、普通防水砂浆以及聚合物水泥防水浆料等；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气膜等；3)憎水性防水材料,主要包括有机硅防水剂和无机纳米防水剂等。上述各类防水材料各有优缺点和各自最适用的环境,在进行外墙整体防水设计时应依据实际情况进行选择。同时采用材料防水时,还应特别注意防水材料与建筑外墙各层次材料之间的相容性,避免出现粘结不良或失效,引起墙体面层起泡、空鼓和脱落等问题。

装配式建筑由于外墙板的整体防水,从构造上与传统墙面区别不大,但因其采用了在工厂预制加工的方式,在施工精度、养护环境、作业条件等方面都有较高的保证,因此其整体防水效果更优。尤其对于保温一体化外墙板,当外叶板与内叶板之间采用可靠的连接措施(如目前使用较多的thermomass保温连接件)后,极大程度地避免了传统施工工艺情况下,防水层连同保温层一起脱落的现象发生,因此对于装配式建筑外墙板的整体防水设计本文不赘述。

2.3 细部防水设计

对于装配式建筑外墙的细部防水设计,最集中的问题出现在预制墙板由于拼接所形成的水平缝和垂直缝,纵观目前国内外的主要研究与实践,夹芯保温预制墙体的垂直接缝和水平接缝通常采用材料防水、构造防水和结构防水三种措施相结合的设计。

2.3.1 外墙接缝的构造防水

在2008年的金融危机中，比特币的创始人中本聪发明了比特币，它成为了第一个去中心化的数字货币。区块链是一个分布式网络，每个节点都会存放所有交易的副本，并自动同步。节点可以是用户的电脑、手机，或是其他设备。如图2所示，区块链网络节点是扁平化的，每个节点的地位相等、公平，并以扁平拓扑的方式向相邻节点进行数据交互[2]。

在外墙的接缝防水措施中,排水和导水是非常重要的构造措施,合理的排水和导水比防水措施更加高效,且保证性更高,耐久性更好。

对于水平接缝和竖直接缝,通常的作法是通过分别在墙体室内外两侧设置密封胶(或密封条、PE棒)形成内部空腔,见图2、图3。同时每隔2～3层,在水平缝和垂直缝相交的十字缝上端,设置导水管做引水,这样即使最外侧密封胶出现局部破坏渗漏,漏入墙体的水也能通过设置的空腔构造及导水管及时排走,渗漏不易继续向内发展,此时的导水管还起到了连通接缝空腔内外大气,使墙体内外气压平衡的作用。同时,采用隔层设置排水孔构造,还可使漏水被限制在两个排水口之间,便于今后的排查与修理,排水口构造见图4。室内侧的密封胶一般从外部接缝内打胶,施工难度较大,因此可使用气密条替代内侧注胶方式,宜采用三元乙丙橡胶、氯丁橡胶或硅橡胶等高分子材料制成,其性能应满足现行国家标准《工业用橡胶板(GB/T 5574—2008)》的相关规定,直径宜为20～30 mm。

图2 预制墙板水平接缝防排水构造1

图3 预制墙板竖向接缝防排水构造1

图4 接缝导水管构造

对于夹芯保温承重墙的水平接缝以及夹芯保温非承重墙与现浇混凝土(边缘构件或非承重墙之间设置混凝土现浇带)的竖向连接缝,则可利用接缝处设置的粗糙面和现浇浆料所形成的结构自防水措施,替代室内侧设置密封胶条的构造做法,见图5、图6。接缝浆料或接缝处现浇混凝土建议采用高一级强度等级。

除上述空腔构造外,对于水平接缝,还可通过在墙板边缘设置企口缝和高低缝,通过曲折渗漏水的路径,进一步加强接缝位置的防水效果。

2.3.2 外墙接缝的防水密封胶

防水密封胶是外墙接缝的第一道防水屏障,胶体本身的质量和性能至关重要,因此在选用密封胶时应着重关注以下材料性能[3]：

图5 预制墙板水平接缝防排水构造2

图6 预制墙板竖向接缝防排水构造2

1)抗位移性 预制外墙板在使用过程中,受环境温度变化会出现热胀冷缩现象,受风荷载和地震作用时会产生相对位移,因此密封胶必须具备良好的抗位移性能。

2)耐候性 密封胶长期处于外露条件,必须具有良好的耐候性。

3)粘结性 为保证密封效果,密封胶必须与混凝土基材具有良好的粘结性。

4)防污染性 密封胶作为外露密封使用,为美观需要还须具备防污染性能,避免对接缝两侧的基材造成污染。

5)蠕变性 密封胶应具备一定的蠕变性,即使粘结面长期受力,也不易造成粘结破坏。

6)涂装性 建筑设计为追求整体美观效果,常对其表面进行涂装,因此密封胶应具有可涂装性能。

7)可维修 密封胶在使用过程中难免出现破损、局部粘结失效的情况,因此需对密封胶及时修补。

目前采用的装配式外墙防水密封胶品种主要包括聚氨酯建筑密封胶(PU胶)、硅烷改性硅酮建筑密封胶(MS胶)及硅酮密封胶等。非暴露部位可使用低模量聚氨酯密封胶(PU胶),暴露部位宜使用低模量硅烷改性硅酮密封胶(MS胶)。硅酮密封胶虽然耐候性优良,但因其存在无法涂装、后期修补困难等缺点,使用较少。

聚氨酯建筑密封胶(PU胶)及硅烷改性硅酮建筑密封胶(MS胶)的性能应满足现行行业标准《混凝土接缝用建筑密封胶(JC/T 881—2017)》[5]《聚氨酯建筑密封胶(JC/T 482—2003)》《硅酮和改性硅酮建筑密封胶(GB/T 14683—2017)》的相关规定。用于装配式建筑的密封胶按位移能力分为五个主要级别,见表3[3]；按弹性模量可分为高模量(HM)和低模量(LM)两个次级别,通常用于装配式建筑外墙密封的低模量密封胶的位移能力不宜低于25级。当PC外墙板由外力作用产生位移时,接缝处密封胶的最大应变相对恒定,其模量越低,意味着胶体所受应力越小(模量=应力/应变),此时密封胶更不容易被撕裂或在结合位置发生脱开,因此应选用低模量密封胶。

表3 密封胶级别

密封胶的耐候性主要取决于某类胶本身的质量,与胶的品种没有直接关系。对不同的密封胶进行紫外线循环耐久试验的结果表明：无论是PU胶还是MS胶,耐候性主要由胶的配方决定。

密封胶的粘结性,也是衡量PC密封胶质量的重要因素。使用PU胶时,混凝土的基层结合面无需底涂即可实现良好的粘结；MS胶则需要进行合适的底涂,底涂材料应根据密封胶厂家的推荐选择。使用前,还应在现场进行粘结性测试,确保密封胶粘结性符合要求。

外墙不仅具有防护和防水功能,还具有立面装饰功能,因此密封胶的可涂装性也至关重要。PU胶和MS胶均可以满足涂覆立面装饰涂料的要求,极大地拓展了密封胶的使用范畴。

2.3.3 外墙板接缝宽度设计

接缝宽度对外墙板的抗震性能、抗风性能以及防水性能的影响很大。因此预制外墙板的接缝宽度应根据工程所处环境的温差情况,主体结构在风荷载和地震作用下的变形情况以及密封胶的弹性模量和施工安装误差等因素综合确定。

接缝宽度计算可参考玻璃幕墙,按下述计算公式进行计算[6]：

式中：WS为胶缝宽度，mm；

α为混凝土板的线膨胀系数(1/℃),取1×10-5；

ΔT为外墙年温度变化(℃),通常取80℃；

δ为硅酮密封胶允许的变位承受能力,取0.25；

b为计算方向上墙板长度，mm；

dc为施工偏差，根据目前国内施工情况,取5 mm；

de为其他因素预留量，取2 mm。

根据上述公式,计算出不同墙板尺寸下,外墙的接缝宽度见表4,一般接缝宽度在13～30 mm之间,基本符合《装配式混凝土结构技术规程(JGJ 1—2014)》第10.3.7-2款,不应小于15 mm的规定。同时为使胶体更好地适应变形不至于从两侧基层脱离,通常控制密封胶体的厚度为接缝宽度的0.5～0.7 倍,并不宜小于8 mm。

表4 PC墙板密封胶宽度及厚度

2.3.4 接缝防水施工步骤与要点

接缝的施工质量应严格把控,安排经过专业培训并考核合格的技术人员进行密封胶施工,装配式建筑外墙板密封胶施工的基本步骤见图7。

接缝两侧的混凝土基层应密实平整,不得有蜂窝、麻面、起皮等现象,表面应清洁、干燥、无油污,且接缝两侧基层高度偏差不宜大于2 mm。出现图8a)所示的预制墙板破损时,应将破损面清理干净,涂刷界面剂,使用聚合物水泥砂浆将墙板修补平整；出现图8b)所示接缝宽度不一时,对小于15 mm的缝隙须采用机械切割至符合设计要求的宽度,严禁手工开凿；注胶前还应将缝隙内的堵塞物清理干净。

接缝中应设置连续的背衬材料,背衬材料与接缝两侧基层之间不得留有空隙,预留深度根据密封胶设计厚度确定。当背衬材料选用发泡闭孔聚乙烯塑料棒(PE棒)或发泡氯丁橡胶棒,直径宜为缝宽的1.2～1.5倍。

图7 密封胶施工流程图

图8 预制墙板接缝缺陷

此外,接缝两侧基层表面应连续、平整地粘贴防护胶带,宽度不小于20 mm。

若使用有基层处理剂,应待其干燥后进行注胶。嵌填密封胶后,应在密封胶表面干燥前用专用工具对胶体表面进行修整,溢出胶应在固化前进行清理。

3 结 语

随着国家装配式建筑的逐步推进,预制外墙板的应用会越来越多,现有的防水技术和措施可基本满足功能需求,与其对应的各类技术和产品也在快速地更新和迭代,我们仍需要从原理出发,结合越来越多的工程实践经验,对装配式外墙防水技术予以更多的关注,对现有的防水构造和方法进行改良和提升,解决好发展过程中遇到的各类问题,以助力装配式建筑的发展。