寒冷地区平屋面防渗漏系统试验研究*

廖 利,祖 峰,梅 阳,朱克勤,刘文中,徐小辉

(1.北京特种工程设计研究院,北京 100028; 2.亚太建设科技信息研究院有限公司,北京 100120; 3.上海裕项工程建设发展有限公司,上海 201999)

0 引言

随着我国城镇化进程和建筑业的迅速发展,人们对建筑质量的要求逐渐提高。建筑屋面的形式逐渐丰富,综合体等复杂形式建筑的发展对屋面防渗漏提出了更高的要求[1]。当前,建筑渗漏仍是困扰防水行业乃至整个建筑行业的重大问题,工程渗漏率较高,造成了较大的经济损失,成为行业亟需解决的难点问题[2]。在工程质量投诉中,渗漏投诉比例一直居高不下。寒冷地区屋面渗水,严重影响了建筑顶层的使用[3-5],成为工程质量顽疾。

屋面渗漏问题直接影响建筑的安全、外观和使用寿命。渗漏问题的出现也给建设、设计、施工及后期运营维修单位带来不便,维护费用加重了居民的经济负担[6],甚至造成了不良的社会影响。因此,研究围护结构体系防渗漏性能对建筑安全性、经济性及人们的生产生活具有重大现实意义。

本研究依托内蒙古额济纳旗地区气候条件,制作钢筋混凝土屋面和金属岩棉夹心板屋面模型,对2种屋面系统开展防渗漏和抗风揭性能试验研究,并针对试验结果提出系统优化措施。

1 气候条件

额济纳旗位于内蒙古自治区最西端,辖区面积占内蒙古自治区总面积的22.8%。该地区属内陆干燥气候,具有干旱少雨、蒸发量大、日照充足、温差较大、风沙多等气候特点。该地区年平均气温8.3℃,温差大,1月平均气温-11.6℃,极端低温-36.4℃,7月平均气温26.6℃,极端高温42.5℃。额济纳旗日均气温0℃以上持续时期为3月中旬至10月下旬,属于寒冷地区。年均≥8级以上大风天数达44d,平均风速4.0m/s,最大风速达40m/s,大风常伴随沙尘暴,年均沙尘暴14次。分析额济纳旗地理环境及气候环境可知,该地区对围护结构的抗风和保温性能要求非常高,应关注防水层失效后渗漏水进入保温层导致保温和防水同时失效的问题。

依据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》,额济纳旗海拔高度为940.500m,10,50,100年重现期风压值分别为0.40,0.60,0.70kN/m2;依据JGJ 235—2011《建筑外墙防水工程技术规程》,额济纳旗日最大降水量为21.9mm。

空气密度:ρ=1.137 8×10-3t/m3,100年重现期风压下风速v0=35.1m/s。

根据闫国臣等[7]的相关研究,额济纳旗100年重现期风压相当于蒲福12级风,极限最大风速40m/s相当于蒲福13级风,风压为0.91kPa。

2 试验设计

为研究寒冷地区屋面防渗漏体系及相关性能指标,设计了屋面防渗漏系统试件,并在第三方实验室进行水密性能和抗风揭性能试验,以研究该屋面体系在极限风力作用下的水密性能和抗风揭性能。

2.1 试验原理

根据GB/T 51422—2021《建筑金属板围护系统检测鉴定及加固技术标准》,屋面防渗漏系统水密性能试验原理如下。

1)将试件安装在压力箱上,与压力箱密封,使试件和压力箱形成密封整体;利用供压装置向压力箱内加压,在试件上下面两侧形成稳定压力差,以压力差的大小模拟试件受到不同风荷载作用时的状态,即屋面抗风揭性能。

2)在给试件施加压力的同时,向试件的室外侧以一定水流量进行淋水,模拟试件在风和雨同时作用的条件下,试件阻止雨水向室内侧渗漏的能力,即水密性能检测。

3)设定恒定水量3L/(m2·min),最大稳定加压量2kPa,以摄像头实时观测和肉眼观察屋面试件在风雨共同作用下的渗漏情况。

2.2 试验装置

根据实验室情况及规范要求,本次试验选择在实验室标准试验台上进行,试验装置由测试平台、压力箱体、风压供给系统、喷淋系统及测试系统构成,风压和水压由中控室进行控制,如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Experimental equipments

2.3 试件设计及制作

2.3.1寒冷地区屋面典型做法

对于寒冷地区屋面,保温层和防水层是保证屋面功能的重要构造层次,一般保温层根据热工计算的要求确定,平屋面构造通常采用正置式防渗漏结构[8],其典型结构构造如图2所示。为避免该构造保温层内蓄水导致防水层起鼓,应设置排气道及排气孔。屋面坡度应优先采用结构起坡,当室内顶板有装饰可以掩盖楼板不平时,应优先采用同一板厚结构起坡,无法结构起坡时,可用保温层兼作找坡层。

图2 寒冷地区正置式屋面典型做法Fig.2 Typical structure of upright roof in cold regions

2.3.2试验构件设计

2.3.2.1混凝土屋面防渗漏系统

参考寒冷地区正置式屋面典型做法,采用热镀锌方钢作为屋面系统骨架与试验平台固定连接,以钢骨架轻型混凝土板作为屋面结构[4-5]。由于需要研究结构板拼缝对屋面防渗漏系统的影响,且保证构件尺寸与3m×3m试验平台尺寸匹配,选用结构板尺寸为3m×1.5m,结构构件关键参数如表1所示。

表1 混凝土屋面试件关键参数Table 1 Key parameters of concrete roof specimen

结合实验室条件和构件关键参数,混凝土屋面防渗漏系统设计如图3所示。

图3 混凝土屋面防渗漏系统设计Fig.3 Design of concrete roof leakage prevention system

2.3.2.2金属岩棉夹心屋面防渗漏系统

考虑到工程项目中临时性建筑及一般性建筑常采用金属岩棉夹心的屋面板形式,参考额济纳旗地区该类型屋面的典型做法,即采用钢骨架+金属岩棉夹心保温板作为屋面结构进行防渗漏和抗风揭性能试验研究,结构构件关键参数如表2所示。

表2 金属岩棉夹心屋面试件关键参数Table 2 Key parameters of metal rock wool sandwich roof specimen

结合实验室条件和构件关键参数,屋面系统设计如图4所示。

图4 金属岩棉夹心屋面防渗漏系统Fig.4 Structure of metal rock wool sandwich roof leakage prevention specimen

2.3.3试件制作

1)混凝土屋面防渗漏系统试件制作流程 焊接钢骨架(镀锌方钢120×60×5)→将120mm厚钢骨架轻型混凝土板焊接于钢骨架上→用填缝剂填充屋面板缝隙→将铝镁锰金属屋面板T形支座间距1m固定于钢骨架轻型混凝土板的金属边框上→支模板→20mm厚砂浆找平→1.5mm厚聚氨酯防水涂膜施工→50mm厚保温防水一体化聚氨酯发泡施工→浇筑20mm厚憎水膨胀砂浆→铺设0.6mm厚直立锁边铝镁锰金属板(65/430)→金属屋面锁边→安装屋面防风夹间距1 500mm。试件制作完成效果如图5所示。

图5 混凝土屋面防渗漏系统试件Fig.5 The concrete roof leakage specimen

2)金属岩棉夹心屋面防渗漏系统试件制作流程 焊接钢骨架(镀锌方钢120×60×5)→将100mm厚金属岩棉夹心复合保温板焊接于钢骨架上→依次铺设2层4mm厚SBS改性沥青防水卷材→以间距600mm龙骨固定卷材→20mm厚憎水膨胀砂浆保护层施工。试件制作完成效果如图6所示。

图6 金属岩棉夹心屋面防渗漏系统试件Fig.6 The metal rock wool sandwich roof leakage prevention specimen

3 试验过程

由于抗风揭性能试验为破坏性试验,因此,先进行水密性试验,测得构件的水密性能后,再进行抗风揭性能试验,主要试验步骤如下。

1)试验准备 将制作好的构件安装到试验箱体上,垫起试验箱体一侧,保证屋面试件有5%的坡度,控制坡度方向使卷材顺茬搭接排水。用密封胶将构件四周密封严实,接好喷淋设备、加压系统和压力测量系统。

2)水密性试验预备加压 先施加3个压力脉冲,每个脉冲压力差绝对值为500Pa,每个脉冲作用时间持续10s,泄压后保持2min再施加下级压力。

3)淋水 调整淋水系统喷嘴角度,对整个试件均匀淋水,淋水量为3L/(m2·min),持续时间15min。

4)逐级加压 在保持淋水量不变的同时,按照150Pa→200Pa→350Pa→500Pa→700Pa→1 000Pa→1 500Pa→2 000 Pa的顺序逐级施加压力,每级压力持续5min。试验过程中,通过安装在板底的摄像头观察记录箱体内试件的渗漏情况。

5)抗风揭试验准备 再次检查试件密封情况,漏气部位用密封胶嵌填密实,保证不漏气。

6)抗风揭加压 加压到0.7kPa,保持60s→泄压到0→加压到1.4kPa,保持60s→泄压到0→加压到2.1kPa,保持60s→泄压到0→…→直至破坏,每步都应检查试件是否破坏或失效,一旦破坏则停止试验。

4 试验结果分析

根据试验步骤,待构件制作完成并养护后在第三方实验室进行测试,获得2个典型防渗漏系统的水密性和抗风揭性能试验结果。

4.1 混凝土屋面防渗漏系统

1)水密性试验表明,在3L/(m2·min)均匀淋水条件下,静态稳定加压值为2kPa时,构件未发生渗漏,水密性能满足额济纳旗地区风力和雨量条件下的防渗漏要求,且有较大的安全余量。试验结果表明,屋面在3%～5%起坡情况下,设置直立锁边铝镁锰金属板能迅速排走屋面积水,避免渗漏。同时,由于额济纳旗地区日温差较大,采用金属屋面能够很好地排水,并与其下构造层间形成空气层,避免其下构造层因温度剧烈变化而开裂,导致防水失效。

2)抗风揭试验表明,混凝土屋面防渗漏系统抗风揭压力值为2.1kPa,破坏现象是试验压力达2.8kPa时,铝镁锰金属屋面板从T形支座处脱出破坏(见图7)。2.1kPa抗风揭值是额济纳旗极端风速40m/s(对应风压值0.91kPa)的2.3倍,可见构件的抗风揭承载能力满足额济纳旗地区极端风力条件的安全要求,且有较大的安全余量。该设计状况下,屋面防渗漏系统抗风揭能力的薄弱点为直立锁边铝镁锰金属屋面T形支座与铝镁锰屋面板的连接处。

图7 混凝土屋面防渗漏系统抗风揭破坏状态Fig.7 Failure state of concrete roof leakage prevention system specimen in wind exposure test

4.2 金属岩棉夹心屋面防渗漏系统

1)水密性试验结果表明,在3L/(m2·min)均匀淋水条件下,静态稳定加压2kPa,构件未发生渗漏。该试件的水密性能可以满足额济纳旗地区防渗漏要求,且有较大的安全余量。

2)抗风揭试验表明,金属岩棉夹心屋面防渗漏系统抗风揭压力值为4.9kPa,破坏现象是试验压力为5.6kPa时,金属岩棉夹心板与钢龙骨间的固定螺钉拔出,屋面系统上表面的20mm憎水膨胀砂浆破碎,破碎位置在金属岩棉夹心板板缝位置。通过对比额济纳旗地区风压条件发现,其抗风揭压力值远超过极限风速下的安全要求,为额济纳旗极端风速40m/s(对应风压值0.91kPa)的5.38倍。该试件的薄弱点为金属岩棉夹心板与钢龙骨间的螺钉连接及金属岩棉夹心板的板缝位置。

4.3 屋面防渗漏系统优化建议

1)本试验采用的钢骨架轻型屋面板为工厂预制的成型产品,板面平整度较好,能够满足聚氨酯防水涂料的平整度要求,因此可取消轻型屋面板与防水涂料间的20mm厚砂浆找平层。

2)由于铝镁锰金属屋面的T形支座能够穿透保温防水一体化发泡聚氨酯层,与屋面结构的钢骨架连接,虽然能保证连接强度,但易形成冷桥,对寒冷地区屋面保温不利。因此,建议本屋面防渗漏系统优化屋面板结构接缝形式,优化屋面T形支座连接方式,防止结构产生冷桥。

3)金属岩棉夹心屋面防渗漏系统的卷材防水层和20mm厚砂浆保护层直接接触,由于二者变形模量差异巨大,且砂浆干燥过程中会产生收缩,极易产生裂缝,失去保护作用,导致卷材防水层的耐久性下降,是渗漏隐患点。因此,建议在防水层和砂浆保护层间增加无纺布隔离层,以避免保护层开裂。

5 结语

作为重要的围护结构,寒冷地区的建筑屋面长期处于阳光、雨、雪、冻融循环、干湿循环的复杂环境中,是建筑防水失效导致渗漏发生的“重灾区”。为研究寒冷地区屋面体系的防渗漏性能,设计了适用于寒冷地区的混凝土屋面结构和金属岩棉夹心屋面结构防渗漏体系,在实验室进行2种屋面体系的水密性和抗风揭性能试验。试验结果表明,2种屋面系统均能够满足内蒙古额济纳旗地区的要求,并具有一定的安全余量。结合试件设计、制作经验和试验结果,提出2种屋面防渗漏体系的优化建议。

随着建筑业向高质量发展转变,对寒冷地区屋面体系节能和防渗漏性能要求日趋严格,本文相关试验研究及优化建议,可为寒冷地区平屋面设计提供参考。