基于防水失效概率的混凝土屋面工程适应性技术*

徐洪涛,肖绪文,朱志远,张 勇,秦 越,霍倩男,朱 彤,周 辉

(1.中国建筑股份有限公司技术中心,北京 101300; 2.中国建筑股份有限公司,北京 100030; 3.中国建材检验认证集团苏州有限公司,江苏 苏州 215008;4.中国建筑防水协会,北京 100055)

0 引言

我国工程防水应用技术累积了深厚的经验。徐哲等[1]、陈可文[2]、郭君[3]论述影响因素和控制策略,给出了原则性建议。毋万鹏[4]以防水工程设计与质量监管措施为目标,分析了导致渗漏的人为因素。喻学斌[5]从材料、设计、施工和管理几个方面提出解决工程防水渗漏的对策。李翠花[6]以“材料是基础、设计是前提、施工是关键、管理是保证”为宗旨提出措施。陈威等[7]从防水实施的角度,提出设计、施工、管理、构造措施等方面的策略。叶琳昌[8]对渗漏进行总结,提出学习新技术、深化市场机制改革等建议。类似研究基本是经验归纳,导出策略或建议。

防水领域的分类与量化研究也在不断拓展。Ana等[9]对屋面渗漏因素进行分类,分析直接和间接原因,划分因素量化指标等级,依此建立了屋面防水检测分类系统,用于使用与维修。Jorge 等[10]指出渗漏与搭接质量相关,防水材料基材尺寸稳定性会影响接缝性能。Maher[11]从水分渗漏通道阐释防水类型,归纳了各类材料的防水机理,然后从构造类型、阻水机理、驱动力、环境影响等方面提出防水措施类型,其论述属于分类与措施应对。Yuan等[12]基于水头压力渗漏理论和Darcy公式,采用有限元方法模拟地下隧道渗漏,以重庆隧道为例进行验证,提出防水层、排水设施及防水混凝土组合是控制渗漏的必要条件。Talib等[13]结合屋顶渗漏案例研究,采用分类方法总结了材料选择、措施、应对方案清单。

近年来,关于防水有效性的研究开始关注可靠度。朱志远等[14]提出以多道防水层增加可靠性。Kubal等[15]提出“90%的渗漏发生在1%的部位,99%的渗漏非材料原因”原则,类似研究均带有概率思想。Jaime等[16]对12个屋面样本进行分析,针对典型防水材料,采用Markov Chain预测渗漏概率和使用年限可靠性,据此制定维护计划,其研究基础为概率方法。

可以看出,工程防水领域多采用因果分析,基于分类学进行归纳与总结,提出措施与建议;目前已开始使用概率等量化方法,但欠缺用于评价工程防水适应性的量化方法。

1 研究方法

为了对防水材料及系统的适应性进行量化分析,基于蒙特卡罗防水失效概率算法,集成使用环境、构造、材料防水有效性等参数进行组合、计算,对得到的失效概率进行比较和分析,得出适应性结论,研究内容及技术路线如图1所示。

图1 研究技术路线

2 研究内容

2.1 计算组合

影响混凝土屋面防水失效概率的因素包含使用环境、材料、构造和构成[17],依据研究的目标对输入参数进行组合,计算组合如表1所示。

表1 研究对象与参数组合

其中,防水使用环境选取典型城市,对应柯本气候分区[18-20],分别为:哈尔滨(Dwb)、北京(Dwa)、呼和浩特(BSk)、乌鲁木齐(BWk)、拉萨(ET)、昆明(Cwb)、上海(Cfa)、三亚(Af)。

2.2 正置、倒置式屋面气候适应性及构造要求

设定屋面长度100m,保护层分格6m,厚度100mm,保温层为XPS,混凝土女儿墙,选取Dwa,BWk,Cfa 3类气候区,1～3道SBS改性沥青卷材,对常规和倒置式屋面进行计算,结果如图2所示。

图2 屋面类型与气候区组合的防水失效概率

由图2可知,常规屋面面层材料受温度的影响更明显,保温层上的防水层受邻近材料变形的影响更大,防水失效概率更高,倒置式屋面则反之。当倒置式屋面保温层与邻近材料之间存在结冰、冻融等可能产生显著的变形时,需结合实际进行研究,此外,保温层及辅助材料的耐水性能至关重要。

由图2b可知,选定Dwa地区,SBS改性沥青卷材,选用1～3道防水层。采用1道防水层正置式屋面,失效概率较高,而1道防水层的倒置式屋面,在无冻融地区的渗漏风险更小;采用2道防水层的正置式屋面,失效概率显著降低,其适应范围更广,考虑到屋面材料吸水或冻融的影响,采用2道防水层的倒置式屋面优势不明显;采用3道防水层时,正置式屋面失效概率降到极低值,具有明显的优势。

所以,倒置式屋面保温层与邻近材料之间不存在冻融时,其防水失效概率更低,当防水道数或防水有效性足够时,正置式屋面适应范围更广[21]。

2.3 多道防水层组合的合理性

屋面设置条件同第2.2节,设定1～3道SBS改性沥青卷材,按防水层与保温层的相对位置计算,结果如图3所示。

图3 多道防水层组合的防水失效概率

当防水层位于保温层之上时,采用多道设防具有明显优势。当保温层上、下均设置防水层,失效概率取决于保温层上部的防水层,需结合屋面、建筑功能进行分析。

保温层上、下均设置防水层时,保温层下部的防水层受保温层防护,工作环境更稳定,防水失效概率相对较低;如果上部防水层失效,下部防水层对结构、室内和用户可形成一定的保护,在进行屋面翻新或维修时对室内的影响更可控[17]。

2.4 防水材料的气候适应性

屋面设置条件同第2.2节,选取Dwa,BWk,Cfa,Af 4类气候区,1道防水层位于保温层之上,选取不同类型防水材料,防水失效概率如图4所示。

图4 防水材料与气候区组合的防水失效概率

当其他条件设置成定值时,影响材料防水有效性的指标主要与延伸率、变形区间尺寸等相关。较典型的是自粘胶膜防水卷材,在常温条件下延展性非常好,但是在-20℃条件下延伸率离散度非常大,从材料适应性角度,更适合在年度最低温度较高的地区使用。

材料应与气候相适应,低温地区应用时,需确保材料在低温条件下的柔度、防水有效性,高温地区则需注意材料的热老化。此外,也可调整防水材料在屋面内的位置,确保其温度位于适宜范围内。

2.5 防水材料在屋面内位置的合理性

屋面设置条件同第2.2节,针对Dwa,BWk气候区和典型防水材料,防水失效概率如图5所示。

图5 防水材料与构造组合的防水失效概率

SBS改性沥青防水卷材在保温层上或下均可;相对而言,自粘胶膜防水卷材在保温层之上使用时,更能发挥材料的特性;聚合物砂浆由于其防水有效性指标相对较低,在温差大的地区或邻近材料变形量较大时,不合适使用;聚氨酯防水涂料在保温层之上使用也不是很合理。

如果完全按照防水材料道数与防水等级或要求对应,并不一定合理,不同材料组合时,其防水失效概率相差较大[17,22]。最好综合使用环境、材料变形及防水材料有效性进行量化分析,采用防水失效概率对防水等级进行划分。

2.6 防水材料组合的合理性

设定2道不同防水材料组合,针对Dwa气候区,对典型防水材料进行组合,其他条件同第2.2节,计算结果如图6所示。

图6 多类防水材料组合的防水失效概率

以上组合虽在实际工程中均不常见,但由图6可知,如果材料防水有效性类似,组合后可有效发挥材料优势,不同类型材料叠合使用时,防水有效性指标较低的材料贡献不明显,所以多层材料叠合时,最好是同类或防水有效性指标近似的材料,同时考虑兼容性和可操作性。

2.7 女儿墙材料类型

选择Dwb气候区,防水层位于保温层之下,1～3道SBS改性沥青防水卷材,女儿墙材料类型分别为混凝土、砌块,长度取30,50,100m,其他条件同第2.2节,计算结果如表2所示。

表2 不同女儿墙类型及长度的防水失效概率

当选用1～3层SBS改性沥青卷材时,混凝土与砌块女儿墙计算结果差异非常大,其原因在于温差、湿度差导致女儿墙变形,砌块女儿墙与基层之间的约束非常有限,相对变形值较大。

进一步对不同气候区的应用进行对比,考虑Dwa与Dwb,BSk与BWk,Cfa与Cwb温差类似,选取Dwa,BWk,Cfa。设定基层与女儿墙长度为30,50,100m,计算结果如图7所示。

图7 不同长度砌块女儿墙的防水失效概率

当屋面长度为30m左右,位于Cfa,Af等年度温差波动较小的地区时,防水失效概率相对较低,表明这些地区可采用砌块类女儿墙。但在Dwa,BWk,ET等温差波动较大的地区,或女儿墙长度超过50m时,采用砌块类女儿墙均不合适。

由于温差或冻融循环作用,女儿墙与基层之间由于剪切作用导致防水失效的案例非常多。采用混凝土与屋面板整体浇筑,可有效降低屋面基层与女儿墙的相对变形,避免防水层失效。在年度温差极值较大、存在冻融的地区,避免采用砌块类女儿墙。当女儿墙长度超过30m时,采用混凝土与屋面板整体浇筑更可靠。

2.8 屋面面层的分隔缝尺寸

选取分格为2,3,4,6,8,10m混凝土面层,厚100mm,防水层设置在保温层上部,屋面长度为30m,混凝土女儿墙,选择Dwa,Cfa,Af气候区,2道SBS改性沥青防水层,保温层为XPS,计算结果如图8所示。

图8 不同屋面面层尺寸的防水失效概率

当屋面面层长度大于8m后,防水失效概率急剧增加。考虑防水层的防水有效性指标一定,从防护层长度的相对关系推断,防护层长度在6m以下相对合理。此外,当面层尺寸超过6m时,由于混凝土会受到自身的约束,变形为非线性增加,计算程式中简化了材料内在约束,可能与实际变形存在一定出入。

2.9 保温层的影响

计算条件同第2.2节,选择XPS和矿物棉MW类保温材料,计算结果如图9所示。

图9 不同保温材料的防水失效概率

保温层的影响主要体现为初始变形、热湿作用变形及受荷载作用的蠕变。在同一气候区,采用不同保温层时,由于保温层变形较稳定,防水失效概率相差不大。选择保温时,在温度、湿度、压力长期作用下,需尺寸稳定,具有一定的变形缓冲能力。

2.10 最大防水单元的规格

设定屋面长度为30～300m,采用防水层在保温层下的构造进行分析,选取Dwb温差较大的气候区,保护层分格尺寸6m,厚度100mm,保温层为XPS,1～3道SBS改性沥青防水卷材,计算结果如图10所示。

图10 不同屋面长度的防水失效概率

将图10的数据按比例进行归一化处理,如表3所示。

表3 屋面长度、防水层道数组合的失效概率关系

当选用1～3层SBS改性沥青卷材时,随着屋面长度的增加,基层与女儿墙之间的相对位移增加:在140m时,每增加一道防水层,防水失效概率降低的比值接近7;在200m时,比值接近2;在300m时,比值接近1.1。表明增加防水层道数已很难再有效降低失效概率。

当屋面长度为200～300m时,防水失效概率快速增加,任何措施都很难提升可靠度。考虑到找坡、找平基层也可能开裂,计算程式的结果与实际可能存在差异。但结果的相对关系和变化趋势与实际类似,如果以屋面长度为变量,按防水失效概率的比例关系进行推测,140～200m可能是敏感区间,即混凝土屋面最大防水单元的长边边长限值可能位于140～200m的区间。

2.11 防水有效性的关键因素

屋面设置条件同2.2节,防水层设定1～3道,选取各类气候区,设置1～3道SBS改性沥青卷材,防水层均位于保温层上,计算结果如图11所示。

图11 各类气候区的防水失效概率比较

屋面老化影响因素中,湿度、紫外线(UV)、氧化条件相差不大,主因为温度,计算程式将温度设置成了决定性因素。温度导致材料变形,防水层的服役温度导致材料的延伸率、防水有效性变化,高温极值导致材料老化。计算程式中各个气候区温差如表4所示。

表4 典型气候区温度

在Dwb,Dwa,BSk,BWk,ET气候区,由于屋面存在冻融,实际影响更大。同时,这些地区日内温度循环差异较显著,疲劳破坏效应更明显。

中国建筑股份有限公司2020年对全国工程展开的渗漏调查显示:华东、华中、东北三省渗漏比例偏高,其中华中和东北地区最高,均超过73%,而华南地区渗漏比例约为36.6%[21]。理论与实际调研均显示屋面防水有效性与温度特征相关。

此外,我国受季风影响,东、南部年降水量偏高,西、北部较低,降水量与温差、温度极值成一定的反向关系,辐射照度与温度极值正相关。降水量同样会对防水层及其他材料产生影响,并决定水分渗漏量,所以,混凝土屋面使用环境类别的分级指标中,需兼顾降水量和温度的影响[17]。

3 讨论

屋面防水失效概率的计算程式基于蒙特卡罗方法(MCM),关键计算参数包括温度、相对湿度、材料防水有效性、材料层变形与协同变形量。温度、湿度、荷载等采取了热工、力学计算模型,结果明确,而防水层受其他材料层变形协同作用引入了不确定参数,材料防水有效性仅选择了特定的几类材料。计算程式可以对应用场景、构成、构造进行组合,其结果可能与实际存在出入。但其基于统一的计算模型,提供了一种相对客观、公平的量化分析平台,所得出的结论具有可比性,基于防水失效概率的对比、分析,可对屋面构造、防水层道数、材料的气候适应性、材料类型等进行定量分析,得出相对客观的定性结论,也与实际规律基本一致。

4 结语

通过混凝土屋面材料、构造、应用的防水失效概率计算和对比分析,防水失效概率作为工程量化指标,可直观揭示应用场景、材料、构造的可靠性,基于统一的基准平台,得出相对客观的量化结果,利于定性分析与判断以指导工程实践。

计算防水失效概率所引入的不确定参数研究还不深入,材料防水有效指标的精确度还不够,所研究的材料种类有限,后续需进一步完善。基于MCM计算程式的参数还需进一步结合实践验证、修正。随着计算机技术的普及,还可开发其他模糊算法进行对照。