防滲漏施工技術(shù)在房建施工中的應(yīng)用

周 偉

（中鐵建設(shè)集團(tuán)北京工程有限公司，北京 100000）

我國幅員遼闊，寒冷地區(qū)分布廣泛，該地區(qū)屋面滲水問題一直是頑疾[1]。為解決該問題，除采取防水材料填充屋面、改造老化防水層等常規(guī)措施外，在易發(fā)生滲漏的部位增設(shè)防水層，采用防水性能更好、更耐久的新型材料等方法也被廣泛應(yīng)用于屋面施工中[2]。

凍融循環(huán)是寒冷地區(qū)混凝土屋面滲漏的主要原因之一，它會導(dǎo)致鋼筋混凝土性能降低[3]。但現(xiàn)有的研究主要集中在對易發(fā)生滲漏的部位增加防水層或采用防水性能更好的新型材料，忽略了凍融循環(huán)對寒冷地區(qū)屋面滲漏的影響且當(dāng)前研究只能解決表面問題，難以徹底根除滲漏現(xiàn)象。

該研究提出的寒冷地區(qū)鋼筋混凝土平屋面的防滲漏體系，區(qū)別于傳統(tǒng)的防滲漏結(jié)構(gòu)，通過提高屋面溫度、提高混凝土耐久性、解決屋面滲漏問題來抵抗凍融循環(huán)。除在寒冷地區(qū)鋼筋混凝土屋面防滲漏系統(tǒng)縮尺模型上進(jìn)行室外試驗外，采用支持向量機(jī)（SVM）方法對凍融循環(huán)發(fā)生時間和溫度進(jìn)行預(yù)測，并基于預(yù)測結(jié)果對屋面系統(tǒng)進(jìn)行有限元模擬，研究屋面防滲漏性能。

1 鋼筋混凝土平屋頂防滲漏系統(tǒng)設(shè)計

該文基于石家莊某工程，提出一種在寒冷地區(qū)建造的鋼筋混凝土平屋頂?shù)姆罎B漏系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括3 個部分：屋頂系統(tǒng)的主體、加熱系統(tǒng)和排水系統(tǒng)。設(shè)計思路是在屋面系統(tǒng)主體上增加一個加熱系統(tǒng)，利用加熱系統(tǒng)的熱輻射效應(yīng)提高屋面的整體溫度，防止屋面結(jié)冰，減少屋面在凍融循環(huán)中產(chǎn)生的應(yīng)力，并建立一個排水系統(tǒng)，便于屋面積雪融化后迅速排出。系統(tǒng)的3 個部分共同作用，有助于抵抗凍融循環(huán)。屋頂系統(tǒng)的主體包括承重屋面板、預(yù)埋管道保溫層、坡度層、平整層、防水層和保護(hù)層。屋頂系統(tǒng)的主體采用多個分水口，使屋頂?shù)目v向截面呈折板狀，同時保持2%～5%的排水坡度，出水口均勻地布置在相鄰的屋脊之間，便于屋頂快速集水，從而對屋頂板排水進(jìn)行優(yōu)化。屋頂采暖系統(tǒng)包括循環(huán)供水系統(tǒng)、預(yù)埋在屋頂?shù)牟膳Ч?、供水總管、回水總管和止水閥。屋頂排水系統(tǒng)采用與山脊線平行的懸掛管沿建筑物水平布置，懸掛管的分支與屋頂落水口相連。當(dāng)凍融循環(huán)發(fā)生時，加熱系統(tǒng)打開，屋頂隔熱層中的熱介質(zhì)進(jìn)行熱輻射，提高屋頂系統(tǒng)的整體溫度。屋頂上的雪被加熱融化后，流入屋頂落水口，通過排水管排出，以減少屋頂上的積水，防止屋頂出現(xiàn)裂縫。

2 模型試驗

2.1 模型制作和測試準(zhǔn)備

制備鋼筋混凝土平屋頂抗?jié)B系統(tǒng)縮尺模型的主要材料為C30 混凝土、1∶8 水泥珍珠巖材料、1∶2.5 普通硅酸鹽水泥砂漿、3mm 厚度的SBS 改性瀝青防水膜防水層和內(nèi)徑19mm、外徑22mm 的鑄鐵管。在保溫層上鋪設(shè)3%的斜坡，從屋頂兩側(cè)向中心鋪設(shè)1∶8 水泥珍珠巖材料。斜坡層上的鋪裝材料為1∶2.5 普通硅酸鹽水泥砂漿找平層，鋪裝后養(yǎng)護(hù)7 天。最后鋪設(shè)3mm 厚的自黏SBS 改性瀝青防水卷屋面膜，鋪設(shè)完成后24h 對防水層進(jìn)行蓄水試驗，確認(rèn)屋面無滲漏，然后澆筑保護(hù)層并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。將縮尺模型連接到水箱、數(shù)控水泵和供水管道。依次在水箱內(nèi)放置電熱棒，在縮尺模型的測量點處粘貼溫度傳感器，并將電阻連接到THTE 多路PID 溫控器上進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)記錄。

2.2 測試結(jié)果

當(dāng)測試結(jié)束時，導(dǎo)出溫控器記錄的數(shù)據(jù)，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到各測點的時間溫度曲線，如圖1所示。屋面系統(tǒng)整體溫度明顯升高。隨著環(huán)境溫度變化，4 個測點的整體溫度均不同程度升高，但屋面4 個測點的整體溫度仍有顯著差異。1 號測點的溫度最高，其次是4 號測點、3號測點，最后是2 號測點。四個測點的溫度曲線也有不同的波動。

圖1 各測量點的時間-溫度曲線

1 號測點的曲線最平滑，波動最??；2 號測點的曲線波動幅度最大，3 號測點和4 號測點的曲線波動幅度介于1 號和2 號之間。1 號測點的初始溫度為-16℃，略高于初始環(huán)境溫度-18℃，而其他3 個測點的溫度與環(huán)境溫度相同。

每個測點溫度變化不同的原因是1 號測點位于保溫層中，離加熱線最近。因此，它具有比環(huán)境溫度更高的初始溫度和最高的總溫度，對環(huán)境溫度變化的影響較小，溫度剖面波動最小。2 號測點位于屋頂?shù)慕锹?，離供暖線最遠(yuǎn)，其整體溫度最低，受環(huán)境溫度影響最大，波動曲線最大。3 號測點位于山脊上，整體溫度較低，由于兩側(cè)有加熱線，因此受環(huán)境溫度的影響小于2 號測點，整體溫度高于2 號測點。雖然4 號測點不在保溫層內(nèi)，但是距離加熱管道的距離僅次于1 號測點。因此，總體溫度小于1 號測點，而高于2 號測點和3 號測點。

在采暖系統(tǒng)溫度場的持續(xù)作用下，屋面系統(tǒng)整體溫度升高得更明顯，降低了實踐中屋面系統(tǒng)波動引起的溫度應(yīng)力和凍融循環(huán)作用下屋面系統(tǒng)滲漏的概率。研究結(jié)果證明該文提出的鋼筋混凝土平頂防漏系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的有效性。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 SVM 算法預(yù)測模型

某市凍融循環(huán)季節(jié)的最高和最低溫度預(yù)測如圖2所示，其中序號是凍融循環(huán)季節(jié)的天氣號，最高和最低溫度是當(dāng)天最高和最低溫度的預(yù)測值。圖中的一組方形點是模擬該市當(dāng)天的最高溫度。該數(shù)值的幅度隨序號增加先變大后變小且增加幅度較小，隨序號增加逐漸變大，在序號達(dá)到10 后迅速變大，在序號達(dá)到37 時達(dá)到最大值，然后逐漸減少。圖中的一組圓圈是預(yù)測當(dāng)天的最低溫度。日最低氣溫的變化趨勢與日最高氣溫的變化趨勢相似，均先升高后降低。同時，序號16-24 和38-56之間，一天最高溫度大于0℃，一天最低溫度小于0℃。因此，凍融循環(huán)效應(yīng)發(fā)生的時間間隔必須在序號16-24 和38-56 之間。提取該時間區(qū)間內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，得到可能出現(xiàn)凍融循環(huán)效應(yīng)的溫度幅值的SVM 預(yù)測，如圖3所示。

圖2 SVM 預(yù)測的每日的最高溫度和最低溫度

圖3 SVM 預(yù)測的可能發(fā)生凍融循環(huán)的溫度振幅

3.2 建立數(shù)值分析模型

利用有限元分析軟件建立寒區(qū)鋼筋混凝土平頂防滲漏系統(tǒng)的數(shù)值分析模型。有限元模型構(gòu)件包括結(jié)構(gòu)樓板、保溫層、預(yù)埋管道和上部維修結(jié)構(gòu)，將各構(gòu)件組裝成一個完整的屋面體模型。

數(shù)值模擬分為2 個部分：傳熱分析和靜態(tài)分析。在分析模型中輸入給定的溫度幅值進(jìn)行換熱分析，然后將換熱分析得到的溫度場作為預(yù)應(yīng)力場導(dǎo)入經(jīng)驗分析，得到溫度應(yīng)力分布。采用C3D8R和C3D20R 單元分別對頂板主要部件進(jìn)行傳熱和靜力分析。混凝土材料參數(shù)是根據(jù)密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容來定義的，用于傳熱分析；根據(jù)彈性模量、線膨脹系數(shù)和混凝土損傷來定義的，用于靜力分析。在靜力分析中，上層養(yǎng)護(hù)結(jié)構(gòu)材料即水泥珍珠巖、水泥砂漿、防水膜和鑄鐵只定義了密度、導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容3 個參數(shù)，因為上層圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化對屋面體裂縫發(fā)育條件的影響較小。表1 是模型材料參數(shù)。在實際工程中，屋面體各部分是協(xié)同工作的。因此，模型組件彼此綁定，被視為一個整體。屋面體底部采用鉸鏈約束，保證屋面體底板不移位。

表1 材料熱力學(xué)參數(shù)

3.3 SVM 預(yù)測中的數(shù)值分析

在模型中布置4 個測試點，將SVM 預(yù)測的可能凍融循環(huán)的溫度幅值作為邊界條件輸入模型中進(jìn)行傳熱分析，得到SVM 預(yù)測環(huán)境下各測點的溫度變化曲線，如圖4所示。凍融循環(huán)作用下屋面各測點溫度先升高后降低，而各測點溫度變化規(guī)律與室外暴露試驗中各測點溫度變化規(guī)律一致，1 號測點整體溫度最高，溫度波動最??；2 號測點處整體溫度最低，溫度波動最大；3 號測點和4 號測點的溫度介于1 號測點和2 號測點之間；但是4 號測點處的整體溫度高于3 號測點處的整體溫度。此外，4 個測點溫度在0℃的時間均在576 h 以上。其中，除位于屋面系統(tǒng)邊緣的2 號測點溫度降至0℃以下外，其余各部位溫度，包括屋面上廣泛分布的低溫區(qū)溫度均在0℃以上，證明寒冷地區(qū)鋼筋混凝土平屋面防滲漏系統(tǒng)在凍融循環(huán)環(huán)境下的保溫能力。提取頂板3 個測點處的應(yīng)力變化曲線，如圖5所示。經(jīng)歷順序溫度應(yīng)力耦合后，2 號測點和3 號測點的溫度應(yīng)力趨于波動，最大值分別達(dá)到6.53MPa 和4.85MPa，1 號測點的應(yīng)力趨于上升后趨于平穩(wěn)，變化幅度較小，最大值約為0.53MPa。2 號測點和3號測點的溫度變化較大，靜力分析中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力相對于1 號測點較大，而1 號測點的溫度變化較小，其溫度應(yīng)力在凍融循環(huán)過程中增長較為緩慢。預(yù)測凍融循環(huán)后，屋面系統(tǒng)整體溫度應(yīng)力較低，除鉸接處外，屋面系統(tǒng)混凝土處于彈性應(yīng)變階段，寒冷地區(qū)鋼筋混凝土平屋面防滲漏系統(tǒng)可將溫度應(yīng)力控制在較低水平，提高混凝土的抗?jié)B性能。

圖4 每個測量點在SVM 預(yù)測的環(huán)境中的溫度

圖5 時間-溫度應(yīng)力曲線

4 結(jié)論

該文為寒冷地區(qū)建造的鋼筋混凝土平屋頂開發(fā)了一種防滲漏系統(tǒng)，并通過縮尺試驗驗證了該系統(tǒng)對凍融循環(huán)的抵抗力?；跈C(jī)器學(xué)習(xí)SVM算法的天氣預(yù)報模型，建立寒區(qū)鋼筋混凝土平頂防漏系統(tǒng)凍融循環(huán)數(shù)值分析模型，得出以下2 個結(jié)論：1）寒區(qū)鋼筋混凝土平屋頂防漏系統(tǒng)的工作原理是在屋面主系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加供暖系統(tǒng)，利用供暖系統(tǒng)的熱輻射效應(yīng)提高屋面整體溫度，防止雨水在屋面上凍結(jié)，減少凍融循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力。此外，還安裝了排水系統(tǒng)，以便于雪水融化后迅速排出。2）屋面系統(tǒng)加入采暖系統(tǒng)后保溫性能良好，在供暖系統(tǒng)溫度場的持續(xù)作用下，屋面各部位溫度均有所升高，有效抵抗了凍融循環(huán)，證明所設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的抗凍融循環(huán)能力。

SVM 模型預(yù)測某市在凍融周期易發(fā)期有26 天可能出現(xiàn)凍融周期，其最大溫度幅值為18℃。

基于SVM 模型的預(yù)測，利用有限元軟件對頂板系統(tǒng)進(jìn)行有限元模擬，發(fā)現(xiàn)頂板采暖系統(tǒng)可以降低凍融循環(huán)引起的溫度應(yīng)力的影響，延緩頂板內(nèi)部裂縫的發(fā)展，減少頂板滲漏的發(fā)生。驗證了凍融循環(huán)作用下頂板系統(tǒng)的抗?jié)B性。