防渗漏施工技术在房建施工中的应用

周 伟

（中铁建设集团北京工程有限公司，北京 100000）

我国幅员辽阔，寒冷地区分布广泛，该地区屋面渗水问题一直是顽疾[1]。为解决该问题，除采取防水材料填充屋面、改造老化防水层等常规措施外，在易发生渗漏的部位增设防水层，采用防水性能更好、更耐久的新型材料等方法也被广泛应用于屋面施工中[2]。

冻融循环是寒冷地区混凝土屋面渗漏的主要原因之一，它会导致钢筋混凝土性能降低[3]。但现有的研究主要集中在对易发生渗漏的部位增加防水层或采用防水性能更好的新型材料，忽略了冻融循环对寒冷地区屋面渗漏的影响且当前研究只能解决表面问题，难以彻底根除渗漏现象。

该研究提出的寒冷地区钢筋混凝土平屋面的防渗漏体系，区别于传统的防渗漏结构，通过提高屋面温度、提高混凝土耐久性、解决屋面渗漏问题来抵抗冻融循环。除在寒冷地区钢筋混凝土屋面防渗漏系统缩尺模型上进行室外试验外，采用支持向量机（SVM）方法对冻融循环发生时间和温度进行预测，并基于预测结果对屋面系统进行有限元模拟，研究屋面防渗漏性能。

1 钢筋混凝土平屋顶防渗漏系统设计

该文基于石家庄某工程，提出一种在寒冷地区建造的钢筋混凝土平屋顶的防渗漏系统。该系统包括3 个部分：屋顶系统的主体、加热系统和排水系统。设计思路是在屋面系统主体上增加一个加热系统，利用加热系统的热辐射效应提高屋面的整体温度，防止屋面结冰，减少屋面在冻融循环中产生的应力，并建立一个排水系统，便于屋面积雪融化后迅速排出。系统的3 个部分共同作用，有助于抵抗冻融循环。屋顶系统的主体包括承重屋面板、预埋管道保温层、坡度层、平整层、防水层和保护层。屋顶系统的主体采用多个分水口，使屋顶的纵向截面呈折板状，同时保持2%～5%的排水坡度，出水口均匀地布置在相邻的屋脊之间，便于屋顶快速集水，从而对屋顶板排水进行优化。屋顶采暖系统包括循环供水系统、预埋在屋顶的采暖支管、供水总管、回水总管和止水阀。屋顶排水系统采用与山脊线平行的悬挂管沿建筑物水平布置，悬挂管的分支与屋顶落水口相连。当冻融循环发生时，加热系统打开，屋顶隔热层中的热介质进行热辐射，提高屋顶系统的整体温度。屋顶上的雪被加热融化后，流入屋顶落水口，通过排水管排出，以减少屋顶上的积水，防止屋顶出现裂缝。

2 模型试验

2.1 模型制作和测试准备

制备钢筋混凝土平屋顶抗渗系统缩尺模型的主要材料为C30 混凝土、1∶8 水泥珍珠岩材料、1∶2.5 普通硅酸盐水泥砂浆、3mm 厚度的SBS 改性沥青防水膜防水层和内径19mm、外径22mm 的铸铁管。在保温层上铺设3%的斜坡，从屋顶两侧向中心铺设1∶8 水泥珍珠岩材料。斜坡层上的铺装材料为1∶2.5 普通硅酸盐水泥砂浆找平层，铺装后养护7 天。最后铺设3mm 厚的自黏SBS 改性沥青防水卷屋面膜，铺设完成后24h 对防水层进行蓄水试验，确认屋面无渗漏，然后浇筑保护层并进行养护。将缩尺模型连接到水箱、数控水泵和供水管道。依次在水箱内放置电热棒，在缩尺模型的测量点处粘贴温度传感器，并将电阻连接到THTE 多路PID 温控器上进行温度数据记录。

2.2 测试结果

当测试结束时，导出温控器记录的数据，对测试数据进行处理，得到各测点的时间温度曲线，如图1所示。屋面系统整体温度明显升高。随着环境温度变化，4 个测点的整体温度均不同程度升高，但屋面4 个测点的整体温度仍有显著差异。1 号测点的温度最高，其次是4 号测点、3号测点，最后是2 号测点。四个测点的温度曲线也有不同的波动。

图1 各测量点的时间-温度曲线

1 号测点的曲线最平滑，波动最小；2 号测点的曲线波动幅度最大，3 号测点和4 号测点的曲线波动幅度介于1 号和2 号之间。1 号测点的初始温度为-16℃，略高于初始环境温度-18℃，而其他3 个测点的温度与环境温度相同。

每个测点温度变化不同的原因是1 号测点位于保温层中，离加热线最近。因此，它具有比环境温度更高的初始温度和最高的总温度，对环境温度变化的影响较小，温度剖面波动最小。2 号测点位于屋顶的角落，离供暖线最远，其整体温度最低，受环境温度影响最大，波动曲线最大。3 号测点位于山脊上，整体温度较低，由于两侧有加热线，因此受环境温度的影响小于2 号测点，整体温度高于2 号测点。虽然4 号测点不在保温层内，但是距离加热管道的距离仅次于1 号测点。因此，总体温度小于1 号测点，而高于2 号测点和3 号测点。

在采暖系统温度场的持续作用下，屋面系统整体温度升高得更明显，降低了实践中屋面系统波动引起的温度应力和冻融循环作用下屋面系统渗漏的概率。研究结果证明该文提出的钢筋混凝土平顶防漏系统在寒冷地区的有效性。

3 数值模拟分析

3.1 SVM 算法预测模型

某市冻融循环季节的最高和最低温度预测如图2所示，其中序号是冻融循环季节的天气号，最高和最低温度是当天最高和最低温度的预测值。图中的一组方形点是模拟该市当天的最高温度。该数值的幅度随序号增加先变大后变小且增加幅度较小，随序号增加逐渐变大，在序号达到10 后迅速变大，在序号达到37 时达到最大值，然后逐渐减少。图中的一组圆圈是预测当天的最低温度。日最低气温的变化趋势与日最高气温的变化趋势相似，均先升高后降低。同时，序号16-24 和38-56之间，一天最高温度大于0℃，一天最低温度小于0℃。因此，冻融循环效应发生的时间间隔必须在序号16-24 和38-56 之间。提取该时间区间内的温度数据，得到可能出现冻融循环效应的温度幅值的SVM 预测，如图3所示。

图2 SVM 预测的每日的最高温度和最低温度

图3 SVM 预测的可能发生冻融循环的温度振幅

3.2 建立数值分析模型

利用有限元分析软件建立寒区钢筋混凝土平顶防渗漏系统的数值分析模型。有限元模型构件包括结构楼板、保温层、预埋管道和上部维修结构，将各构件组装成一个完整的屋面体模型。

数值模拟分为2 个部分：传热分析和静态分析。在分析模型中输入给定的温度幅值进行换热分析，然后将换热分析得到的温度场作为预应力场导入经验分析，得到温度应力分布。采用C3D8R和C3D20R 单元分别对顶板主要部件进行传热和静力分析。混凝土材料参数是根据密度、导热系数和比热容来定义的，用于传热分析；根据弹性模量、线膨胀系数和混凝土损伤来定义的，用于静力分析。在静力分析中，上层养护结构材料即水泥珍珠岩、水泥砂浆、防水膜和铸铁只定义了密度、导热系数和比热容3 个参数，因为上层围护结构的应力变化对屋面体裂缝发育条件的影响较小。表1 是模型材料参数。在实际工程中，屋面体各部分是协同工作的。因此，模型组件彼此绑定，被视为一个整体。屋面体底部采用铰链约束，保证屋面体底板不移位。

表1 材料热力学参数

3.3 SVM 预测中的数值分析

在模型中布置4 个测试点，将SVM 预测的可能冻融循环的温度幅值作为边界条件输入模型中进行传热分析，得到SVM 预测环境下各测点的温度变化曲线，如图4所示。冻融循环作用下屋面各测点温度先升高后降低，而各测点温度变化规律与室外暴露试验中各测点温度变化规律一致，1 号测点整体温度最高，温度波动最小；2 号测点处整体温度最低，温度波动最大；3 号测点和4 号测点的温度介于1 号测点和2 号测点之间；但是4 号测点处的整体温度高于3 号测点处的整体温度。此外，4 个测点温度在0℃的时间均在576 h 以上。其中，除位于屋面系统边缘的2 号测点温度降至0℃以下外，其余各部位温度，包括屋面上广泛分布的低温区温度均在0℃以上，证明寒冷地区钢筋混凝土平屋面防渗漏系统在冻融循环环境下的保温能力。提取顶板3 个测点处的应力变化曲线，如图5所示。经历顺序温度应力耦合后，2 号测点和3 号测点的温度应力趋于波动，最大值分别达到6.53MPa 和4.85MPa，1 号测点的应力趋于上升后趋于平稳，变化幅度较小，最大值约为0.53MPa。2 号测点和3号测点的温度变化较大，静力分析中产生的温度应力相对于1 号测点较大，而1 号测点的温度变化较小，其温度应力在冻融循环过程中增长较为缓慢。预测冻融循环后，屋面系统整体温度应力较低，除铰接处外，屋面系统混凝土处于弹性应变阶段，寒冷地区钢筋混凝土平屋面防渗漏系统可将温度应力控制在较低水平，提高混凝土的抗渗性能。

图4 每个测量点在SVM 预测的环境中的温度

图5 时间-温度应力曲线

4 结论

该文为寒冷地区建造的钢筋混凝土平屋顶开发了一种防渗漏系统，并通过缩尺试验验证了该系统对冻融循环的抵抗力。基于机器学习SVM算法的天气预报模型，建立寒区钢筋混凝土平顶防漏系统冻融循环数值分析模型，得出以下2 个结论：1）寒区钢筋混凝土平屋顶防漏系统的工作原理是在屋面主系统的基础上增加供暖系统，利用供暖系统的热辐射效应提高屋面整体温度，防止雨水在屋面上冻结，减少冻融循环产生的应力。此外，还安装了排水系统，以便于雪水融化后迅速排出。2）屋面系统加入采暖系统后保温性能良好，在供暖系统温度场的持续作用下，屋面各部位温度均有所升高，有效抵抗了冻融循环，证明所设计的系统具有良好的抗冻融循环能力。

SVM 模型预测某市在冻融周期易发期有26 天可能出现冻融周期，其最大温度幅值为18℃。

基于SVM 模型的预测，利用有限元软件对顶板系统进行有限元模拟，发现顶板采暖系统可以降低冻融循环引起的温度应力的影响，延缓顶板内部裂缝的发展，减少顶板渗漏的发生。验证了冻融循环作用下顶板系统的抗渗性。