裝配式建筑外墻板防水設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

馬 健,龔建鋒,翟立祥

(1. 浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006；2. 浙江省杭州市拱墅區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中心,浙江 杭州 310011)

1 概 述

自2016年以來,國(guó)家相繼出臺(tái)《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》(中發(fā)[2016]6號(hào))和《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見》(國(guó)辦發(fā)[2016]71號(hào))文件,文件要求要大力推廣裝配式建筑,力爭(zhēng)用10年左右時(shí)間,使裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%。國(guó)家住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部于2017年3月發(fā)布《“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案》進(jìn)一步明確了各地區(qū)的工作任務(wù)和階段目標(biāo),到2020年,全國(guó)裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到15%以上,其中重點(diǎn)推進(jìn)地區(qū)達(dá)到20%以上,積極推進(jìn)地區(qū)達(dá)到15%以上,鼓勵(lì)推進(jìn)地區(qū)達(dá)到10%以上。各省市也相繼出臺(tái)了裝配式建筑的相關(guān)支持文件,結(jié)合上級(jí)制定的任務(wù)和目標(biāo)進(jìn)行積極推進(jìn)?！墩憬∪嗣裾k公廳關(guān)于推進(jìn)綠色建筑和建筑工業(yè)化發(fā)展的實(shí)施意見》(浙政辦發(fā)[2016]111號(hào))提出,浙江省作為國(guó)家裝配式建筑的重點(diǎn)推進(jìn)地區(qū),要求到2020年實(shí)現(xiàn)裝配式建筑占新建建筑面積的比例達(dá)到30%,比國(guó)家制定目標(biāo)提前5年完成。

由此可見,裝配式建筑已然成為我國(guó)未來建筑的一個(gè)重要發(fā)展方向。裝配式建筑作為一個(gè)高度集成概念的新型建筑,當(dāng)前主要涵蓋了三個(gè)方面的內(nèi)容：主體結(jié)構(gòu)，圍護(hù)墻和內(nèi)隔墻以及裝修和設(shè)備管線[1]。本標(biāo)準(zhǔn)中圍護(hù)墻倡導(dǎo)采用非砌筑,同時(shí)強(qiáng)調(diào)了圍護(hù)墻與保溫、隔熱、裝飾一體化,因此夾芯保溫預(yù)制外墻將是未來裝配式建筑外墻體系發(fā)展的一個(gè)重要方向。但是此類型外墻板由于采用工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)拼裝的施工工藝,會(huì)產(chǎn)生大量的拼裝接縫,這些接縫很容易成為水流滲透的通道,使墻面在建筑交付使用后產(chǎn)生滲漏水現(xiàn)象,影響建筑的正常使用,尤其在我國(guó)南方和多雨的沿海地區(qū),此問題尤其值得注意。

2 外墻防水系統(tǒng)分析

對(duì)于裝配式建筑外墻板的防水系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：

1)雨量分析。對(duì)可能造成外墻滲漏的水源進(jìn)行分析,包括雨、雪及臺(tái)風(fēng)狀態(tài)下的滲漏水路徑。

2)整體防水設(shè)計(jì)。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉⒔ㄖY(jié)構(gòu)形式等,確定整體外墻采取結(jié)構(gòu)自防水、防水材料防水、幕墻系統(tǒng)防水等方案。

3)細(xì)部防水設(shè)計(jì)。對(duì)窗框、出墻管道、水平接縫和豎向接縫等部位的防水設(shè)計(jì)。

2.1 雨量分析

在降雨過程中,建筑外墻面雨水量的大小主要取決于降雨強(qiáng)度和風(fēng)速兩個(gè)自然環(huán)境的影響。故在進(jìn)行外墻防水設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)重點(diǎn)分析這兩個(gè)外部因素。

2.1.1 降雨強(qiáng)度

降雨強(qiáng)度是根據(jù)某一時(shí)間段內(nèi)降水量的多少來劃分的,分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨六個(gè)等級(jí)。我國(guó)南方地區(qū)雨水充沛,經(jīng)常有暴雨和大暴雨天氣,當(dāng)受臺(tái)風(fēng)登陸影響時(shí),偶爾會(huì)有特大暴雨天氣。

降雨是由大小不同的雨滴組成的,小雨滴直徑約為0.2 mm,大雨滴直徑約6.0 mm以上。降雨強(qiáng)度越大,雨滴直徑越大,雨速也越快。雨滴在下落過程中,大小和速度是不斷變化的,大雨滴在下降過程中會(huì)破裂成大小不等的小雨滴。一次降雨的雨滴分布,用該次降雨雨滴累積體積百分曲線表示,其中累計(jì)體積為50%所對(duì)應(yīng)的雨滴直徑,用D50表示。D50表明該次降雨中大于這一直徑的雨滴總體積等于小于該直徑的雨滴的總體積,它與平均雨滴直徑的含義是不同的。通常降雨強(qiáng)度愈大,D50愈大；降雨強(qiáng)度減小,D50也相應(yīng)減小。

雨滴在空氣中的降落速度最初是逐漸增大的,隨著雨滴降落速度的增大,空氣阻力也逐漸增大,則雨滴的加速度逐漸減少,最后加速度減為零,最終雨滴在重力和空氣阻力的共同作用下,其終點(diǎn)速度接近勻速,這時(shí)雨滴的降落速度達(dá)到最大值,叫雨滴終速。降雨強(qiáng)度越大,相應(yīng)雨滴直徑越大,雨速也越快,見表1[2]。

表1 降雨參數(shù)表

2.1.2 風(fēng)速影響

盡管建筑的外墻面通常是沿豎直方向的,但由于風(fēng)的影響,會(huì)使普通的降雨以一定的角度和矢量速度,滴落在建筑外墻面上,使墻面匯集了更多的雨水,因此在雨量分析時(shí),有必要充分考慮風(fēng)壓、風(fēng)速的影響。

風(fēng)壓是垂直于氣流方向的平面所受到的風(fēng)的壓力。根據(jù)伯努利方程得出的風(fēng)壓風(fēng)速關(guān)系為：

Wp=0.5×ρ×v2

式中：Wp為風(fēng)壓,kN/m2；

ρ為空氣密度,kg/m3；

v為風(fēng)速,m/s。

空氣密度ρ和重度γ的關(guān)系為：γ=ρ×g,在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,大氣壓1.013×105Pa,溫度15℃,空氣重度γ=0.012 25 kN/m3。重力加速度g=9.8 m/s2,因此風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系式為：

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范(GB 50009—2012)》,我國(guó)沿海地區(qū)50年周期基本風(fēng)壓高達(dá)0.5～1.0 kN/m2,其對(duì)應(yīng)的風(fēng)速為28.3～40 m/s,蒲福風(fēng)力等級(jí)10～13級(jí),見表2[3]。

表2 風(fēng)級(jí)、風(fēng)速、風(fēng)壓表

以基本風(fēng)壓0.50 kN/m2的大暴雨天氣為例,風(fēng)速取28.3 m/s,雨滴終點(diǎn)速度取7 m/s,1 h降雨量取上限72.6 mm。根據(jù)矢量三角形法算得雨滴被風(fēng)吹的斜向角度約為76.1°,見圖1。

雨水在墻面的匯集量：Wq=72.6×76.1°/90°=72.6×0.85=61.71 mm/h。由此可見,上述假定條件下,豎直墻面的匯水量約為等面積水平屋面的85%。

2.2 整體防水設(shè)計(jì)

外墻的整體防水通常有三種形式：墻體結(jié)構(gòu)自防水、防水材料防水以及幕墻防水,外墻整體防水系統(tǒng)通常設(shè)置在迎水面一側(cè),具體采用何種形式,應(yīng)結(jié)合外墻保溫系統(tǒng)、裝飾系統(tǒng)、建筑外立面設(shè)計(jì)以及成本等因素綜合確定。

1)年降水量大于等于800 mm地區(qū)的高層建筑外墻；

2)年降水量大于等于600 mm且基本風(fēng)壓大于等于0.5 kN/m2地區(qū)的外墻；

3)年降水量大于等于400 mm且基本風(fēng)壓大于等于0.4 kN/m2地區(qū)有外保溫的外墻；

4)年降水量大于等于500 mm且基本風(fēng)壓大于等于0.35 kN/m2地區(qū)有外保溫的外墻；

5)年降水量大于等于600 mm且基本風(fēng)壓大于等于0.30 kN/m2地區(qū)有外保溫的外墻。

當(dāng)前,我國(guó)對(duì)于外墻整體防水設(shè)計(jì),使用最多的方式是防水材料防水,可選用的產(chǎn)品種類豐富,技術(shù)也相對(duì)成熟。1)剛性防水材料,主要包括聚合物水泥砂漿、普通防水砂漿以及聚合物水泥防水漿料等；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氣膜等；3)憎水性防水材料,主要包括有機(jī)硅防水劑和無機(jī)納米防水劑等。上述各類防水材料各有優(yōu)缺點(diǎn)和各自最適用的環(huán)境,在進(jìn)行外墻整體防水設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。同時(shí)采用材料防水時(shí),還應(yīng)特別注意防水材料與建筑外墻各層次材料之間的相容性,避免出現(xiàn)粘結(jié)不良或失效,引起墻體面層起泡、空鼓和脫落等問題。

裝配式建筑由于外墻板的整體防水,從構(gòu)造上與傳統(tǒng)墻面區(qū)別不大,但因其采用了在工廠預(yù)制加工的方式,在施工精度、養(yǎng)護(hù)環(huán)境、作業(yè)條件等方面都有較高的保證,因此其整體防水效果更優(yōu)。尤其對(duì)于保溫一體化外墻板,當(dāng)外葉板與內(nèi)葉板之間采用可靠的連接措施(如目前使用較多的thermomass保溫連接件)后,極大程度地避免了傳統(tǒng)施工工藝情況下,防水層連同保溫層一起脫落的現(xiàn)象發(fā)生,因此對(duì)于裝配式建筑外墻板的整體防水設(shè)計(jì)本文不贅述。

2.3 細(xì)部防水設(shè)計(jì)

對(duì)于裝配式建筑外墻的細(xì)部防水設(shè)計(jì),最集中的問題出現(xiàn)在預(yù)制墻板由于拼接所形成的水平縫和垂直縫,縱觀目前國(guó)內(nèi)外的主要研究與實(shí)踐,夾芯保溫預(yù)制墻體的垂直接縫和水平接縫通常采用材料防水、構(gòu)造防水和結(jié)構(gòu)防水三種措施相結(jié)合的設(shè)計(jì)。

2.3.1 外墻接縫的構(gòu)造防水

在2008年的金融危機(jī)中，比特幣的創(chuàng)始人中本聰發(fā)明了比特幣，它成為了第一個(gè)去中心化的數(shù)字貨幣。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)存放所有交易的副本，并自動(dòng)同步。節(jié)點(diǎn)可以是用戶的電腦、手機(jī)，或是其他設(shè)備。如圖2所示，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是扁平化的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地位相等、公平，并以扁平拓?fù)涞姆绞较蛳噜徆?jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[2]。

在外墻的接縫防水措施中,排水和導(dǎo)水是非常重要的構(gòu)造措施,合理的排水和導(dǎo)水比防水措施更加高效,且保證性更高,耐久性更好。

對(duì)于水平接縫和豎直接縫,通常的作法是通過分別在墻體室內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置密封膠(或密封條、PE棒)形成內(nèi)部空腔,見圖2、圖3。同時(shí)每隔2～3層,在水平縫和垂直縫相交的十字縫上端,設(shè)置導(dǎo)水管做引水,這樣即使最外側(cè)密封膠出現(xiàn)局部破壞滲漏,漏入墻體的水也能通過設(shè)置的空腔構(gòu)造及導(dǎo)水管及時(shí)排走,滲漏不易繼續(xù)向內(nèi)發(fā)展,此時(shí)的導(dǎo)水管還起到了連通接縫空腔內(nèi)外大氣,使墻體內(nèi)外氣壓平衡的作用。同時(shí),采用隔層設(shè)置排水孔構(gòu)造,還可使漏水被限制在兩個(gè)排水口之間,便于今后的排查與修理,排水口構(gòu)造見圖4。室內(nèi)側(cè)的密封膠一般從外部接縫內(nèi)打膠,施工難度較大,因此可使用氣密條替代內(nèi)側(cè)注膠方式,宜采用三元乙丙橡膠、氯丁橡膠或硅橡膠等高分子材料制成,其性能應(yīng)滿足現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《工業(yè)用橡膠板(GB/T 5574—2008)》的相關(guān)規(guī)定,直徑宜為20～30 mm。

圖2 預(yù)制墻板水平接縫防排水構(gòu)造1

圖3 預(yù)制墻板豎向接縫防排水構(gòu)造1

圖4 接縫導(dǎo)水管構(gòu)造

對(duì)于夾芯保溫承重墻的水平接縫以及夾芯保溫非承重墻與現(xiàn)澆混凝土(邊緣構(gòu)件或非承重墻之間設(shè)置混凝土現(xiàn)澆帶)的豎向連接縫,則可利用接縫處設(shè)置的粗糙面和現(xiàn)澆漿料所形成的結(jié)構(gòu)自防水措施,替代室內(nèi)側(cè)設(shè)置密封膠條的構(gòu)造做法,見圖5、圖6。接縫漿料或接縫處現(xiàn)澆混凝土建議采用高一級(jí)強(qiáng)度等級(jí)。

除上述空腔構(gòu)造外,對(duì)于水平接縫,還可通過在墻板邊緣設(shè)置企口縫和高低縫,通過曲折滲漏水的路徑,進(jìn)一步加強(qiáng)接縫位置的防水效果。

2.3.2 外墻接縫的防水密封膠

防水密封膠是外墻接縫的第一道防水屏障,膠體本身的質(zhì)量和性能至關(guān)重要,因此在選用密封膠時(shí)應(yīng)著重關(guān)注以下材料性能[3]：

圖5 預(yù)制墻板水平接縫防排水構(gòu)造2

圖6 預(yù)制墻板豎向接縫防排水構(gòu)造2

1)抗位移性 預(yù)制外墻板在使用過程中,受環(huán)境溫度變化會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮現(xiàn)象,受風(fēng)荷載和地震作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移,因此密封膠必須具備良好的抗位移性能。

2)耐候性 密封膠長(zhǎng)期處于外露條件,必須具有良好的耐候性。

3)粘結(jié)性 為保證密封效果,密封膠必須與混凝土基材具有良好的粘結(jié)性。

4)防污染性 密封膠作為外露密封使用,為美觀需要還須具備防污染性能,避免對(duì)接縫兩側(cè)的基材造成污染。

5)蠕變性 密封膠應(yīng)具備一定的蠕變性,即使粘結(jié)面長(zhǎng)期受力,也不易造成粘結(jié)破壞。

6)涂裝性 建筑設(shè)計(jì)為追求整體美觀效果,常對(duì)其表面進(jìn)行涂裝,因此密封膠應(yīng)具有可涂裝性能。

7)可維修 密封膠在使用過程中難免出現(xiàn)破損、局部粘結(jié)失效的情況,因此需對(duì)密封膠及時(shí)修補(bǔ)。

目前采用的裝配式外墻防水密封膠品種主要包括聚氨酯建筑密封膠(PU膠)、硅烷改性硅酮建筑密封膠(MS膠)及硅酮密封膠等。非暴露部位可使用低模量聚氨酯密封膠(PU膠),暴露部位宜使用低模量硅烷改性硅酮密封膠(MS膠)。硅酮密封膠雖然耐候性優(yōu)良,但因其存在無法涂裝、后期修補(bǔ)困難等缺點(diǎn),使用較少。

聚氨酯建筑密封膠(PU膠)及硅烷改性硅酮建筑密封膠(MS膠)的性能應(yīng)滿足現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土接縫用建筑密封膠(JC/T 881—2017)》[5]《聚氨酯建筑密封膠(JC/T 482—2003)》《硅酮和改性硅酮建筑密封膠(GB/T 14683—2017)》的相關(guān)規(guī)定。用于裝配式建筑的密封膠按位移能力分為五個(gè)主要級(jí)別,見表3[3]；按彈性模量可分為高模量(HM)和低模量(LM)兩個(gè)次級(jí)別,通常用于裝配式建筑外墻密封的低模量密封膠的位移能力不宜低于25級(jí)。當(dāng)PC外墻板由外力作用產(chǎn)生位移時(shí),接縫處密封膠的最大應(yīng)變相對(duì)恒定,其模量越低,意味著膠體所受應(yīng)力越小(模量=應(yīng)力/應(yīng)變),此時(shí)密封膠更不容易被撕裂或在結(jié)合位置發(fā)生脫開,因此應(yīng)選用低模量密封膠。

表3 密封膠級(jí)別

密封膠的耐候性主要取決于某類膠本身的質(zhì)量,與膠的品種沒有直接關(guān)系。對(duì)不同的密封膠進(jìn)行紫外線循環(huán)耐久試驗(yàn)的結(jié)果表明：無論是PU膠還是MS膠,耐候性主要由膠的配方?jīng)Q定。

密封膠的粘結(jié)性,也是衡量PC密封膠質(zhì)量的重要因素。使用PU膠時(shí),混凝土的基層結(jié)合面無需底涂即可實(shí)現(xiàn)良好的粘結(jié)；MS膠則需要進(jìn)行合適的底涂,底涂材料應(yīng)根據(jù)密封膠廠家的推薦選擇。使用前,還應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行粘結(jié)性測(cè)試,確保密封膠粘結(jié)性符合要求。

外墻不僅具有防護(hù)和防水功能,還具有立面裝飾功能,因此密封膠的可涂裝性也至關(guān)重要。PU膠和MS膠均可以滿足涂覆立面裝飾涂料的要求,極大地拓展了密封膠的使用范疇。

2.3.3 外墻板接縫寬度設(shè)計(jì)

接縫寬度對(duì)外墻板的抗震性能、抗風(fēng)性能以及防水性能的影響很大。因此預(yù)制外墻板的接縫寬度應(yīng)根據(jù)工程所處環(huán)境的溫差情況,主體結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的變形情況以及密封膠的彈性模量和施工安裝誤差等因素綜合確定。

接縫寬度計(jì)算可參考玻璃幕墻,按下述計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算[6]：

式中：WS為膠縫寬度，mm；

α為混凝土板的線膨脹系數(shù)(1/℃),取1×10-5；

ΔT為外墻年溫度變化(℃),通常取80℃；

δ為硅酮密封膠允許的變位承受能力,取0.25；

b為計(jì)算方向上墻板長(zhǎng)度，mm；

dc為施工偏差，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)施工情況,取5 mm；

de為其他因素預(yù)留量，取2 mm。

根據(jù)上述公式,計(jì)算出不同墻板尺寸下,外墻的接縫寬度見表4,一般接縫寬度在13～30 mm之間,基本符合《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 1—2014)》第10.3.7-2款,不應(yīng)小于15 mm的規(guī)定。同時(shí)為使膠體更好地適應(yīng)變形不至于從兩側(cè)基層脫離,通?？刂泼芊饽z體的厚度為接縫寬度的0.5～0.7 倍,并不宜小于8 mm。

表4 PC墻板密封膠寬度及厚度

2.3.4 接縫防水施工步驟與要點(diǎn)

接縫的施工質(zhì)量應(yīng)嚴(yán)格把控,安排經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)并考核合格的技術(shù)人員進(jìn)行密封膠施工,裝配式建筑外墻板密封膠施工的基本步驟見圖7。

接縫兩側(cè)的混凝土基層應(yīng)密實(shí)平整,不得有蜂窩、麻面、起皮等現(xiàn)象,表面應(yīng)清潔、干燥、無油污,且接縫兩側(cè)基層高度偏差不宜大于2 mm。出現(xiàn)圖8a)所示的預(yù)制墻板破損時(shí),應(yīng)將破損面清理干凈,涂刷界面劑,使用聚合物水泥砂漿將墻板修補(bǔ)平整；出現(xiàn)圖8b)所示接縫寬度不一時(shí),對(duì)小于15 mm的縫隙須采用機(jī)械切割至符合設(shè)計(jì)要求的寬度,嚴(yán)禁手工開鑿；注膠前還應(yīng)將縫隙內(nèi)的堵塞物清理干凈。

接縫中應(yīng)設(shè)置連續(xù)的背襯材料,背襯材料與接縫兩側(cè)基層之間不得留有空隙,預(yù)留深度根據(jù)密封膠設(shè)計(jì)厚度確定。當(dāng)背襯材料選用發(fā)泡閉孔聚乙烯塑料棒(PE棒)或發(fā)泡氯丁橡膠棒,直徑宜為縫寬的1.2～1.5倍。

圖7 密封膠施工流程圖

圖8 預(yù)制墻板接縫缺陷

此外,接縫兩側(cè)基層表面應(yīng)連續(xù)、平整地粘貼防護(hù)膠帶,寬度不小于20 mm。

若使用有基層處理劑,應(yīng)待其干燥后進(jìn)行注膠。嵌填密封膠后,應(yīng)在密封膠表面干燥前用專用工具對(duì)膠體表面進(jìn)行修整,溢出膠應(yīng)在固化前進(jìn)行清理。

3 結(jié) 語

隨著國(guó)家裝配式建筑的逐步推進(jìn),預(yù)制外墻板的應(yīng)用會(huì)越來越多,現(xiàn)有的防水技術(shù)和措施可基本滿足功能需求,與其對(duì)應(yīng)的各類技術(shù)和產(chǎn)品也在快速地更新和迭代,我們?nèi)孕枰獜脑沓霭l(fā),結(jié)合越來越多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對(duì)裝配式外墻防水技術(shù)予以更多的關(guān)注,對(duì)現(xiàn)有的防水構(gòu)造和方法進(jìn)行改良和提升,解決好發(fā)展過程中遇到的各類問題,以助力裝配式建筑的發(fā)展。