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屋面为什么要做“排汽管”?本文把前因后果说清楚了!

发表于:2021-02-08 来源:建筑工程鲁班联盟   浏览次数:

  本文《“屋面排汽构造”研究历程与核心技术》刊于《中国建筑防水》2015年第11期,作者:叶琳昌,机构:中国建筑业协会建筑防水分会。本文是建筑防水知名专家叶琳昌教授对“屋面排汽构造”研究历程与核心技术的介绍,把该项技术的前因后果说清楚了,推荐工程朋友们参阅学习!

  屋面排汽构造(又名“排汽屋面" )设计是针对封闭式保温层干燥有困难的卷材屋面采取的技术措施,其核心技术是在保温层及找平层内部设置排汽道,让基层中多余水分通过这一排汽构造排入大气,可有效减少卷材防水层起鼓,同时也可抑制卷材开裂和屋面渗漏。

  1屋面鼓泡之谜

  1961年底,辽宁锦西(现为葫芦岛市)石油五厂1.5万m³钢筋混凝土矩形(30mx90m)原油罐投产后不久,即发现“三毡四油”沥青油毡屋面出现大面积起鼓现象,并造成严重渗漏水。鼓泡(又称气泡)大的直径可达200~300mm,小的约20~30mm,大小鼓泡成片串连,面积达到整个屋面的 5%左右。剖开鼓泡后可见,鼓泡呈蜂窝状,玛𤧛脂(即沥青胶结材料)被拉成薄壁;鼓泡越大,“蜂窝壁”越高,甚至被拉断。“蜂窝状”的基层内,有时带小白点,有时呈深灰色,还有冷凝水珠。初步分析认为,起鼓主要原因是贮存在罐内的原油必须在55℃以上的蒸汽作用下才可熔融,然后送人输油管道;屋面炉渣保温层内含有大量水分,当受到罐内原油温度作用后,发生体积膨胀而形成鼓泡。笔者后来多次观察发现,在屋面上输入(出)原油管道孔壁的周围,由于与空气接触不时冒出“热气”,因此该区域内却少有类似成片串连的鼓泡。这一奇特现象引起笔者深思,也就此拉开了“屋面排汽构造”研究的艰辛历程。

  与此同时,我们还在其他屋面工程上发现,夏季因受太阳辐射热的影响,屋顶表面温度高达60℃以上,此时屋面保温层内因存在水分产生体积膨胀而导致卷材起鼓,随着温度变化,鼓泡反复出现并逐步扩大,最后造成屋面开裂与渗漏。

  建筑物理学告诉我们,当空气温度在0℃时,饱和水蒸气的最大张力值为0.61kPa;而当气温上升到40℃时,此值为7.38kPa,增大了十几倍。国外研究还表明,当屋面上温度为60℃时,屋面内部的蒸汽分压力可达4.9MPa。以上数值足以引起各类卷材隆起、破损,从而导致屋面开裂与渗漏。这是屋面基层内部多余水分在温度作用下,产生“汽化”后破坏坚固物质的科学解释;它是通过人工热源或太阳辐射热,从内向外、周而复始“自然”完成的。为破解这一难题,当时我们选择了几个工程进行实验,主要措施是掌握气象预报,减少屋面内部水分;改进卷材铺贴质量,提高卷材与基层的粘结力。由此总结的《加强科学实验,严格操作规程,在保证质量的基础上突破屋面防水关》论文,在1964年7月东北三省土木建筑学会于大连举行的施工技术学术会议上作了交流。

  在这次会议上,建工部设计司施嘉于总工程师、北京市城市规划管理局顾鹏程总工程师在大会上作了学术演讲。施总的讲话,引用毛泽东在《矛盾论》中所说的:“唯物辩证法认为,外因是变化的条件,内因是变化的根据,外因通过内因而起作用”的哲学观点,指出在科学试验中应遵循“去伪存真、去粗取精,由表及里、由此及彼”的方法,使屋面防水研究走上正确的轨道。同时,他根据各地已取得的经验,正式提出屋面防水宜采取“因地、因工程制宜,防排并举,抗放结合”的指导方针。而顾总的讲话则以北京1959年国庆“十大”献礼项目为例,并结合建工部在1964年5月份颁发的《屋盖混凝土防水设计技术措施(试行草案)》、《屋盖卷材防水设计技术措施(试行草案)》和《地下建筑物防水设计技术措施(试行草案)》作了说明。他们的讲话高屋建瓴,既肯定了成绩,又指明了今后研究的方向。会后不久,笔者就试点工程和实践中的一些问题,写信向顾总请教,他在回复时再次强调在屋面施工时除了减少用水以外,还建议“一切节点应刚柔结合,便于应变”。而这一“变”字让笔者豁然开朗,也指明了“屋面排汽构造”今后研究的方向。由于“四清”和“文革”的干扰,这项研究工作曾一度中断。

  2“排汽”减压,鼓泡悄然隐去

  1970年正处于军管时期,笔者获得机会在四川省璧山县(现属重庆市)“3013”项目(国防工程)中,重启由东北学术会议后确定下来的屋面防水攻关课题研究。在这些工程中,主要通过屋面保温层、找平层内预留排汽道,并在屋面、檐口及其他部位设置排汽孔的做法,同时辅以卷材铺贴工艺的改革,将底层卷材密贴改为点铺、条铺或空铺,终于使“屋面排汽构造”(又称“排汽屋面”)的研究初见成效。屋面上下与内外通气的排汽构造,使水汽排走有了出路,有效地削减了蒸汽分压力的峰值,“排汽”减压,消除了鼓泡产生的内因;而辅以“底层卷材脱开,面层卷材密贴”的多层卷材(也可称为叠层卷材)铺贴革新工艺,不仅有利于屋面内部多余水分的迅速排出,并可减少因巨大温度应力而引发的卷材开裂、渗漏和老化等诸多问题。而由笔者撰写的介绍上述革新成果的《卷材防水屋面气泡成因及其改进意见》论文,首次发表于中国建筑科学研究院主办的《建筑技术通讯——建筑工程》杂志1972年第4期上。

  之后,笔者又在重庆479厂、四川维尼纶厂等数万㎡的屋面工程中推广使用此设计技术,重点在排汽孔(道)的规范设计与效果测试上开展研究。论述排汽屋面科学原理及有关构造的系列研究成果,在上世纪80年代前后发表于相关杂志和笔者个人专著中,其中《排汽屋面实践效果与分析》一文(载于《建筑技术》1997年第6期),荣获首届国家期刊奖获奖期刊优秀论文。“屋面排汽构造”,如图1-3所示。

  为了解屋面排汽构造的应用效果,1974年曾在四川维尼纶厂纺丝车间68000㎡的排汽屋面上,设置了抽样检查孔。1年后测试结果表明,各部位隔热层中水泥膨胀蛭石的含水量均相对减少:其中屋脊部分约减少35%,屋面中部约减少33%,檐口处约减少25%。这项由我国自行研究的屋面防水应用技术,在当时(上世纪70年代初)已达到世界先进水平。而与国外类似的“呼吸屋面”(即在保温屋面中设置建筑塑料排水板,形成压力平衡层)相比,其排汽效果更为直接、显著和持久[1]。

  与此相反,在封闭的保温或隔热层(含找坡层)内若未设排汽构造,那么防水层的起鼓、开裂与渗漏就会不期而至。1990年10月新建的温州机场候机楼隔热保温屋面,因未设排汽构造出现严重渗漏就是一个典型案例。该工程验收不久即发现卷材成片鼓泡,局部隆起有的达70~80mm,整只手臂都可伸进基层,真是触目惊心(图4)。笔者应邀为该工程鉴定,并提出整改维修方案,使这一质量事故得以圆满解决。

  值得指出的是,今天我们重新审视排汽屋面的效果,进一步领会其中深刻的哲学思想是很有意义的。“天之语,物之道”,它与2000多年前汉瓦屋面结构“上下通气”的理念是一脉相承的。它正确处理了天(风雨寒暑等各种自然现象)、地(屋面施工中多余水分如何汽化与逸出)、人(居住功能)三者之间的平衡关系,从而使许多复杂的技术难题,简化为“道法自然”的科学构造,并最终达到人与天地融合、和谐共处的屋面排汽做法,是值得薪火相传的。

  3对规范有关条文的解析

  根据作者建议,这一主要针对多层卷材设计的排汽屋面研究成果被列入《屋面工程施工及验收规范》(GBJ207-83)及《屋面工程技术规范》(GB50207-94)后,在全国得到大量应用,取得了很好的技术经济和社会效益。

  另外,排汽构造在新型合成高分子单层卷材屋面中的使用效果如何,业内人士极为关心。下面所举案例很有说服力。1995年1-2月间施工的上海市松江建伍电器厂主厂房屋面工程,施工面积1万㎡,选用厚度为1.2mm单层氯化聚乙烯-橡胶共混卷材,并按屋面面积各半采取两种不同的卷材铺贴方法,结果发现采用空铺法施工的屋面上,卷材未见鼓泡和开裂现象。空铺法施工的这一半屋面,考虑到卷材接缝处这一薄弱环节,保险起见在该接缝部位增设了附加防水卷材条。而采取满粘法铺贴卷材的这一半屋面,除了出现常见的与基层开裂对应的表面裂缝外,还出现两种不同的新裂缝:一种是卷材搭接缝处的有规则裂缝,另一种是在排汽道空腔处的有规则裂缝(图5-8),随之屋面出现严重渗漏,被迫返修[2]。随着新型防水材料品种的不断增多,如何解释这些人们以往尚未认知的新裂缝,这是值得关注的新课题。笔者认为:只有通过试验研究和再实践的过程,才能获得正确的结论,舍此,别无其他捷径可走。后来试验情况进一步证实,合成高分子防水卷材在铺贴时,如与基层粘结得十分牢固的话,那么它所具有的拉伸强度高、延伸率大、抗变形能力强等特点就得不到发挥。所以此类材料在铺贴时宜采取条粘或点粘法,如在设计构造上有重物保护层时,则可采用条粘、点粘或空铺法。通过调整施工方法,上述工程质量问题就迎刃而解。

  最后强调,现行GB50345-2012规范在4.4.5条中沿用过去屋面排汽构造的有关规定,并在条文说明中指出:“屋面排汽构造设计是针对封闭式保温层干燥有困难的卷材屋面采取的技术措施”,在肯定排汽效果的同时,却忽略了卷材不同铺贴方法(如与基层是否密贴)对排汽效果以及相关质量的影响;而已经施工的许多单层卷材屋面也证实,如卷材铺贴方法不当,还会出现开裂,进而影响到防水的可靠性及耐久年限等质量问题。

  笔者深信,屋面“排汽”研究课题具有无限生命力。如何巧用这一符合绿色建筑和防水要求的排汽构造,正确领会规范条文的含义与精神,并结合现有保温、防水新产品,通过更多的实验和工程实践,提出更为科学的设计与施工方法,确有许多文章可做。

  参考文献:

  [1] 叶琳昌,薛绍祖.防水工程[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,1996:83.

  [2] 叶琳昌.建筑防水工程渗漏实例分析[M].北京:中国建筑工业出版社,2000:242-244.

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