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| 屋面防水层开裂的机理分析与研究 |
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屋面防水层开裂的机理分析与研究
摘 要：某些平屋顶建筑，在炎热的夏季，屋面在太阳的辐射热作用下，致使屋面防水层下找平层温度急剧升高，砂浆热膨胀压弯破坏，而导致屋面防水层破裂，屋面渗漏。提出了从定性分析到量化计算及有关预防措施。
关键词：防水层；开裂；原因分析
一般平屋顶民用建筑不上人屋面做法，如图(一)所示，并随主体结构设置伸缩缝(一般50m设一道)如吉林化学工业公司，在1993年，建设完工的龙东小区，居民入住后不到一年的时间内，屋面就出现了不同程度的漏水，使居民刚刚装修好的房间和家具遭到破坏。不得不重新做防水层，造成极大的浪费和不良影响。1996年吉林化学工业公司建设完成的哈密站小区，由于没有真正找到导致屋面漏水的真正原因，只是在设计中更换了防水材料，结果和龙东小区一样，屋面漏水没有得到解决。不良影响更加严重。
1屋面防水层开裂的原因及分析
屋面防水层材料为焦油沥青是相对黑体，夏季在太阳光的长时间照射下，将吸收大量的热量，且屋面檐口装饰向上返700mm高，不利于通风散热，屋面温度高达80～９０℃，在这一温度下，防水层变得十分柔软，在外力作用下，及易开裂。防水层下面，有一层20毫米厚的1∶2.5水泥砂浆找平层(做防水层的基层)找平层厚度相对于找平层的宽度来讲很小，可以认为找平层截面在温升作用下，产生温度变形时，全截面受热均匀，其达到的最高温度近似等于面层温度。找平层下面为1∶10沥青珍珠岩保温兼找坡层(做找平层的基层)，这一层是相对比较松散的材料，它和上面的的找平层粘接不牢或出现不同程度的脱空现象。当温度升高时，水泥砂浆找平层的砂浆受热膨胀，而屋面四周的檐口会限制找平层砂浆的膨胀，导致其受到温度压应力的作用。在粘结力不足或脱空位置的找平层砂浆变成受压构件，当压应力达到一定数值，引起失稳破坏或弯曲破坏，同时防水层被拉裂，而造成屋面漏水。
2内力分析及验算
屋面在露天条件下工作，承受激烈的季节温升、温降；日温升、温降和太阳辐射作用，面层的温度很高并有温度梯度，除挤压作用外，还有翘曲作用，因此更容易产生挤压失稳破坏。假定粘着力薄弱或起壳的板承受均匀的约束压应力(非均匀温度时取平均温差)，对于薄板可以忽略σy的影响，并按平均应变问题考虑，即假定εz=0则压应力变化值为：
假定找平层施工时的温度为20℃，即水泥砂浆的入仓温度为20℃(零应力状态)
T(y)为温度沿y方向的分布，本文中砂浆沿y方向的温度分布是均匀分布。同时考虑太阳辐射作用下板的温升(温降)。
α为线膨胀系数；μ为弹性特征系数；E为弹性模量。
单位宽度板条受到的挤压力，当板厚度这δ时［１］：
考虑以往工程经验裂缝的规律是单向出现，可假定板的失稳模型是受压板条的失稳问题。根据欧拉临界力公式，在不同的边界条件下，水泥砂浆不失去稳定的挤压力不同：
式中EJ为板的弯曲刚度；L为板的脱空长度。
在屋面的条件下，面层即不是嵌固端，也不是简支端，而是介于二者之间，取其平均值较为合适。即屋面的砂浆找平层不失去稳定的最大挤压力为：
屋面的砂浆找平层的稳定性分析：
吉林化学工业公司在1993年建设完工的龙东小区和在1996年建设完成的哈密站小区的屋面砂浆找平层均为1∶2.5水泥砂浆，20mm厚。房屋横向宽度为9.6m，砂浆找平层在端部与钢筋混凝土檐口板抹在一起，砂浆找平层和沥青珍珠岩基层粘着力不足，可以认为砂浆找平层承受均匀的约束压应力。防水层做法的厚度相对于基层厚度很小，所以对基层偏心受压构件的抗弯刚度影响不大，可以忽略，即取基层水泥砂浆的弹性模量和惯性矩计算。砂浆找平层在冬季最低温度为-40℃，在夏季最高温度为80℃，其温升为50℃(按等温度场考虑)，而在冬季均匀温降为-50℃，在夏季均匀温升为50℃，μ＝0.15，α＝10－５。根据现场破坏情况实测，得到十三处砂浆找平层与基层的平均脱空长度L＝1.2m，砂浆找平层破坏后的斜面平均长度为0.6025m。根据以上数据计算如下：
单位宽度找平层受到的挤压力为：
屋面的砂浆找平层不失去稳定的最大挤压力为：
所以有：pk＜pt屋面的砂浆找平层失去稳定破坏。
3防水层裂缝宽度的近似计算
吉林化学工业公司，在1993年建设完工的龙东小区，屋面防水层为JJC防水层，即聚氯乙烯焦油防水油膏。即在合格的基层上刮涂油膏一层，厚度为5mm，防水层施工为一次成活，无增强抗拉强度的构造措施。基层裂缝宽度小于0.2mm时，涂膜不开裂。在1996年建设完图3屋面水泥砂浆的破坏情况成的哈密站小区屋面防水层为聚氨酯改性塑料油膏改水层，即二布三涂做法。即在合格的基层上刮涂油膏一层，随涂随铺50g/m２无纺布或玻璃布一层，以此类推做出二布三涂。那么在这两种防水层做法中，抗拉强度最高的为二布三涂做法，其抗拉强度［２］为10N/mm，近似于水泥砂浆的抗拉强度。由于防水层具有一定的抗拉强度并且与基层有很好的粘着力，所以在基层受压失稳破坏时不会产生有限条崩裂破坏，从而不产生混凝土被压碎的现象，只会产生如图(三)的破坏。
3.1屋面防水层的变形情况
而在夏季日温升为50℃时基层的总膨胀量为：
由此可见在拱顶处水泥砂浆局部产生的裂缝是非常大的。在9.6m长度范围内，不少水泥砂浆不可能是理想完善的平面，由于施工原因必然平整度有偏差，所以在温升作用下由于膨胀必然起彭鼓，因而导致了防水层的局部变形远远大于防水层材料的伸缩百分率，使防水层开裂，造成屋面漏水。
3.3屋面防水层的应力情况：
屋面防水层所用材料的抗拉强度为：10N/mm，屋面防水层在其基层水泥砂浆找平层受压失稳破坏后，无法抵抗局部极大的集中变形产生的应力，形成开裂裂缝，造成屋面漏水。
5结论
屋面防水层和其基层水泥砂浆找平层在激烈的季季温升、温降作用下，在水泥砂浆找平层内产生了较大的温度应力，使水泥砂浆找平层受压造成失稳破坏，引起屋面防水层产生局部极大的集中变形和拉力，形成开裂裂缝，从而造成屋面漏水。
6防治措施
如本文所述，造成屋面防水层和水泥砂浆找平层破坏的主要因素是：
1.屋面的温升、温降。
2.屋面水泥砂浆找平层的厚度。
3.屋面水泥砂浆找平层的脱空长度。
根据上述原因特提出如下防治措施：
1)在屋面防水层的表面上做一层浅色反光材料，以反射太阳光，降低防水层对太阳辐射热量的吸收，从而降低屋面防水层的表面温度。即降低了屋面水泥砂浆找平层的温度，使屋面水泥砂浆找平层的温差降低，以减小屋面水泥砂浆找平层的温度应力。
2)在设计中应适当增加屋面水泥砂浆找平层的厚度，以提高屋面水泥砂浆找平层抵抗温度应力的能力，保证屋面水泥砂浆找平层承受温度压力的稳定性。本作者经过认真计算和对比分析，认为将屋面水泥砂浆找平层的厚度提高至30mm为宜。
3)脱空长度的大小直接影响屋面水泥砂浆找平层的受压稳定性。在施工中应严格控制施工质量，改进施工工艺，使屋面水泥砂浆找平层的脱空长度降低到最小。
4)在屋面水泥砂浆找平层内留设伸缩缝，伸缩缝内嵌油膏。使屋面水泥砂浆找平层在伸缩缝区段内自由伸展，减小屋面水泥砂浆找平层受到的约束；保证屋面水泥砂浆找平层产生的温度压力小于屋面水泥砂浆找平层受压失稳破坏的压力；使屋面水泥砂浆找平层处于良好的工作状态。
5)屋面水泥砂浆找平层伸缩缝的留设位置最好留在距檐口5m左右。缝宽20～30mm，内嵌油膏。
7结束语
只要认真分析每栋住宅的建筑结构特点，进行必要的理论计算，合理的选用预防措施，那么屋面漏水问题是完全可以解决的，一定会为广大居民提供满意的家。
参考文献
［1］王铁梦.建筑物的裂缝控制［Ｊ］.上海科学技术出版社，1987年12月.
［2］山西省建设厅.屋面工程技术规范［Ｊ］.中国建筑工业出版社，1994年11月.
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江苏新大高空工程有限公司是中国工业防腐蚀协会的会员单位，是经江苏省建筑工程管理局审定的专业承包企业，具备国家防腐保温资质贰级、高空作业叁级、建筑防水叁级、安全生产许可证、壹级高空防腐施工资质、一级高处悬挂作业资格的专业化公司。公司组建于90年代初，1999年8月由原来的国有企业改制为股分有限公司，经过十多年的艰苦创业，现已发展成为领导班子过硬、技术力量雄厚，具有较强的经济实力和高素质的施工与管理队伍。 企业信誉和科技含量均在国内同行业中处 于领先地位，并率先通过了国际质量体系认证。
公司注册资本1066万，目前下辖十二个工程处，从业人数380人。具备各类专业技术职称的60人，其中高级工程师1人，工程师、经济师、会计师共28人，项目经理11人，拥有大中型机械设备168台（件），年施工产值近8000万元。公司现有6个驻外办事处：华能南京电厂办事处、扬州第二发电厂办事处、 福建雪津啤酒办事处、 广船国际办事处、仪征化纤办事处、唐山办事处。施工网点遍及全国各地二十多个省、市、区，涉及石油、化工、冶金、电力、能源、航天、建材、国防、交通、煤炭、医药、轻纺、食品、港口等十多个行业，承揽了大量的屋面防水层开裂的机理分析与研究等工程，公司自组建以来，坚持走技术革新之路，依靠丰富的施工经验、先进的施工技术和科学的网络化管理手段，先后承接了系统内各类高空防腐检修、防水堵漏、化学锚固、烟囱新建、环保脱硫等工程近万项，其中有高大难度工程和国家重点工程，都以工程质量好、安全率高，赢得了广大用户的一致好评。
公司将坚持以人为本，全面构建和谐发展的新环境，建立现代企业制度，规范运作，坚持走科技兴企、质量兴企之路，遵循“质量第一、业主至上、信守合同、优质服务”宗旨，“团结协作、严谨求实、优质高效、开拓创新”的企业精神，精心打造精品工程，向新老客户提供最优质满意的服务。
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