劉麗萍，李瑞霞，彭曉光

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021)

滲漏是建筑工程中常見的質(zhì)量通病。國內(nèi)外在防水材料、設(shè)計和施工等方面曾開展了長期的探索并取得了一定的成果[1-3]。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫系統(tǒng)存在的溫縮裂縫占全部裂縫的70%[4]，成為滲漏隱患。近年來，隨著高層建筑的大量出現(xiàn)，用戶對房屋品質(zhì)的追求越來越高，建筑形式趨于多樣化與復(fù)雜化，與此相適應(yīng)，對建筑防水性能的要求也隨之提升。與此同時，在大力提倡建筑節(jié)能的過程中存在對建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫功能過分重視，而對其在防水性能方面的需求視而不見的誤區(qū)[5]。實際工程已證明，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能與其防水性能息息相關(guān)。建筑保溫層中有水分子滲入時，保溫材料的保溫效果隨之下降，嚴(yán)重時失其保溫性能?？梢姡ㄖB漏關(guān)乎節(jié)能、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)問題。為此，本文針對高層及超高層建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏問題，對其滲漏機理和防治技術(shù)進(jìn)行研究，以期為建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)防水工程提供理論依據(jù)和實踐參考。

1 工程概況

東南沿海地區(qū)某市一處框架剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅樓建筑，此建筑共為34層，分為地上32層和地下2層，其總面積為15 400 m2，每層高為2.9 m。表1為外墻的應(yīng)用材料，圖1為外墻的實體構(gòu)造。本文以圖1為基礎(chǔ)，建立二維裂縫模型實體構(gòu)造。墻體從外到里共有3層構(gòu)造，分別為5 mm防護(hù)層、60 mm保溫層(包括聚苯板與黏結(jié)砂漿)和200 mm混凝土墻基體，其組合墻體厚度共為265 mm，外保溫系統(tǒng)涂料飾面層厚度不予考慮。裂縫有滲水現(xiàn)象。根據(jù)信息統(tǒng)計局統(tǒng)計年鑒和當(dāng)?shù)貧庀缶质占慕? 年相關(guān)數(shù)據(jù)，該地區(qū)風(fēng)力多在6～8級之間，風(fēng)速多低于17 m·s-1；雨強主要密集分布在35 mm·h-1以內(nèi)。

表1 建筑物不同層數(shù)的應(yīng)用材料

圖1 模型實體構(gòu)造圖

2 雨水在裂縫中微觀流動模擬分析

裂縫內(nèi)的水不可壓縮，且模型計算時間內(nèi)供應(yīng)連續(xù)。裂縫內(nèi)部有少量雨水，對裂縫內(nèi)部雨水重力的影響和雨水的沖擊力不予考慮。

通過設(shè)計長度為5 mm，寬度為0.5 mm的裂縫模型，追蹤在風(fēng)雨共同作用下，墻面裂縫中雨水的滲入深度和雨水的微觀流動狀態(tài)。通過流體力學(xué)分析軟件FLUENT[6-8]建立二維裂縫模型，網(wǎng)格單元為四邊形。對于大于0.05 mm的一切空隙，水分子可以順利通過，因此以0.05 mm為網(wǎng)格尺寸劃分基準(zhǔn)。四周粗糙壁面組成裂縫模型邊界，如圖2所示。進(jìn)、出口邊界分別定義為壓力進(jìn)口和壓力出口，進(jìn)口壓力由不同模擬條件和工況決定，其法向速度設(shè)定為零。

圖2 裂縫的網(wǎng)格劃分

2.1 風(fēng)壓對雨水在裂縫中流動的影響

雨水流入裂縫并且在內(nèi)進(jìn)行流動的重要動力為風(fēng)壓。根據(jù)建筑物所在地區(qū)氣象統(tǒng)計資料及風(fēng)速風(fēng)壓關(guān)系，可確定依托工程的風(fēng)壓范圍，且已有研究表明，當(dāng)風(fēng)壓低于0.06 kN·m-2時對滲漏的影響不予考慮。隨著外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的增強，裂縫內(nèi)部雨水的流動速度也隨之增大，如圖3所示。建筑表面風(fēng)壓對裂縫初始滲流速度影響較大。

圖3 不同風(fēng)壓下裂縫初始滲流速度

2.2 建筑高度對裂縫水流動的影響

根據(jù)《民用建筑設(shè)計通則》(GB 50352-2005)[9]的規(guī)定，建筑物表面風(fēng)壓和裂縫的內(nèi)部壓力隨建筑高度變化。建筑高度與裂縫的初始壓力關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 建筑高度與裂縫的初始壓力關(guān)系曲線圖

從圖4的曲線走向可知，隨著建筑高度的增高，裂縫的初始壓力也隨之明顯增大，且兩者基本呈線性關(guān)系。 建筑高度與雨水的初始滲流速度關(guān)系曲線如圖5所示。

從圖5的曲線走向可知，隨著建筑高度的增高，裂縫內(nèi)部的滲流速度也隨之增大，且雨水的滲流速度在高度為100～150 m處顯著加快。這表明裂縫內(nèi)部的初始壓力和雨水的初始滲流速度與建筑高度有較大關(guān)系。

圖5 建筑高度與雨水的初始滲流速度關(guān)系曲線圖

在水平中軸線上，雨水流入裂縫的速度為“m”形，呈現(xiàn)出增速、降速交替出現(xiàn)的情況，如圖6所示。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于雨水流入裂縫后，裂縫內(nèi)部的粗糙面阻止了雨水?dāng)U散，從而導(dǎo)致雨水?dāng)U散速度下降，最終出現(xiàn)雨水滲流速度增速、降速交替出現(xiàn)的情況。隨著建筑高度的增高，入口處雨水滲流速度也隨之增大。這種現(xiàn)象說明雨水在裂縫波谷處的流速變化比較劇烈，在凸處雨水的流速比較大，在凹處雨水的流速比較小。此現(xiàn)象是因為雨水可在凸處顆粒兩側(cè)的空間進(jìn)行擴散，而在凹進(jìn)顆粒兩側(cè)擴散受到阻礙。

圖6 水平中軸線和垂直中軸線速度曲線

2.3 局部構(gòu)造對雨水在裂縫中流動的影響

風(fēng)壓在建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面的分布是不均勻的[10]。在凹進(jìn)部位、挑出部位、陽角和墻面等局部構(gòu)造處的風(fēng)壓大小不同。建筑物裂縫初始壓力和裂縫初始滲流速度曲線如圖7～8所示。從圖7的曲線走向可知，不同構(gòu)造部位裂縫的初始壓力從墻面到凹進(jìn)、挑出再到陽角部位走向呈線性規(guī)律，初始壓力最大、最小的部位分別為陽角處裂縫和墻面裂縫。

圖7 裂縫在不同構(gòu)造部位處初始壓力變化曲線

從圖8的曲線走向可知，雨水從不同構(gòu)造部位處流入裂縫內(nèi)部的初始速度顯然不同，從墻面到凹進(jìn)、挑出再到陽角部位的基本走向呈現(xiàn)線性。滲流速度最大、最小的部位分別為陽角處裂縫和墻面裂縫。初始滲流速度與初始壓力的變化規(guī)律吻合。

圖8 裂縫在不同構(gòu)造部位處初始滲流速度變化曲線

裂縫區(qū)速度曲線如圖9所示。圖9(a)為提取x=0～5 mm，y=0.3 mm 線段上不同點的數(shù)據(jù)繪成的裂縫水沿x軸方向的流速曲線。圖9(b)為提取x=0，y=0～0.5 mm 線段上不同點的數(shù)據(jù)繪成的裂縫水沿y軸方向的流速曲線。

圖9 裂縫在不同構(gòu)造部位的水平向和垂直向流速曲線

在裂縫的水平方向處，雨水在不同構(gòu)造部位處流入裂縫的速度是不同的。其流速從大到小依此為陽角處、挑出部位、凹進(jìn)部位和墻面。在裂縫的垂直方向處，雨水的流速在0～0.1 mm之間明顯增大，在0.1～0.4 mm之間先平緩上升到最高點后開始平緩下降。

3 結(jié) 論

1) 雨水在不同標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓下滲入裂縫的初始速度是不同的。雨水在流入裂縫后以很小的速度向裂縫內(nèi)部流動，其流動速度呈現(xiàn)為先增后減。這就是滲漏在短時間內(nèi)不易被發(fā)現(xiàn)的原因。

2) 雨水流入裂縫的初始速度隨著建筑物高度的增高而增大，且雨水初始流速明顯加快的高度為100～150 m(此高度為常見高層建筑高度)，隨后其變化趨勢體現(xiàn)為平緩增加。雨水在流入裂縫后以很小的速度向裂縫內(nèi)部流動。在裂縫內(nèi)部凸出部分的兩側(cè)有很大空間，因此雨水在其部位的流速增大，而在裂縫內(nèi)部凹進(jìn)部分的兩側(cè)空間封閉，所以導(dǎo)致雨水在其部位的流速減小。

3) 裂縫內(nèi)壓力對雨水在裂縫內(nèi)部的流動速度幾乎沒有影響。雨水流入建筑物裂縫內(nèi)部的初始速度和在建筑物裂縫內(nèi)部的速度由小到大依次是墻面、凹進(jìn)部位、挑出部位和陽角處，但是雨水的初始流速和內(nèi)部流速在局部構(gòu)造部位處的增幅非常平緩。

4) 研究表明，目前常見的高層住宅建筑易發(fā)生滲漏問題。在研究城市盛行風(fēng)向的基礎(chǔ)上，對建筑物布局形式的優(yōu)化，對風(fēng)道間距合理的設(shè)計，以及在大風(fēng)多發(fā)地區(qū)，減輕風(fēng)荷載對高層建筑物的不利影響，都可以有效減少滲漏病害的發(fā)生。