嚴(yán) 晗，靳小飛，王天亮，王 越

(1.中鐵建工集團(tuán)有限公司建筑工程研究院，北京 100160；2.交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043；3.中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司，青海 西寧 810007)

0 引言

青藏鐵路是世界上海拔最高的鐵路工程，自運(yùn)營(yíng)至今已有10余年，路基、橋梁、隧道、軌道結(jié)構(gòu)等線路單元均保持正常服役狀態(tài)，有力保障青藏鐵路正常運(yùn)營(yíng)。由于受到凍融、低溫、太陽(yáng)輻射、雨雪和大風(fēng)等高原氣候條件的影響，近年來(lái)青藏鐵路沿線站臺(tái)、雨棚、車間、辦公區(qū)等站場(chǎng)或其他附屬建(構(gòu))筑物出現(xiàn)不同程度病害現(xiàn)象，包括建筑材料強(qiáng)度降低、開(kāi)裂、滲水、脫落等，導(dǎo)致房建工程維修頻次增加。隨著川藏鐵路的建設(shè)，勢(shì)必存在與青藏鐵路沿線房建工程類似的病害問(wèn)題?；謴?fù)和改善建(構(gòu))筑物功能、保持良好的房屋設(shè)備狀態(tài)、延長(zhǎng)使用壽命已成為高原地區(qū)鐵路(房屋設(shè)備)管理部門亟待解決的問(wèn)題。

1 青藏鐵路房屋建筑工程病害調(diào)研

通過(guò)調(diào)研青藏鐵路(格拉段)17處代表性站點(diǎn)及生產(chǎn)生活用房，房建工程主要存在以下病害：①屋面漏水由于環(huán)境原因，防水卷材存在損傷及加速老化的現(xiàn)象，采取有組織排水時(shí)，雨水口及雨水管部位排水不暢；②站臺(tái)雨篷鋼結(jié)構(gòu)銹蝕、涂層剝落、起泡、爆裂等問(wèn)題較嚴(yán)重，尤其是雨篷柱1.7m以上部位較嚴(yán)重，部分天溝出現(xiàn)銹蝕穿透現(xiàn)象，影響鐵路整體形象；③圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體存在沿保溫層分隔開(kāi)裂、夾心保溫外墻外葉混凝土墻開(kāi)裂、基礎(chǔ)下沉開(kāi)裂及涂料脫落等問(wèn)題，存在一定安全隱患；④部分車間、辦公和生活區(qū)的給排水管道存在排水功能失效、地層脫空等問(wèn)題，影響工作人員正常工作與生活要求；⑤圍墻、散水、臺(tái)階、坡道等沉降開(kāi)裂，廣場(chǎng)磚粉化。

2 屋面工程病害損傷研究

2.1 屋面防水材料對(duì)比性試驗(yàn)

為驗(yàn)證屋面防水體系中防水材料的適用性能，對(duì)噴涂、成型非固化、噴涂&成型非固化、SBS材料進(jìn)行高原氣候條件下的物理力學(xué)性能試驗(yàn)。通過(guò)系列試驗(yàn)獲得相應(yīng)指標(biāo)，進(jìn)一步了解不同材料在高寒氣候環(huán)境下的物理力學(xué)性能，為新型防水材料在高寒地區(qū)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考和選材建議。

2.1.1試驗(yàn)條件設(shè)定

1)凍融溫度條件 正溫(10℃)輻射和負(fù)溫(-20， -30，-40℃)凍結(jié)，各取12h為1個(gè)凍融循環(huán)周期，正溫環(huán)境時(shí)附加太陽(yáng)輻射，按400W/m2進(jìn)行控制。凍融循環(huán)次數(shù)按1，5，10，15，20，…(根據(jù)時(shí)間剩余安排后續(xù)凍融循環(huán)量)依次選取。涉及凍融循環(huán)試驗(yàn)的有斷裂伸長(zhǎng)率(拉伸性能)、黏結(jié)強(qiáng)度(黏附性)、耐候性(人工氣候老化、凍融循環(huán)和太陽(yáng)輻射等)及不透水性等性能。

2)低溫凍結(jié)條件 冷凍溫度T按-10，-20，-30， -40℃進(jìn)行設(shè)定，凍結(jié)持續(xù)時(shí)間為12h，涉及凍結(jié)試驗(yàn)的有低溫柔性、低溫彎折性等性能。

3)結(jié)合工程實(shí)際需要 根據(jù)GB/T 328—2007《建筑防水卷材試驗(yàn)方法》，擬進(jìn)行斷裂伸長(zhǎng)率(拉伸性能)、透水性、低溫柔性、低溫彎折性、耐候性(人工氣候老化、凍融循環(huán)和太陽(yáng)輻射)、黏滯性(自密自愈性)性能測(cè)定。

2.1.2試驗(yàn)結(jié)論

1)拉伸性 噴涂材料斷裂伸長(zhǎng)率穩(wěn)定在400%～500%； 成型非固化材料斷裂伸長(zhǎng)率穩(wěn)定在40%～50%；噴涂&成型非固化材料斷裂伸長(zhǎng)率穩(wěn)定在300%～400%；SBS材料斷裂伸長(zhǎng)率穩(wěn)定在60%～70%。

2)不透水性 試驗(yàn)壓力為0.3MPa，噴涂材料加壓后30min，部分試樣出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象；成型非固化材料加壓后25min，部分試樣出現(xiàn)滲水現(xiàn)象；噴涂&成型非固化組合后的透水性能得到有效改善，加壓45min內(nèi)均無(wú)滲水漏水現(xiàn)象，總體不透水性能表現(xiàn)良好；SBS材料加壓后45min內(nèi)一直處于良好狀態(tài)，無(wú)漏水滲水現(xiàn)象。

3)低溫柔性及彎折性 4種材料在該指標(biāo)上表現(xiàn)相似。噴涂材料在-40℃時(shí)無(wú)明顯裂縫，彎折時(shí)發(fā)生斷裂；成型非固化材料在不同低溫下性能穩(wěn)定且達(dá)標(biāo)；噴涂&成型非固化材料在-40℃時(shí)材料表面無(wú)損、無(wú)可見(jiàn)彎折裂痕；SBS材料在-40℃時(shí)表面塑料膜微裂，內(nèi)部主體材質(zhì)無(wú)損。

4)耐候性 成型非固化防水材料在該模擬條件下，表面長(zhǎng)期處于軟黏狀態(tài)，表面有程度不大的老化。由于檢測(cè)周期限定，短期內(nèi)噴涂、噴涂&成型非固化、SBS材料在該指標(biāo)上均較穩(wěn)定，隨凍融及輻射過(guò)程，材料表面穩(wěn)定性較好，無(wú)明顯老化。因此，在模擬環(huán)境下防水材料的耐候性僅證明試驗(yàn)期內(nèi)無(wú)恙。

5)黏滯性 噴涂&成型非固化、噴涂材料被尖銳物刺穿后，凍結(jié)期內(nèi)可較好自愈，凍結(jié)后恢復(fù)至常溫并安裝在滿水容器口內(nèi)倒置，均無(wú)漏水現(xiàn)象；SBS、成型非固化材料被尖銳物刺穿后，凍結(jié)期內(nèi)自愈性較差，凍結(jié)后恢復(fù)至常溫并安裝在滿水容器口內(nèi)倒置，可觀察到明顯的滴水現(xiàn)象。但由于SBS材質(zhì)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于其他3種防水材料，因此在自愈性指標(biāo)上應(yīng)考慮該因素的影響。

2.1.3指標(biāo)對(duì)比

4種材料性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 指標(biāo)對(duì)比分析

2.2 屋面防水損傷機(jī)制

2.2.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/p>

屋面模型結(jié)構(gòu)層分為鋼筋混凝土層、頁(yè)巖粉煤灰層、擠塑板保溫層和水泥砂漿層。為揭示青藏鐵路沿線房屋屋面防水損傷的機(jī)制，對(duì)SBS和頁(yè)巖非固化材料防水結(jié)構(gòu)屋面施加凍融循環(huán)、太陽(yáng)輻射、大風(fēng)和降雨循環(huán)等因素，監(jiān)測(cè)屋面模型鋼筋混凝土層、頁(yè)巖粉煤灰層和水泥砂漿層沿屋面模型長(zhǎng)度方向與寬度方向的應(yīng)變、溫度變化。屋面防水結(jié)構(gòu)大尺寸構(gòu)件模型如圖1所示，試驗(yàn)如圖2所示。

圖1 屋面防水結(jié)構(gòu)大尺寸構(gòu)件模型

圖2 試驗(yàn)示意

2.2.2屋面模型結(jié)構(gòu)層溫度分析

成型非固化防水屋面結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土層、頁(yè)巖粉煤灰陶粒層、擠塑苯板保溫層、水泥砂漿層沿寬度方向布置的傳感器采集的溫度變化，如圖3所示。

圖3 沿長(zhǎng)向溫度變化

圖3中兩條虛線間表示1次凍融循環(huán)，兩條虛線間的細(xì)實(shí)線將1次凍融循環(huán)分為2段，前段為-25℃ 凍結(jié)過(guò)程，后段為20℃融化過(guò)程。

在-25℃凍結(jié)時(shí)，由圖中曲線可以得出，隨著凍結(jié)過(guò)程中溫度降低，屋面模型水泥砂漿層和擠塑板保溫層溫度降低較快，頁(yè)巖粉煤灰層比前兩層溫度下降趨勢(shì)緩慢。當(dāng)屋面模型每層達(dá)到最低氣溫時(shí)，每層溫度會(huì)有一段上升。

在20℃融化時(shí)，水泥砂漿層相當(dāng)于與環(huán)境直接接觸，從負(fù)溫迅速回升到正溫狀態(tài)，擠塑板保溫層溫度隨之迅速上升，水泥砂漿層和擠塑板保溫層降溫與升溫曲線基本一致；兩層溫度在融化階段有下降趨勢(shì)，當(dāng)艙內(nèi)溫度達(dá)到15℃時(shí)開(kāi)始升溫。鋼筋混凝土層和頁(yè)巖粉煤灰層由于受外界溫度變化影響較小，所以溫度呈逐漸上升趨勢(shì)，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由于水泥砂漿層和聚苯板保溫層溫度受高低溫環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)溫度影響較大，僅取第8次凍融循環(huán)時(shí)采集的鋼筋混凝土層與頁(yè)巖粉煤灰層溫度，對(duì)比這兩層左側(cè)溫度(沿長(zhǎng)向傳感器采集)與右側(cè)溫度(沿寬向傳感器采集)，如圖4所示。

圖4 第8次凍融循環(huán)SBS屋面結(jié)構(gòu)層溫度

在凍結(jié)過(guò)程中，由于受風(fēng)力模擬器的影響，SBS防水層屋面結(jié)構(gòu)左側(cè)鋼筋混凝土層和頁(yè)巖粉煤灰層溫度下降比右側(cè)快。在融化過(guò)程中，由于剛結(jié)束低溫凍結(jié)過(guò)程，左側(cè)溫度明顯低于右側(cè)溫度，但隨著高低溫環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)溫度上升，左側(cè)溫度逐漸超過(guò)右側(cè)溫度，并一直高于右側(cè)溫度。因此，風(fēng)力對(duì)于屋面模型溫度的改變是重要因素。

2.2.3屋面模型結(jié)構(gòu)層應(yīng)變分析

擠塑板保溫層只考慮溫度，并不考慮應(yīng)變。成型非固化防水層屋面結(jié)構(gòu)在9次凍融循環(huán)作用下，每層結(jié)構(gòu)傳感器所測(cè)應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。圖5中兩條虛線間表示1次凍融循環(huán)，兩條虛線間的細(xì)實(shí)線將1次凍融循環(huán)分為2段，前段為-25℃凍結(jié)過(guò)程，后段為20℃融化過(guò)程。

圖5 成型非固化防水層屋面結(jié)構(gòu)應(yīng)變

由圖5a可以看出，9次凍融循環(huán)每層結(jié)構(gòu)沿寬向應(yīng)變變化趨勢(shì)大致一致，在凍結(jié)過(guò)程中，應(yīng)變呈先升高后降低的趨勢(shì)；在融化過(guò)程中，鋼筋混凝土層和頁(yè)巖粉煤灰層應(yīng)變呈先升高后降低的趨勢(shì)，而水泥砂漿層的應(yīng)變呈迅速降低然后升高、再降低的趨勢(shì)，另外鋼筋混凝土層和頁(yè)巖粉煤灰層的曲線走向較接近。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，水泥砂漿層收縮應(yīng)變逐漸變大，可以得出，外界環(huán)境導(dǎo)致水泥砂漿層出現(xiàn)很大的收縮應(yīng)變，達(dá)到極限時(shí)會(huì)引起水泥砂漿層開(kāi)裂，導(dǎo)致滲水。另一方面，水泥砂漿層與防水層緊密連接，水泥砂漿層的收縮應(yīng)變使防水層產(chǎn)生拉伸效應(yīng)，進(jìn)而引起防水材料開(kāi)裂。

如圖5b所示，屋面模型沿長(zhǎng)向應(yīng)變的增長(zhǎng)趨勢(shì)與沿寬向基本一致。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，鋼筋混凝土層和頁(yè)巖粉煤灰層的收縮應(yīng)變逐漸增加，這是由于溫度降低，兩層結(jié)構(gòu)沿長(zhǎng)向的收縮程度較大引起的；水泥砂漿層的拉伸應(yīng)變逐漸降低，收縮應(yīng)變逐漸上升，這是因?yàn)樵趦鼋Y(jié)剛開(kāi)始時(shí)，凍脹程度引起拉伸應(yīng)變的影響逐漸減弱，而在融化過(guò)程中收縮程度引起的收縮應(yīng)變影響逐漸升高。

如圖6所示，取第9次凍融循環(huán)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比水泥砂漿層沿長(zhǎng)向與寬向的應(yīng)變，可以得出，屋面模型在升溫過(guò)程中收縮應(yīng)變出現(xiàn)極大值，沿寬向收縮應(yīng)變極大值明顯高于沿長(zhǎng)向收縮應(yīng)變極大值，因此屋面模型水泥砂漿層開(kāi)裂極有可能是沿寬向的收縮應(yīng)變引起的。

圖6 水泥砂漿層應(yīng)變對(duì)比

2.2.4屋面模型防水層應(yīng)變分析

從屋面模型防水層4個(gè)應(yīng)變采集點(diǎn)中選擇1個(gè)點(diǎn)，取第8,9次凍融循環(huán)過(guò)程采集的應(yīng)變進(jìn)行分析，兩種屋面模型沿長(zhǎng)向和寬向應(yīng)變的變化趨勢(shì)相同。在凍結(jié)過(guò)程中，應(yīng)變片測(cè)得的沿長(zhǎng)向和寬向應(yīng)變都呈上升趨勢(shì)，最后趨于波動(dòng)狀態(tài)，為拉伸應(yīng)變。

在凍融循環(huán)作用下，成型非固化防水層的應(yīng)變數(shù)值約為SBS防水層屋面應(yīng)變數(shù)值的1.9倍。SBS防水層和成型非固化防水層應(yīng)變?nèi)鐖D7所示。成型非固化防水層的應(yīng)變數(shù)值為水泥砂漿找平層寬向應(yīng)變的40%左右，為長(zhǎng)向應(yīng)變的11%左右。SBS防水層的應(yīng)變數(shù)值為水泥砂漿找平層寬向應(yīng)變的20%左右，為長(zhǎng)向應(yīng)變的6%左右。說(shuō)明試驗(yàn)采取的屋面結(jié)構(gòu)形式做法中，成型非固化防水層與基層水泥砂漿找平層的變形協(xié)調(diào)性更好。

圖7 SBS防水層和成型非固化防水層應(yīng)變

2.3 屋面防水設(shè)計(jì)及大修建議

2.3.1屋面防水設(shè)計(jì)建議

通過(guò)分析材料試驗(yàn)和大尺寸模型，防水設(shè)計(jì)時(shí)材料選擇應(yīng)重點(diǎn)考慮以下特性。

1)變形性能 防水材料在凍融作用下不僅自身發(fā)生變形，且基層找平層也產(chǎn)生相對(duì)變形，同時(shí)材料因自然老化變形性能降低，需保證防水材料在合理的大修周期內(nèi)變形滿足需求。

2)低溫柔性 青藏高原特殊的氣候條件使防水層溫度變化不以自然年為單位，在強(qiáng)紫外線、大風(fēng)、低溫、防水卷材吸熱等綜合作用下產(chǎn)生類似于凍融的作用，同時(shí)考慮防水層和找平層在氣候作用下可能存在溫度變化滯后現(xiàn)象，需考慮防水材料低溫柔性。

3)強(qiáng)度和自愈性 由于找平層的應(yīng)變相對(duì)較大，在凍融作用下產(chǎn)生開(kāi)裂損傷的概率較其他結(jié)構(gòu)層大，需要卷材強(qiáng)度抵抗找平層開(kāi)裂時(shí)的穿刺，同時(shí)防水層輕微損傷后可自行愈合。

應(yīng)適當(dāng)加大屋面排水坡度，平屋面坡度可按5%進(jìn)行設(shè)計(jì)。試驗(yàn)及調(diào)研發(fā)現(xiàn)，屋面坡度大小對(duì)屋面排水影響很大，坡度大的屋面結(jié)構(gòu)排水效果好、積水較少，坡度小的屋面結(jié)構(gòu)排水較差、積水較多。

調(diào)研中發(fā)現(xiàn)屋面排水系統(tǒng)會(huì)加劇防水病害程度，尤其是落水口及天溝部位，設(shè)計(jì)時(shí)需采取凍結(jié)落水口及雨水管措施，防止逐步冰凍縮小過(guò)水面積或形成冰垅影響排水，建議加大落水口漏斗開(kāi)口，減少落水管彎頭，落水口的設(shè)置應(yīng)考慮日間日照可達(dá)到的地方。

2.3.2屋面防水大修建議

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在凍融作用下，防水結(jié)構(gòu)層中水泥砂漿找平層的應(yīng)變較下部對(duì)鋼筋混凝土屋面結(jié)構(gòu)、頁(yè)巖粉煤灰找坡層大，也比上部防水層大，為提升防水系統(tǒng)服役性能，需改進(jìn)水泥砂漿找平層。由于倒置式屋面維修不便，加之細(xì)石混凝土面層在防水層上，施工時(shí)振搗密實(shí)度得不到保證，抗?jié)B性能較低，降水會(huì)滲入混凝土中，發(fā)生凍害，頻繁凍脹位移拉裂防水層，導(dǎo)致屋面漏水。因此以正置式屋面做法進(jìn)行分析，從以下方面改進(jìn)找平層。

1)加設(shè)鋼絲網(wǎng) 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)層的應(yīng)變相對(duì)較小，在保溫層作用下凍融影響有所降低，且因鋼筋約束變形，屋面找坡中增設(shè)鋼絲網(wǎng)可加強(qiáng)剛度，減少變形。

2)采用延性較好的砂漿材料 雖然砂漿找平層的變形比防水層大，但防水層為彈性體材料，具有非常大的變形性能，因此找平層需避免開(kāi)裂，減少凍融循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的裂縫損傷防水層。找平層可采用水泥石灰砂漿或聚合物砂漿。聚合物砂漿由水泥、集料和分散在水中的有機(jī)聚合物攪拌而成，具有防水抗?jié)B效果好、黏結(jié)強(qiáng)度高、耐高濕、耐老化、抗凍性好的特點(diǎn)。在水泥砂漿或聚合物砂漿中摻入聚合物乳液成本增加約300元/m3，按照20mm厚找平層進(jìn)行計(jì)算，每平方米增加成本6元，屬于可接受范圍。

3)適當(dāng)加密變形縫間距 可在找平層設(shè)置變形縫施放因凍融產(chǎn)生的變形。變形縫寬度宜為20mm,采用瀝青膠泥或聚氨酯密封膠嵌縫，變形縫間距需依據(jù)防水層與找平層間的變形差距與防水材料性能進(jìn)行分析確定，但應(yīng)≤6m。施工變形縫處的防水層應(yīng)以卷材空鋪搭橋的方式進(jìn)行加強(qiáng)，避免變形縫磨損防水層。

2.3.3屋面防水大修規(guī)則建議

《鐵路運(yùn)輸房建設(shè)備大修維修規(guī)則》附表中，屋面使用年限在25年內(nèi)的綜合維修周期為10年，但青藏線由于自然氣候條件特殊，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，青藏線格拉段的大修周期宜為5～6年，因此建議將該段大修周期縮短至6年。房屋、構(gòu)筑物維修內(nèi)容及標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有考慮自然氣候條件對(duì)維修工藝和標(biāo)準(zhǔn)的影響，對(duì)格拉段大修的指導(dǎo)意義受限，故維修規(guī)則需根據(jù)格拉段特點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充，尤其是調(diào)整維修周期，維修工藝應(yīng)考慮格拉段自然氣候條件的影響，將無(wú)人化監(jiān)測(cè)納入檢查方法中。

3 鋼結(jié)構(gòu)涂層病害損傷機(jī)制

鋼結(jié)構(gòu)模型以青藏鐵路格拉段房建工程的鋼結(jié)構(gòu)雨篷為原型，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)噴涂底漆進(jìn)行防銹處理，底漆采用環(huán)氧富鋅漆1遍，環(huán)氧云鐵中間漆2遍；面漆采用氯化橡膠漆2遍，在室外弱侵蝕性環(huán)境進(jìn)行。防銹底漆噴涂完并養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，噴涂或刷涂薄型和超薄型防火涂料，噴涂設(shè)置3種壓力，以研究不同噴涂壓力對(duì)防火涂料黏附性能和抵抗外界不利環(huán)境的能力。防火涂料噴涂完全按規(guī)范要求，首先進(jìn)行相容性試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)兩種防火涂料與底漆相容性良好，然后分多遍進(jìn)行噴涂和刷涂施工，其中薄型防火涂料噴涂5mm，超薄型防火涂料噴涂2mm。

將4種鋼結(jié)構(gòu)涂層(薄型+噴涂+噴涂機(jī)正常噴涂壓力、薄型+刷涂、超薄型+噴涂+噴涂機(jī)正常噴涂壓力、超薄型+刷涂)和3種材質(zhì)制作的天溝(鍍鋅板、304不銹鋼板、316不銹鋼板)移入高低溫環(huán)境試驗(yàn)艙中，施加太陽(yáng)輻射、大風(fēng)、降雨和凍融循環(huán)模擬高原環(huán)境氣候條件，觀測(cè)鋼結(jié)構(gòu)涂層的病害演化過(guò)程。

目前在9次凍融循環(huán)作用下，3種材質(zhì)的天溝表面未生銹。通過(guò)觀察H型鋼表面變化情況，發(fā)現(xiàn)薄型防火涂料(正常噴涂壓力和刷涂)并未出現(xiàn)涂層剝落、起泡和爆裂問(wèn)題，而超薄型防火涂料(正常噴涂壓力和刷涂)表面都出現(xiàn)裂縫。超薄型防火涂料焊縫處裂縫如圖8所示。超薄型防火涂料刷涂方式下的裂縫如圖9所示。超薄型防火涂料噴涂方式下腹板處裂縫如圖10所示。

圖8 超薄型防火涂料焊縫處裂縫

圖9 超薄型防火涂料刷涂方式下的裂縫

圖10 超薄型防火涂料噴涂方式下腹板處裂縫

超薄型防火涂料在刷涂和噴涂方式下，鋼結(jié)構(gòu)焊縫處的防火涂料表面均產(chǎn)生裂縫，是由于焊縫處噴涂和刷涂存在施工薄弱處，焊縫處的防火涂料并不能完全保證厚度均勻，不能充分黏結(jié)，因此在凍融和太陽(yáng)輻射等不利條件下產(chǎn)生裂縫。

試驗(yàn)中刷涂防火涂料的裂縫大部分呈豎向且分散性分布，裂縫大部分是豎向分布，而噴涂防火涂料的裂縫呈放射狀分布，這是由于施工過(guò)程中，防火涂料經(jīng)噴槍呈霧狀均勻噴射到鋼結(jié)構(gòu)表面，使得一次施工完成后的防火涂料整體性較好，產(chǎn)生裂縫時(shí)呈均勻放射狀，而由于刷涂方向變動(dòng)和不均勻性，導(dǎo)致防火涂料整體性較差，裂縫位置較分散，趨于刷涂方向。因此，施工過(guò)程中建議采用噴涂方法。另一方面原因?yàn)檎?fù)溫交替變化，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)和防火涂料膨脹與收縮變形，從而產(chǎn)生裂縫。正溫時(shí)雨水噴霧中少量水分進(jìn)入防火涂料中，當(dāng)負(fù)溫時(shí)水分結(jié)冰體積變大，引起脹裂；太陽(yáng)輻射使防火涂料表面一直處于高溫，不僅降低防火涂料的黏附力，且正溫噴霧時(shí)，防火涂料被潤(rùn)濕，表面高溫使水分迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致表面開(kāi)裂。風(fēng)將防火涂料的水分迅速帶走導(dǎo)致裂縫。

4 給排水管道病害損傷機(jī)制

以青藏鐵路格拉段房建工程給排水管道系統(tǒng)為原型，加工給排水管道大尺寸構(gòu)件(管道內(nèi)充滿水，有集水井)，將構(gòu)件埋設(shè)于可三向控溫的模型試驗(yàn)槽土層內(nèi)，考慮地層分層、管道接口、保溫和地下水位等因素，在模型構(gòu)筑過(guò)程中布設(shè)溫度、水分傳感器。模型加工完成后，置于高低溫環(huán)境試驗(yàn)艙內(nèi)，施加環(huán)境溫度、底板溫度和地下水等因素，觀測(cè)給排水管道內(nèi)外、土層溫度、水分及病害演化過(guò)程。管道布置如圖11所示，模型槽剖面如圖12所示。

圖11 管道布置

圖12 模型槽剖面

管道外包保溫材料為工況1；工況2～4是在工況1的基礎(chǔ)上，利用熱媒控制管道內(nèi)溫度分別為1，3，5℃工況1～4均采用聚氨酯、酚醛泡沫保溫。

選取模型中心位置，提取工況1不同天數(shù)土體地溫隨深度變化的計(jì)算結(jié)果，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證地溫傳遞情況和模型可靠性，如圖13所示。分析計(jì)算周期內(nèi)的110d(地表溫度全年最高時(shí)刻)、200d(地表正溫變負(fù)溫時(shí)刻)、270d(地表溫度全年最低時(shí)刻)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在深度1～2m的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值存在一定差異，主要由于此深度為管道埋設(shè)深度，對(duì)地溫傳遞產(chǎn)生一定影響，但誤差未超過(guò)0.5℃，因此，計(jì)算結(jié)果可信，模型可靠。

圖13 地溫隨深度變化曲線

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)僅采用管道保溫措施時(shí)，在土體凍結(jié)期內(nèi)管道溫度為負(fù)值，即該措施無(wú)法保證管道內(nèi)流體不發(fā)生凍結(jié)。在管道保溫基礎(chǔ)上結(jié)合管道內(nèi)流體加熱，使管道在凍結(jié)期內(nèi)仍保持正溫，具體溫度變化情況需結(jié)合溫度等值線做進(jìn)一步分析。

不同工況270d(地表溫度最低時(shí)刻)溫度等值線和凍結(jié)線如圖14所示。圖14a，14b中管道熱媒維持溫度為1℃時(shí)，凍結(jié)線存在于保溫層內(nèi)，可保持管道內(nèi)溫度在1℃左右。隨管道溫度升高(見(jiàn)圖14c～ 14f)，0℃凍結(jié)線逐漸過(guò)渡到管道周圍土體，管道內(nèi)流體溫度可維持正溫，不發(fā)生凍結(jié)。

圖14 270d的溫度等值線和凍結(jié)線

由于管道內(nèi)設(shè)置熱媒升溫，導(dǎo)致管道周圍土體凍結(jié)、融化狀態(tài)發(fā)生變化，因此，對(duì)兼顧防凍效果和經(jīng)濟(jì)效益熱媒溫度的確定，還需結(jié)合管道周圍土體的凍脹變形展開(kāi)分析。

5 服役性能評(píng)價(jià)體系

5.1 服役性能評(píng)價(jià)體系建立

構(gòu)筑物服役性能評(píng)價(jià)方法基本上分為半定量經(jīng)驗(yàn)和非確定性分析方法。半定量經(jīng)驗(yàn)分析法難以采用數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)致結(jié)果差異性較大；非確定性分析方法彌補(bǔ)上述缺陷，最具代表性的非確定性分析方法為模糊綜合評(píng)判法，具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好解決模糊、難以量化的非確定性問(wèn)題。同時(shí)，僅通過(guò)層次分析法結(jié)合模糊綜合評(píng)判法存在未考慮因素層各因素間關(guān)系的弊端，使評(píng)價(jià)結(jié)果可信度不高。為此，利用層次分析法(AHP)結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論，在充分考慮所有影響服役性能因素的基礎(chǔ)上，基于系統(tǒng)可靠度評(píng)價(jià)和分析青藏鐵路格拉段房建工程服役性能。

影響青藏鐵路格拉段房建工程服役性能的因素很多，具有模糊、難以量化的特點(diǎn)，符合模糊數(shù)學(xué)理論要求。采用模糊綜合評(píng)判法，即模糊數(shù)學(xué)理論，對(duì)該房建工程服役性能進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析的關(guān)鍵步驟之一就是建立全面性、模糊性和層次性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立病害類型為準(zhǔn)則層，如圖15所示。

圖15 服役性能評(píng)價(jià)體系

5.2 屋面防水技術(shù)性能評(píng)價(jià)體系建立

影響屋面防水服役性能的主要方面為準(zhǔn)則層，準(zhǔn)則層的具體病害特征為因素層(隸屬于準(zhǔn)則層)的服役性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖16所示。

圖16 屋面防水技術(shù)性能評(píng)價(jià)體系

對(duì)噴涂速凝防水涂料、成型非固化防水涂料、噴涂&成型非固化、SBS防水卷材運(yùn)用層次分析法進(jìn)行分析，如圖17所示。

圖17 層級(jí)結(jié)構(gòu)模型

判斷矩陣以4種防水做法的適用性試驗(yàn)結(jié)果為主要參考，其中溫差主要考慮拉伸性、不透水性；低溫主要考慮彎折性和低溫柔性；強(qiáng)風(fēng)考慮黏滯性；紫外線考慮耐候性，結(jié)合專家打分進(jìn)行確定。通過(guò)分析計(jì)算，準(zhǔn)則層權(quán)重如表2所示。年凍融循環(huán)次數(shù)C12權(quán)重為0.403 8，紫外線強(qiáng)度C41權(quán)重為0.149 5， 日溫差C11權(quán)重為0.134 6，瞬時(shí)大風(fēng)頻次C32權(quán)重為0.133 5，風(fēng)力等級(jí)C31權(quán)重為0.066 8，年低溫C21權(quán)重為0.054 6，年日照天數(shù)C42權(quán)重為0.029 9，年低溫天數(shù)C22權(quán)重為0.027 3。噴涂&成型非固化權(quán)重為0.378 9，SBS防水卷材權(quán)重為0.273 3，噴涂速凝防水涂料權(quán)重為0.231 5，成型非固化防水涂料權(quán)重為0.116 2。

表2 準(zhǔn)則層權(quán)重

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)，4種防水方案在青藏鐵路格拉段房屋建筑工程中的適應(yīng)性順序?yàn)閲娡?成型非固化>SBS、防水卷材>噴涂速凝防水涂料>成型非固化，與試驗(yàn)結(jié)論一致。

6 結(jié)語(yǔ)

青藏鐵路沿線房建工程病害問(wèn)題是由材料性能、工藝特點(diǎn)、使用狀態(tài)、特殊自然氣候條件等綜合作用導(dǎo)致的。病害類型多、發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，溫差、低溫、強(qiáng)風(fēng)、紫外線及凍土作用使房屋病害頻發(fā)。通過(guò)對(duì)青藏線格拉段病害采取調(diào)研、大尺寸試驗(yàn)、數(shù)值仿真模擬等手段，揭示部分病害產(chǎn)生的根源，以構(gòu)建服役性能評(píng)價(jià)體系。在屋面防水病害研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善鋼結(jié)構(gòu)涂層、給排水管道、外圍護(hù)體系病害的研究，揭示病害產(chǎn)生機(jī)制，提出維修建議。