地板輻射采暖地面防拱裂研究與應(yīng)用技術(shù)摘要：通過對(duì)低溫地板輻射采暖地面剝離拱起現(xiàn)象的機(jī)理分析和熱脹伸長值、熱脹應(yīng)力、砂漿粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度等項(xiàng)定量研究，充分論證了此類地面發(fā)生問題的原因，并結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行防拱裂技術(shù)研究與應(yīng)用，收到良好的效果，填補(bǔ)了我國此項(xiàng)施工技術(shù)空白。近年來，在住宅工程建設(shè)中，低溫地板輻射采暖以地面輻射均勻、無氣流感、人體感覺舒適的良好使用功能和新型塑料管材本身輸送流體阻力小、耐腐蝕、壽命長、易安裝等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)得到迅速推廣應(yīng)用。但因地板熱脹力較大及設(shè)計(jì)與施工無配套技術(shù)，導(dǎo)致粘貼板塊飾面剝離拱起或斷裂，嚴(yán)重影響地面工程、甚至地暖系統(tǒng)正常使用，成為一項(xiàng)急待解決的普遍技術(shù)難題。1、地板飾面剝離拱起的機(jī)理分析1.1、地板吸熱伸長的影響低溫地板輻射采暖的工作原理是，依靠遍布與地面混凝土填充層內(nèi)的盤管將地板均勻加熱，通過地面飾面向室內(nèi)進(jìn)行輻射。因此，地面吸熱后需求適應(yīng)熱脹伸長。如一房間進(jìn)深尺寸為L的地面在無約束狀態(tài)承受均勻升溫T，此地面將將產(chǎn)生自由伸長△L，地面內(nèi)不產(chǎn)生應(yīng)力，而只有應(yīng)變，此時(shí)△L=a△TL，應(yīng)變?chǔ)?△L/L=a△T，應(yīng)力σ=0；如地面伸長受到完全約束時(shí)，則σ=σmax=-Ea△T，ε=0，地面不產(chǎn)生應(yīng)變，而只有應(yīng)力。在實(shí)際地面設(shè)計(jì)與施工中，地面混凝土填充層底面為保溫層鋁鉑紙界面，次界面摩阻力很小，可忽略不計(jì)，可自由伸長考慮。但作為地面熱脹伸長不動(dòng)點(diǎn)的中部區(qū)域，而未設(shè)置漲縫時(shí)，熱脹伸長將在不動(dòng)點(diǎn)處受到約束而產(chǎn)生一相對(duì)作用的壓應(yīng)力和向上的彎曲力，當(dāng)此應(yīng)力大于地面軸心抗壓強(qiáng)度和砂漿粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生地面壓裂和飾面剝離拱起現(xiàn)象。1.2、房間進(jìn)深太大的影響現(xiàn)代住宅設(shè)計(jì)布局一般是將大客廳與餐廳貫通為一體，做完地面飾面后再采用隔斷做使用功能的分割；有的設(shè)計(jì)南向與北向臥室的走廊門相互對(duì)應(yīng)，也形成了地面貫通。因此，地面的長邊尺寸達(dá)14m左右。如此大的地面長度在采暖期將會(huì)產(chǎn)生較大的熱伸長值，如未在適當(dāng)部位設(shè)置脹縫時(shí)，此伸長值將轉(zhuǎn)化為較大的約束應(yīng)力，必定導(dǎo)致地面磚斷裂或拱起。經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)?shù)孛骈L度≤8m，采暖期地面溫度與地面初始溫度，△T≤20℃時(shí)，地面熱脹變形在塑性變形范圍，故在夏季施工的較小進(jìn)深房間地面不產(chǎn)生地面斷裂或拱起現(xiàn)象。1.3、地面盤管熱脹約束的影響低溫地板輻射采暖管材一般采用交聯(lián)鋁塑復(fù)合管（XPAP）、聚丁烯管（PB）、交聯(lián)聚乙烯管（PE-X）等，線膨脹系數(shù)≥1.3×10-4/℃，而混凝土和砂漿的線膨脹系數(shù)為1.5×10-5/℃，兩者相差近10倍。傳統(tǒng)施工是將地暖盤管鋪設(shè)后與混凝土填充層澆為一體。當(dāng)送暖后，因地暖盤管與混凝土熱脹位移不同步，而受到混凝土的約束，使地面形成膨脹附加應(yīng)力，此應(yīng)力與地面熱脹應(yīng)力相疊加，更加大了地面剝離拱起的可能。1.4、初始送暖溫度急劇上升的影響大多數(shù)用戶不了解初始送暖溫度的升溫幅度要求，一般是將供水溫度一次送達(dá)60℃左右的設(shè)計(jì)溫度，形成溫度陡升，地面松弛效應(yīng)無法發(fā)揮，在急劇上升的熱脹應(yīng)力沖擊下會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。1.5、熱脹應(yīng)力積蓄的影響采暖期地板溫度可達(dá)50℃左右，而制冷期的地面最低溫度在16℃左右，兩者溫差為34℃。采暖期地面升溫加壓時(shí)的壓應(yīng)力比制冷期地面降溫消壓的拉應(yīng)力大，所以在1個(gè)采暖期時(shí)地面中仍有較大的壓應(yīng)力存在，地面中積蓄的壓應(yīng)力約為采暖期壓應(yīng)力的（1-34/50）×100%=32%，且采暖期的地面壓應(yīng)力隨采暖周期的增加而加大。但由于地面混凝土填充層與粘結(jié)層砂漿具有良好的早期松弛效應(yīng)，壓應(yīng)力由彈性變形緩慢的轉(zhuǎn)化為塑性變形而衰減。因此，一般采暖地面的壓應(yīng)力波峰在第二個(gè)采暖期發(fā)生，故常見的地板采暖輻射地面剝離拱起或斷裂的時(shí)間一般在交付使用2年后發(fā)生，與理論分析相吻合。2、地面熱伸長計(jì)算2.1、計(jì)算參數(shù)（1）、地面線膨脹系數(shù)取a=1.5×10-5/℃；（2）、采暖期地面最高溫度取T1=50℃；（3）、地面初始溫度取T2=50℃；（4）、地面計(jì)算長度取L=14000mm。2.2、地面伸長值計(jì)算△L=a△TL=1.5×10-5×（50-15）×14000=7.35mm，（1）當(dāng)?shù)孛骈L為7m時(shí)△L=a△TL=1.5×10-5×（50-15）×7000=3.7mm，（2）式中△L為地面吸熱時(shí)溫度伸長值；△T為地面采暖期溫度與地面初始溫度之差。結(jié)論：當(dāng)14m長的地面在中部（變形不動(dòng)點(diǎn)）設(shè)置≥10mm的柔性縫時(shí)，采暖期會(huì)在地面保溫層的鋁鉑隔離層上自由伸長△L=7.35mm，此時(shí)應(yīng)變?chǔ)?△L/L=5.25×10-4，應(yīng)力σ=0，故地面不會(huì)產(chǎn)生破壞；當(dāng)?shù)孛骈L度≤7m時(shí)，自由伸長值△L=3.7mm，如在地面四周墻根處設(shè)置≥10mm厚的聚苯板，可滿足自由伸長的需求，故此時(shí)應(yīng)力σ=0，地面也不會(huì)產(chǎn)生破壞。3、熱張應(yīng)力計(jì)算3.1、計(jì)算參數(shù)（1）、C20混凝土墊層（1：2干硬性砂漿粘接層）彈性摸量Ec=2.55×104N/mm2；（2）、地面軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fc=9.6N/mm2。3.2、熱脹應(yīng)力計(jì)算σmax=-Ea△T=2.55×104×1.5×105×（50-15）=13.4N/mm2，（3）fc=9.6N/mm2<σmax=13.4N/mm2，故地面產(chǎn)生壓潰斷裂；（4）當(dāng)采暖期地面溫度與初始地面溫度之差△T≤25℃時(shí)，σmax=-Ea△T=2.55×104×1.5×105×25=-9.56N/mm2，（5）fc=9.6N/mm2>σmax=9.56N/mm2，（6）滿足熱脹承載力要求，鼓地面不會(huì)破壞。4、地面粘接層抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算4.1、計(jì)算參數(shù)（1）、地面飾面粘結(jié)層實(shí)測(cè)粘接強(qiáng)度f=0.5N/mm2（2）、地面承受熱脹應(yīng)力的界面寬度b=78mm（40mm墊層+30mm粘結(jié)層+8mm飾面）（3）、熱脹應(yīng)力不動(dòng)點(diǎn)厚度h=1mm（不動(dòng)點(diǎn)附近飾面縫）；（4）、取1m寬地面為計(jì)算單元，熱脹應(yīng)力線荷載q=σ×1=13.4×10-3×1=0.0134KN/m；（5）、取計(jì)算跨度為開間凈尺寸L=3.96m。4.2、粘結(jié)層抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算Qmax=0.96Ql=0.6×0.0134×3.96=0.032KN，T=3Q/（2hb）=3×0.032×103/（2×78×1）=0.62N/mm2>f=0.5N/mm2，（7）故產(chǎn)生粘結(jié)層剪切破壞而使地面飾面位移，導(dǎo)致剝離拱起或折斷。5、地面防拱裂技術(shù)5.1、地暖安裝技術(shù)（1）、地暖保溫層采用設(shè)鋁鉑覆面的擠塑聚苯板，以滿足保溫層以上各構(gòu)造層整體自由脹縮的熱工性能和抗壓要求。（2）、地暖盤管應(yīng)按設(shè)計(jì)要求由遠(yuǎn)至近環(huán)向連續(xù)鋪設(shè)，不得設(shè)置接頭，不允許出現(xiàn)硬折彎，彎曲半徑應(yīng)≥8d（d為盤管外徑），并在彎曲部位外側(cè)設(shè)≥10mm的厚聚苯板緩沖帶，以吸收盤管熱脹應(yīng)力；（3）、鋪管前，盤管四周應(yīng)刷粉質(zhì)隔離層或包一層防潮紙，安裝管卡時(shí)應(yīng)與盤管間留≥2mm縫隙，以便采暖時(shí)和盤管自由伸長，防止地面產(chǎn)生附加應(yīng)力。5.2、地面緩沖層設(shè)置（1）、當(dāng)?shù)孛骈L度≤7m時(shí)，在地面四周墻角處粘貼≥10mm的聚苯板，其高度與地面飾面,以適應(yīng)地面熱伸長和吸收熱脹應(yīng)力；（2）、當(dāng)?shù)孛骈L度大于7m時(shí)，除應(yīng)在地面四周設(shè)緩沖層外，尚應(yīng)按公式（1）計(jì)算值乘1.5的富余系數(shù)在地面長度的中部（此處鋼絲網(wǎng)斷開）設(shè)聚苯板脹縫，以滿足地面較大的伸長值的需求，防止產(chǎn)生壓應(yīng)力；（3）、當(dāng)南向與北向臥室地面通過走廊相貫通時(shí)，還應(yīng)在各門口的裁口中線位置的地面上設(shè)置≥5m厚的聚苯板脹縫。5.3、地面混凝土填充層施工為防止盤管在澆混凝土?xí)r破壞，采用自流平混凝土泵送施工，上表面用木抹子反復(fù)搓毛和做好報(bào)濕養(yǎng)護(hù)，并安排專人看護(hù)好已安裝好的聚苯板緩沖層和脹縫。5.3、地面飾面施工（1）、地面磚等板塊飾面鑲貼前，在填充層預(yù)留的聚苯板脹縫處彈線切割取直，更換聚苯板并鑲嵌平直，高度與地面飾面上表面一平；（2）、竣工驗(yàn)收前，將脹縫處聚苯板用直徑相同的電烙鐵均勻烙入10mm深，然后采用耐侯硅酮膠填嵌光滑密實(shí)，作為永久性伸縮縫；（3）、鑲貼踢腳板時(shí)，地面墊起1mm，貼完后劃空地面砂漿，使其與地面飾面脫離，以防止影響地面自由伸長和導(dǎo)至踢腳板脫落。5.5、送暖升溫程序初次送暖應(yīng)緩慢加熱，控制水溫在20-30℃范圍運(yùn)行12h以上，以后每隔24小時(shí)控制溫升≤5℃，直至供水達(dá)到設(shè)計(jì)溫度。在設(shè)計(jì)工況下連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，并調(diào)節(jié)各路水溫達(dá)到基本均衡。以確保地板受熱均勻和縮小升溫梯度，發(fā)揮地面各結(jié)構(gòu)層的松弛效應(yīng)，提高極限抗壓強(qiáng)度，預(yù)防熱應(yīng)力沖擊破壞地面。6、技術(shù)效果6.1、傳統(tǒng)工藝施工的地面狀況某住宅小區(qū)總建筑面積170000平方米，均為低溫地板輻射采暖地面，C20混凝土填充層，1：2.5水泥砂漿加刮漿貼全瓷高級(jí)地板磚，客廳和餐廳地面貫通，地面長度為14.26米，9月份開始地面工程的施工。經(jīng)交付使用2個(gè)采暖期后，客廳與餐廳地面長度中部的地面磚，均不同程度的出現(xiàn)剝離拱起和斷裂現(xiàn)象。被迫進(jìn)行返工，并導(dǎo)致局部地暖管破壞，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。6.2、2003年我公司采取本項(xiàng)技術(shù)措施施工的當(dāng)?shù)厥薪ㄎ≌^(qū)8棟住宅樓工程，均為低溫地板輻射采暖地面，經(jīng)三個(gè)采暖期的運(yùn)行考驗(yàn)