地板辐射采暖地面防拱裂研究与应用技术.doc

地板辐射采暖地面防拱裂研究与应用技术

摘要：通过对低温地板辐射采暖地面剥离拱起现象的机理分析和热胀伸长值、热胀应力、砂浆粘结层抗剪强度等项定量研究，充分论证了此类地面发生问题的原因，并结合工程实践进行防拱裂技术研究与应用，收到良好的效果，填补了我国此项施工技术空白。

近年来，在住宅工程建设中，低温地板辐射采暖以地面辐射均匀、无气流感、人体感觉舒适的良好使用功能和新型塑料管材本身输送流体阻力小、耐腐蚀、寿命长、易安装等独特优势得到迅速推广应用。但因地板热胀力较大及设计与施工无配套技术，导致粘贴板块饰面剥离拱起或断裂，严重影响地面工程、甚至地暖系统正常使用，成为一项急待解决的普遍技术难题。
1、地板饰面剥离拱起的机理分析
1.1、地板吸热伸长的影响
低温地板辐射采暖的工作原理是，依靠遍布与地面混凝土填充层内的盘管将地板均匀加热，通过地面饰面向室内进行辐射。因此，地面吸热后需求适应热胀伸长。如一房间进深尺寸为L的地面在无约束状态承受均匀升温T，此地面将将产生自由伸长△L，地面内不产生应力，而只有应变，此时△L=a△TL，应变ε=△L/L=a△T，应力σ=0；如地面伸长受到完全约束时，则σ=σmax=-Ea△T，ε=0，地面不产生应变，而只有应力。在实际地面设计与施工中，地面混凝土填充层底面为保温层铝铂纸界面，次界面摩阻力很小，可忽略不计，可自由伸长考虑。但作为地面热胀伸长不动点的中部区域，而未设置涨缝时，热胀伸长将在不动点处受到约束而产生一相对作用的压应力和向上的弯曲力，当此应力大于地面轴心抗压强度和砂浆粘结强度时，便会产生地面压裂和饰面剥离拱起现象。
1.2、房间进深太大的影响
现代住宅设计布局一般是将大客厅与餐厅贯通为一体，做完地面饰面后再采用隔断做使用功能的分割；有的设计南向与北向卧室的走廊门相互对应，也形成了地面贯通。因此，地面的长边尺寸达14m左右。如此大的地面长度在采暖期将会产生较大的热伸长值，如未在适当部位设置胀缝时，此伸长值将转化为较大的约束应力，必定导致地面砖断裂或拱起。经过计算，当地面长度≤8m，采暖期地面温度与地面初始温度，△T≤20℃时，地面热胀变形在塑性变形范围，故在夏季施工的较小进深房间地面不产生地面断裂或拱起现象。

1.3、地面盘管热胀约束的影响
低温地板辐射采暖管材一般采用交联铝塑复合管（XPAP）、聚丁烯管（PB）、交联聚乙烯管（PE-X）等，线膨胀系数≥1.3×10-4/℃，而混凝土和砂浆的线膨胀系数为1.5×10-5/℃，两者相差近10倍。传统施工是将地暖盘管铺设后与混凝土填充层浇为一体。当送暖后，因地暖盘管与混凝土热胀位移不同步，而受到混凝土的约束，使地面形成膨胀附加应力，此应力与地面热胀应力相叠加，更加大了地面剥离拱起的可能。
1.4、初始送暖温度急剧上升的影响
大多数用户不了解初始送暖温度的升温幅度要求，一般是将供水温度一次送达60℃左右的设计温度，形成温度陡升，地面松弛效应无法发挥，在急剧上升的热胀应力冲击下会产生剪切破坏。
1.5、热胀应力积蓄的影响
采暖期地板温度可达50℃左右，而制冷期的地面最低温度在16℃左右，两者温差为34℃。采暖期地面升温加压时的压应力比制冷期地面降温消压的拉应力大，所以在1个采暖期时地面中仍有较大的压应力存在，地面中积蓄的压应力约为采暖期压应力的（1-34/50）×100%=32%，且采暖期的地面压应力随采暖周期的增加而加大。但由于地面混凝土填充层与粘结层砂浆具有良好的早期松弛效应，压应力由弹性变形缓慢的转化为塑性变形而衰减。因此，一般采暖地面的压应力波峰在第二个采暖期发生，故常见的地板采暖辐射地面剥离拱起或断裂的时间一般在交付使用2年后发生，与理论分析相吻合。
2、地面热伸长计算
2.1、计算参数
（1）、地面线膨胀系数取a=1.5×10-5/℃；
（2）、采暖期地面最高温度取T1=50℃；
（3）、地面初始温度取T2=50℃；
（4）、地面计算长度取L=14000mm。

2.2、地面伸长值计算
△L=a△TL=1.5×10-5×（50-15）×14000=7.35mm，（1）
当地面长为7m时△L=a△TL=1.5×10-5×（50-15）×7000=3.7mm，（2）
式中△L为地面吸热时温度伸长值；△T为地面采暖期温度与地面初始温度之差。
结论：当14m长的地面在中部（变形不动点）设置≥10mm的柔性缝时，采暖期会在地面保温层的铝铂隔离层上自由伸长△L=7.35mm，此时应变ε=△L/L=5.25×10-4，应力σ=0，故地面不会产生破坏；当地面长度≤7m时，自由伸长值△L=3.7mm，如在地面四周墙根处设置≥10mm厚的聚苯板，可满足自由伸长的需求，故此时应力σ=0，地面也不会产生破坏。
3、热张应力计算
3.1、计算参数
（1）、C20混凝土垫层（1：2干硬性砂浆粘接层）弹性摸量Ec=2.55×104N/mm2；
（2）、地面轴心抗压强度设计值fc=96N/mm2。
3.2、热胀应力计算
σmax=-Ea△T=2.55×104×1.5×105×（50-15）=13.4 N/mm2，（3）
fc=9.6 N/mm2<σmax=13.4 N/mm2，故地面产生压溃断裂；（4）
当采暖期地面温度与初始地面温度之差△T≤25℃时，
σmax=-Ea△T=2.55×104×1.5×105×25=-9.56 N/mm2，（5）
fc=9.6 N/mm2>σmax=9.56 N/mm2，（6）
满足热胀承载力要求，鼓地面不会破坏。
4、地面粘接层抗剪强度验算
4.1、计算参数
（1）、地面饰面粘结层实测粘接强度f=0.5 N/mm2
（2）、地面承受热胀应力的界面宽度b=78mm（40mm垫层+30mm粘结层+8mm饰面）
（3）、热胀应力不动点厚度h=1mm（不动点附近饰面缝）；
（4）、取1m宽地面为计算单元，热胀应力线荷载q=σ×1=13.4×10-3×1=0.0134K N/m；
（5）、取计算跨度为开间净尺寸L=3.96m。
4.2、粘结层抗剪强度验算

Qmax=0.96Ql=0.6×0.0134×3.96=0.032KN，T=3Q/（2hb）=3×0.032×103/（2×78×1）=0.62 N/mm2>f=0.5 N/mm2，（7）
故产生粘结层剪切破坏而使地面饰面位移，导致剥离拱起或折断。
5、地面防拱裂技术
5.1、地暖安装技术
（1）、地暖保温层采用设铝铂覆面的挤塑聚苯板，以满足保温层以上各构造层整体自由胀缩的热工性能和抗压要求。
（2）、地暖盘管应按设计要求由远至近环向连续铺设，不得设置接头，不允许出现硬折弯，弯曲半径应≥8d（d为盘管外径），并在弯曲部位外侧设≥10mm的厚聚苯板缓冲带，以吸收盘管热胀应力；
（3）、铺管前，盘管四周应刷粉质隔离层或包一层防潮纸，安装管卡时应与盘管间留≥2mm缝隙，以便采暖时和盘管自由伸长，防止地面产生附加应力。
5.2、地面缓冲层设置
（1）、当地面长度≤7m时，在地面四周墙角处粘贴≥10mm的聚苯板，其高度与地面饰面以适应地面热伸长和吸收热胀应力；
（2）、当地面长度大于7m时，除应在地面四周设缓冲层外，尚应按公式（1）计算值乘1.5的富余系数在地面长度的中部（此处钢丝网断开）设聚苯板胀缝，以满足地面较大的伸长值的需求，防止产生压应力；
（3）、当南向与北向卧室地面通过走廊相贯通时，还应在各门口的裁口中线位置的地面上设置≥5m厚的聚苯板胀缝。
5.3、地面混凝土填充层施工
为防止盘管在浇混凝土时破坏，采用自流平混凝土泵送施工，上表面用木抹子反复搓毛和做好报湿养护，并安排专人看护好已安装好的聚苯板缓冲层和胀缝。
5.3、地面饰面施工
（1）、地面砖等板块饰面镶贴前，在填充层预留的聚苯板胀缝处弹线切割取直，更换聚苯板并镶嵌平直，高度与地面饰面上表面一平；
（2）、竣工验收前，将胀缝处聚苯板用直径相同的电烙铁均匀烙入10mm深，然后采用耐侯硅酮胶填嵌光滑密实，作为永久性伸缩缝；
（3）、镶贴踢脚板时，地面垫起1mm，贴完后划空地面砂浆，使其与地面饰面脱离，以防止影响地面自由伸长和导至踢脚板脱落。

5.5、送暖升温程序
初次送暖应缓慢加热，控制水温在20-30℃范围运行12h以上，以后每隔24小时控制温升≤5℃，直至供水达到设计温度。在设计工况下连续运行24小时，并调节各路水温达到基本均衡。以确保地板受热均匀和缩小升温梯度，发挥地面各结构层的松弛效应，提高极限抗压强度，预防热应力冲击破坏地面。
6、技术效果
6.1、传统工艺施工的地面状况
某住宅小区总建筑面积170000平方米，均为低温地板辐射采暖地面，C20混凝土填充层，1：2.5水泥砂浆加刮浆贴全瓷高级地板砖，客厅和餐厅地面贯通，地面长度为14.26米，9月份开始地面工程的施工。经交付使用2个采暖期后，客厅与餐厅地面长度中部的地面砖，均不同程度的出现剥离拱起和断裂现象。被迫进行返工，并导致局部地暖管破坏，造成了严重的经济损失。
6.2、2003年我公司采取本项技术措施施工的当地市建委住宅小区8栋住宅楼工程，均为低温地板辐射采暖地面，经三个采暖期的运行考验，地面砖未出现变形、空鼓与开裂现象，实现了本科题预定研究目标。
7、结论
（1）、低温地板辐射采暖地面宜在夏季较高温时施工，使采暖期地面温度与地面初始温度之差△T≤20℃，以降低热胀应力值和伸长值，也不失为一个预防拱裂的良策。
（2）、依靠提高地面填充层混凝土强度和粘结层粘结强度控制地面拱起开裂是一个技术误区，应走“以防为主，降低温差，抗防并济”的技术路线，以最小的经济投入，解决较大的技术难题。