机械工业厂房地坪设计

1 机械厂房地面的组成及特点

厂房地坪主要由地基、垫层及面层组成, 根据地坪要求有时还需要增加填充层、防潮层、隔离层、找平层和结合层等构造层。有些机械工业厂房建筑单体体量很大, 地坪面积上万的厂房, 地坪的荷载从一般的30～50kPa, 甚至达到200 kPa。如此大面积的地坪, 耗材数量多, 对整个厂房的造价有直接的影响。如果地坪的设计及施工不到位, 将造成地坪开裂或沉降等问题, 影响生产, 而且对地坪修补加固会引起不必要的经济损失。

2 地基处理

地基是承受底层地面所有荷载的土层, 地基的处理需要根据地勘的实际情况做出应对措施。一般车间地坪的地基采用素土夯实, 填土的压实系数 (土的控制干容重与最大干容重的比值) 取0.94, 控制其含水量在规范许可的范围内。地坪回填土要求不得使用过湿土、淤泥、腐蚀土、冻土、膨胀土以及有机物含量大于8%的土。填土时应按《建筑地面设计规范》 (GB 50037-2013) 的要求, 分层压实。填土材料除特殊要求外, 可采用砂 (或砂石) 、碎石、粉煤灰等。

在上海等软弱地基地区, 大面积的车间地坪容易出现不均匀沉降, 工程中可以通过碎石夯入土中的方式来加固地基, 可在地基处理时结合降低地下水位和堆载预压的方式, 释放部分沉降。如果没有条件采用以上施工措施的, 还可以通过分期实施地坪方案, 先设临时地坪, 先使用一段时间, 沉降大部分完成后再实施正式的地坪, 但该方案影响工厂的正常生产, 较少使用。

在季节性冰冻区, 土壤冻胀程度主要取决于气温、土壤类别及其含水状况。气温下降迅速, 冻结速度快, 则形成整体构造冻土, 冻胀小;温度下降慢, 冻结速度慢, 冻胀情况反而严重。土壤含水量大时冻胀严重, 但含水量减低到某一值时, 土的冻胀率为零。在季节性冰冻区, 当标准冻深大于600mm, 冻深范围内的土为冻胀土或强冻胀土。厂房内的非采暖房间地坪应设防冻胀层, 比较成熟的防冻层做法主要利用中粗砂、砂卵石、炉渣石灰石等材料。

地基的承载力特征值应根据地面的要求在100～200kPa, 当地基不能满足设计要求或地坪荷载大于地坪地基的荷载, 并且通过换土、机械夯实不能满足使用要求时, 则考虑做复合地基。复合地基需要通过结构专业设计人员密切配合, 经过结构计算, 选用合理的基础加固措施。一般加固方式有水泥搅拌桩, 水泥搅拌桩的置换率可在8～12%, 桩长一般不少于8.0m, 桩端达到较好的土层;还可以用沉管灌注桩或预应力管桩, 沉桩到地基持力层中。对于特别重要的地坪, 可以做成架空钢筋混凝土结构地坪, 该地坪在工程中也有出现, 但建设费用很大。

3 垫层选择

在《建筑地面设计规范》中对垫层的定义是:建筑地基上设置承受并传递上部荷载的构造层。机械工业厂房的地坪一般为整体面层, 并且常有叉车或密集堆料, 应采用混凝土垫层、钢筋混凝土垫层或钢纤维混凝土垫层。垫层的厚度、配筋要求及混凝土的强度可根据《建筑地面设计规范》附录确定。

厂房地坪比较常用的是钢筋混凝土地坪, 钢筋混凝土地坪比普通的混凝土垫层多了单层双向或双层双向的地坪钢筋网片。钢筋网片中钢筋直径8～14mm, 间距150～200mm, 建议采用CRB550级冷轧带肋钢筋焊接网, 钢网设计强度为360MPa。焊接钢网的设计、制作、施工、验收等必须严格按照《钢筋焊接网混凝土结构技术规程》 (JGJ 114-2014) 相关规定执行。钢筋的直径应采用称重法检测公称直径, 并且必须做钢筋焊接网的拉伸、弯曲和抗剪力实验。以一个50kPa车间地坪垫层为例, 可以采用250mm厚C30钢筋混凝土, 内配R10@150双层双向成品冷轧焊接钢筋网片, 上层钢筋保留30～50mm的混凝土保护层, 下层钢筋保留30mm的混凝土保护层。

近几年来开始出现钢纤维混凝土垫层, 当钢纤维混凝土垫层表面经过打磨处理, 也可以直接作为面层使用。钢纤维混凝土是通过在水泥基混凝土中掺入三维乱向均匀分布的钢纤维形成的复合材料做成的, 其抗裂、耐磨性、抗冲击性等方面性能较好。在满足地基压实系数大于0.94, 单量弹性模量Ev2大于100MPa时, 钢纤维混凝土可实现较大范围的无缝地坪。相同厚度的钢纤维混凝土垫层与钢筋混凝土垫层比较, 钢纤维混凝土垫层的承载能力优于钢筋混凝土垫层。核算下来, 相同地坪荷载时其建设成本差距不明显, 但是钢纤维混凝土中的钢纤维是否能均匀分散在混凝土中, 对地坪品质优劣有决定性影响, 需要严格控制施工质量。

混凝土及钢筋混凝土垫层均需设置变形缝, 防止地坪荷载引起沉降及混凝土在水化过程中引起不规则的裂缝等。垫层的缩缝一般有企口缝、平头缝和假缝三种。

混凝土垫层纵向缩缝间距宜为3～6m, 横线间距宜为6～12m。钢筋混凝土垫层中构造钢筋的存在, 可减少混凝土的开裂, 其缩缝比一般混凝土垫层可以适当增加, 其纵向缩缝间距一般按厂房柱距确定, 柱距一般为6～12m。当大柱距时, 若施工找平有困难, 可将一个柱距分为两个或三个;横线间距一般为跨度尺寸, 为12～36m, 纵横向缩缝宽长比不宜大于1∶2 (纵向缝∶横线缝) 。车间缩缝两侧钢筋混凝土垫层可设直径12mm、间距500mm的双向加强筋, 并在两侧钢筋混凝土垫层之间设传力杆及套管, 使缩缝两侧钢筋混凝土垫层形成力的传递, 减少由受力不均带来的沉降, 同时不影响混凝土的收缩变形。

地坪与主体结构如果浇筑在一起, 在大面积重荷载的作用下会影响主体结构, 引起地面开裂, 所以在地坪和主体结构之间还需要设沉降缝, 沉降缝宽度一般为20mm, 内填聚苯泡沫板, 顶部缝内填20厚聚氨酯密封胶泥。柱边地坪每个角均配加强筋, 加强筋可采用5根直径8mm钢筋, 钢筋间距100mm, 垫层上下两层均设。

车间地坪中的垫层是传递上部荷载的重要部分, 垫层的材料、厚度和内部配筋的选择均会影响地坪的承载力, 而对垫层变形缝的类型、间距及构造节点的设置, 则会影响地坪完成后是否容易产生裂缝。所以, 在工程中不可忽视对垫层的设计。

4 面层选择

机械加工工业厂房的车间地坪表面, 因经常会受到车辆机械的摩擦及撞击, 一般选用骨料耐磨面层、环氧地坪漆、钢筋混凝土密封固化剂及钢纤维混凝土垫层兼面层等。

骨料耐磨面层材料主要由一定颗粒级配的精选骨料、特种水泥、特殊外界剂、颜料和聚合物组成, 采用干撒式方法直接施工于初凝阶段的混凝土表面, 获得比普通混凝土面层更好的耐磨和抗冲击性能。骨料耐磨面层的骨料主要包括非金属骨料、金属骨料及合金骨料。市场合金骨料地坪以锡钛合金型耐磨硬化地坪较为常见, 其在硬度、耐磨性、抗压性、耐腐蚀等方面的性能是最好的。该地坪具有高致密性、不起尘、防油的特点, 使用年限可达30年以上。而非金属骨料成本低廉, 性价比高, 虽然在各方面性能均不及金属和合金骨料, 但使用寿命也可达20年, 并满足普通厂房地坪的使用要求, 在实际工程中被大量使用。金属骨料耐磨地坪各方面的性能及价格居于非金属骨料及合金骨料之间, 用于对地坪有一定要求的车间。

环氧地坪漆主要的成膜基材是环氧树脂, 在环氧树脂中加入一定比例的固化剂进行反应, 交联形成网状结构的大分子, 环氧树脂由热塑性变为热固性。环氧地坪漆一次性涂覆成型、周期短、施工便捷、装饰性强、基层附着力强、表面强度高、易清洁。环氧地坪漆根据不同环境的需求发展出不同种类, 主要有如下六种:耐磨型环氧地坪漆、自流平环氧地坪漆、防静电环氧地坪漆、乙烯基酯重防腐环氧地坪漆、防滑型环氧地坪漆、水性透气型环氧地坪漆。各类环氧地坪漆适合不同的用途, 其中的耐磨型环氧地坪漆具有较高的附着力、耐磨性, 有较强的拉伸强度和硬度, 具有良好的抗冲击、承载力, 适合重载车辆车间地坪。环氧地坪漆耐磨性能不及骨料或混凝土密封固化剂地坪, 但环氧地坪漆颜色的选择范围及饱和度均是其他类型的耐磨地坪所不能达到的。

混凝土密封固化剂是一种无色透明的液体, 其主要通过3～5mm的有效渗透, 与混凝土和石造物中的氢氧化钙、铝化钙、硅酸钙等化学成分发生化学反应, 形成惰性晶体嵌入混凝土的毛细孔, 密封微细裂缝, 使混凝土中的各成分固化成坚固实体, 从而得到一个无尘、致密的整体, 极大地增强了混凝土表面硬度、密实度、耐磨性、强度以及耐久性能, 对暴露在环境中的混凝土结构能产生较好的防护作用, 能有效阻挡如油、碱及石灰等一些外来物质。利用这种混凝土结构, 地面保洁方便, 越用光泽度越好, 越来越亮, 最后可以出现大理石般的光泽。而单纯采用骨料的耐磨地坪, 其本身有多孔性及强碱性, 耐油性、耐腐蚀性及表面光亮度及硬度均不及经过密封固化剂处理的混凝土地坪面层。

车间地坪的面层根据工艺使用要求及工程预算可选择以上任何一种地坪, 也可以通过两种及以上地坪面层的组合, 如骨料耐磨地坪与混凝土密封固化剂组合使用或钢纤维混凝土面层与环氧地坪漆组合使用, 进一步提升地坪的性能。

5 功能构造层

一般地坪的基本构造为面层、垫层和地基, 当基本的构造层不能满足使用或构造要求时, 可以增加保温层、结合层、隔离层等其他构造层。

为规范工业建筑的节能设计, 2018年1月1日起开始执行《工业建筑节能设计统一标准》 (GB 51245-2017) , 该标准对在严寒和寒冷地区采用空调供暖的工业厂房地坪的地面提出保温的要求, 其中严寒地区地坪的热阻不小于1.1 (m2·k) /W, 寒冷地区地坪的热阻不小于0.5 (m2·k) /W。这就需要在地坪构造中增加保温层, 保温层一般有以下几种材料:XPS板、复合硅酸盐保温板、加气混凝土砌块、砂加气砌块、泡沫玻璃保温板、高强度乳化沥青珍珠岩保温板等。保温材料抗产品型号的不同, 抗压强度也不同。复合硅酸盐保温板抗压强度范围一般为400～1200kPa, XPS板抗压强度范围一般为150～700kPa, 加气混凝土砌块抗压强度范围一般为1000～10000kPa, 泡沫玻璃保温板抗压强度范围一般为500～800kPa, 高强度乳化沥青珍珠岩保温板抗压强度范围一般为2300～10000kPa, 设计时需要根据地坪荷载要求及当地采购难易程度来选择适合的保温材料。

6 结束语

机械工业厂房的地坪, 主要是以重载的耐磨地坪为主, 其设计理念在满足生产使用要求前提下, 通过分析工程所在地区地质条件和气候条件, 选择经济合理的地坪构造做法。地坪设计中没有最好的地坪做法, 只有最适合特定工程的地坪做法。本文对机械工业厂房地坪的设计做了概述, 希望对设计、施工人员在做机械工业厂房或类似重载耐磨地坪工程中提供有益借鉴。