锚栓用量对纯锚固岩棉保温系统抗风压性能的影响

2015-05-09唐健杨超马丹

新型建筑材料 2015年3期

唐健，杨超，马丹

（南京玻璃纤维研究设计院质检中心，江苏南京 210012）

建筑外保温系统的广泛使用对我国节能减排作出了巨大贡献。随着经济的发展和人们消防安全意识的提高，使用不燃材料——岩棉的外墙外保温系统在国内的使用越来越广泛[1-2]。岩棉外保温系统按使用的保温材料不同，主要分为岩棉板系统和岩棉条系统。岩棉板系统按施工工艺不同可分为干挂系统和薄抹灰系统，岩棉条系统一般为薄抹灰系统[3]。岩棉板薄抹灰系统是以锚固为主，粘结为辅的方式固定岩棉板[4-5]，岩棉条薄抹灰系统是以粘结为主，锚固为辅的方式固定岩棉条。

我国岩棉外保温系统的主要技术来源于欧洲。而我国幅员辽阔，不同气候区的环境条件差异巨大，建筑高度也远超欧洲，从欧盟获得的技术资料不能解决国内设计施工时遇到的所有问题；岩棉外墙外保温系统在我国使用的时间较短，积累的数据和工程经验有限，科研人员和工程技术人员对工程中问题的成因认识不清，也缺乏解决问题的方法。对设计人员来说，岩棉外保温系统的安全性是疑问最多的一个问题，系统的抗风压性能是影响系统安全的核心因素，抗风压性能的强弱直接影响系统的安全性[6]。系统的抗风压性能只能通过试验确定。

岩棉外保温系统现在还没有国家标准，抗风压性能的测试只能依照欧盟的标准或技术资料。欧盟的技术资料给出的系统抗风压性能测试方法有2种，分别为静态法和动态法[7]。因设备等条件的限制，动态法测试系统的负风压值无法一直提高，试验中很难使系统发生破坏。静态法即为静态泡沫块试验，需要在力学试验机上完成，可以持续加载直至试样破坏，能够得到可靠的数据[8]。岩棉条保温系统是以粘结为主，GB/T 25975—2010《建筑外墙外保温用岩棉制品》规定岩棉条拉伸强度要在80 kPa以上，它的强度与EPS板相当，因此，抗风压性能也不会比EPS保温系统差。岩棉板保温系统是以锚固为主，抗风压性能的构成比岩棉条系统要复杂很多，与基墙种类、锚栓性能、单位面积锚栓的用量以及锚栓的排列等因素都有关系。目前针对这些因素对系统抗风压性能影响的试验开展的很少，也无明确的结论。

本文采用静态法，通过2组试验，研究同种基层墙体单位面积上使用不同数量锚栓对岩棉板系统抗风压性能的影响。

1 试验

1.1 试验设计

本试验只研究单纯锚固对岩棉外保温系统抗风压性能的影响，因此，岩棉板只用锚栓锚固在基层墙体上。按照ETAG 004：2013中泡沫块试验无拼缝试样的要求制作试样。在0.72 m2岩棉（一整块岩棉）上使用锚栓的数量分别为4个、6个、8个、10个、12个。为获取充分的试验数据并验证试验结果，单块岩棉板上使用锚栓数量为4个、8个、12个的试样制备2组，单块岩棉板上使用相同数量锚栓的2组试样间只有岩棉板是相同的，其余材料采用相同规格不同厂家的产品。2组试样分别称为试验组和验证组，每组制备5个试样。试样的抹面层有2层玻纤网布，锚栓穿过其中1层网布。试样横截面示意见图1，各组试样的锚栓位置见图2。

图1 泡沫块试验试样横截面示意

图2 各组试样的锚栓位置

1.2 材料的选择

用C25水泥混凝土板作为基墙材料，尺寸为1400 mm×750 mm×100 mm，底部铺设钢筋网，浇筑完成后养护28 d。

选用 TR7.5，140 k，1200 mm×600 mm×50 mm 的岩棉板。

试验组试样和验证组试样使用的玻纤网布、锚栓和抹面砂浆由不同厂家生产。玻纤网布的规格均为160 g/m2，孔距5 mm×5 mm。锚栓均为Φ8×95 mm敲击式锚栓。试验组锚栓在C25混凝土中的拉拔承载力平均值为1870 N，验证组锚栓在C25混凝土中的拉拔承载力平均值为1390 N。

1.3 测试方法

将试样固定在试验机后，按照ETAG004：2013的规定，以10 mm/min的恒定速度施加拉伸加载，加载的过程要仔细观察，发现记录试样破坏的位置和破坏方式，加载一直持续到载荷下降到其最大值的1/2时停止，方便观察试样的破坏状况。

1.4 试验结果

在试验中记录试样承受的最大载荷，同时记录试样破坏的位置和破坏方式。试验结束后计算试样的拉伸强度、锚栓的平均承载力和不同条件下增加锚栓时每增加一个锚栓对系统承载力的贡献值。拉伸强度为试样承受的最大载荷（kN）除以试样的面积（0.72 m2）。

被测试的8组试样破坏形式和位置基本一致，大约80%是锚栓靠近基层墙面处的膨胀套管被拉断（见图3），剩下的20%是锚栓套管被拔出（见图4）。

图3 锚栓套管被拉断

图4 锚栓套管被拔出

1.4.1 试样的平均拉伸载荷和拉伸强度

试验组和验证组试样破坏时的拉伸载荷和拉伸强度分别见图5、见图6。

图5 试验组试样破坏时的拉伸载荷和拉伸强度

从图5可见：（1）锚栓数量由4个增加到8个时，试样破坏时的载荷基本呈线性增长，而锚栓数量为8个、10个、12个时，试样破坏时的载荷基本相同；（2）在单纯锚固的情况下试样的拉伸强度可达10 kPa。

从图6可见：（1）随着单位面积上锚栓数量的增加，试样破坏时的载荷一直在提高，从4个锚栓时的3003 N提高到12个锚栓时的9288 N，但是提高的幅度不断减小，锚栓数量从4个增加到8个时载荷从3.0 kN增加到7.1 kN，增大1.3倍，锚栓从8个增加到12个时载荷从7.1 kN增加到9.3 kN，增大0.3倍。（2）在单纯锚固的条件下，岩棉板保温系统的抗拉强度可达12.9 kPa。

图6 验证组试样破坏时的平均载荷和拉伸强度

1.4.2 试样的平均拉伸载荷和单个锚栓的承载力

试验组和验证组试样破坏时的平均载荷与单个锚栓承载力的关系分别见图7、见图8。

图7 试验组试样破坏时的平均载荷与单个锚栓承载力

图8 验证组试样破坏时的平均载荷与单个锚栓承载力

从图7可以看出：（1）锚栓数量为6个时，单个锚栓承载力最大；锚栓数量少于6个时单个锚栓的承载力随锚栓数量的增多而增大；锚栓数量多于6个时，单个锚栓的承载力随锚栓数量的增多而减小；（2）单个锚栓平均承载力的最大值是941 N，试样中使用的锚栓在混凝土墙中的抗拔承载力的平均值是1870 N，试样破坏时单个锚栓承载力平均值的最大值可达到其拉拔承载力的50.3%。（3）使用6个锚栓时相当于每平方米的锚栓用量是8个，此时锚栓的载力发挥的最大，因此认为每月平方米使用8个锚栓是最经济合理的选择。

从图8可以看出：（1）单个锚栓平均承载力的最大值有一个先上升后下降的过程；（2）单个锚栓平均最大承载力是883 N，试样中使用的锚栓在混凝土中的拉拔承载力平均值为1390 N，试样破坏时单个锚栓承载力平均值的最大值达到其抗拔承载力的63.5%。

1.4.3 不同条件下增加锚栓对系统承载力的作用

试验组和验证组每增加1个锚栓平均增加的承载力见表1。

表1 每增加1个锚栓系统平均增加的承载力 N

从表1可以看出：（1）试验组锚栓从4个增长到6个时，每增加1个锚栓系统承载力增加1076 N，在3种条件中增长较多，增加值达到锚栓在混凝土墙体中拉拔承载力平均值的57.5%；从6个增长到8个时，每增加1个锚栓系统承载力只增加746 N，与增长最大值相比下降了30.7%，只有锚栓拉拔承载力的39.9%。（2）验证组锚栓数量从4个增加到8个时，每增加1个锚栓系统的承载力增加1015 N，增加值达到锚栓在混凝土墙体中拉拔承载力平均值的73.0%；从8个增加到12个时，增加值只有557 N，与前一种情况相比增加值下降了45.1%，增加值只有锚栓拉拔承载力的40.1%，相当于锚栓只有40.1%的承载能力被利用。

比较2组试验中从4个增加到8个时的数据，试验组增加了911 N，验证组增加了1015 N，考虑到锚栓安装时的差异，这2个数值是较接近的。

从比较试验组和验证组的试验结果（见图7、图8）可以看出，2组试验结果的一致性较好，能够得出一定规律。但是在使用12个锚栓的2组试样中出现了明显的差异，试验组中使用12个锚栓的试样破坏的平均载荷为6900 N，而验证组中则高达9288 N，有了很大幅度的提高。从理论上分析，增加单位面积上锚栓的数量应该可以提高岩棉板保温系统的抗拉承载力，因此对照组的试验结果更为合理。因为一些因素的影响，如锚栓安装时的损伤、试验时载荷的偏心等使试验组中10个锚栓和12个锚栓试样的抗拉承载力偏低。综合2组试验结果，增加单位面积的锚栓使用量可以提高系统的抗拉承载力，但是随着使用锚栓数量的增多，平均每个锚栓对系统承载力的贡献在降低。分析试验组和验证组的试验结果可以发现，在不同条件下增加锚栓用量对提高系统承载力的贡献并不相同。

2 对结果的分析

针对锚栓从靠近墙面处断裂的破坏（见图3）形式，在泡沫块试验后专门对单个锚栓进行了拔出试验。在试验中发现：敲击式锚栓在安装时容易在靠近墙面的膨胀套管处形成挤压（见图9），因为金属钉的顶帽和锚盘面齐平时，金属钉的膨胀部分基本全部进入墙体，这时膨胀套管与孔洞间的摩擦力非常大，膨胀套管的强度不足，这时若继续锤击锚盘，就会造成膨胀套管在局部形成挤压破坏。局部挤压造成套管强度下降，因此在泡沫块试验时，当单个锚栓上承担的载荷超过它的承载能力后，锚栓的膨胀套管发生断裂破坏。

图9 锚栓套管的挤压变形

从试验结果可以看出，增加单位面积上锚栓的数量可以提高系统的承载力。当单位面积上的锚栓达到一定的数量后，再增加锚栓的数量对试样承载力的增加所起的作用很微弱。这是因为试样上安装的锚栓并不是同时破坏，而是一个接一个发生破坏。安装中的一些因素导致每个锚栓的承载力并不相同，随着试样上施加载荷的不断增大，每个锚栓承担的载荷也不断增大，当锚栓上施加的荷载超过承载力最弱的那个锚栓所能承受的极限时，这个锚栓就发生破坏，原来由它承担的那部分载荷就会分到与它邻近的锚栓上，致使邻近的锚栓也发生破坏。当第一个锚栓破坏后，其后发生的破坏是冲击作用产生的破坏，因此当单位面积锚栓使用量超过某个值时再增加锚栓的数量会降低单个锚栓承载力的平均值。