射钉保温锚栓的分类及主要力学性能的测试研究

2021-04-20王彬马艺铭杨永杨玉忠张松浩姜召彩

新型建筑材料 2021年3期

王彬，马艺铭，杨永，杨玉忠，张松浩，姜召彩

（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2.建科环能科技有限公司，北京 100013；3.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013）

0 引言

建筑工程中的保温施工在保温行业中占据了相当大的比例，保温施工具有施工人员多、劳动强度大、高空作业频繁等特点。目前采用较多的建筑保温形式是薄抹灰外墙外保温系统，其主要采用粘锚结合的方式。这类传统锚固方式需要先打孔、清灰，然后安装锚栓，操作复杂、工作量大、施工质量难以保证。施工完成后经常发现锚栓深度不够、弯曲失效、旋入式锚栓敲击安装等。

为了提高施工质量、减少保温施工过程中的人力成本，保温行业中出现了射钉保温锚栓。射钉保温锚栓是在射钉技术上发展起来的一种新型锚固技术，经过多年发展，目前已经在保温行业较多使用。

射钉保温锚栓产品多数是以专利的形式进行生产，目前没有该产品的国家和行业标准，市场上该类型产品的质量也是参差不齐。而对于广大工程技术人员来说，如何对这一新型产品进行测试和科学评判更是难题。本研究通过对该类产品及具有类似功能的产品进行分析，对射钉保温锚栓进行分类；基于验收规范及JG/T 366—2012《外墙保温用锚栓》中对锚栓的要求选定测试项目，通过对比射钉保温锚栓和普通敲击式保温锚栓的抗拉承载力实验来研究射钉保温锚栓的性能，并按照锚栓产品型式检验的要求验证射钉保温锚栓的性能。

1 射钉保温锚栓

1.1 射钉保温锚栓的发展

射钉保温锚栓是一种以射钉器为安装工具，以火药爆炸或高压气体冲击等为动力敲击保温锚栓中的射钉，从而将其固定在基层墙体上的一种锚栓，目前主要应用于混凝土基层墙体和钢管束混凝土基层墙体。

目前市面上使用的大部分射钉保温锚栓的锚固技术主要依托于射钉技术。我国的射钉技术从20 世纪60 年代开始起步，经过多年发展，射钉技术已经广泛应用于建筑、安装、冶金等行业。目前射钉技术的标准主要是GB/T 18981—2008《射钉》，射钉保温锚栓所用的射钉通常是参照该标准进行生产制造，但对于射钉保温锚栓产品并不适用该标准。

射钉保温锚栓主要应用于薄抹灰外保温系统，其突出特点是施工速度快、工序简单。相关研究表明，建筑墙体保温锚固施工工效从目前的每人每天完成不足100 m2的保温层锚固，提升到每人每天可实现500～700 m2的墙体保温材料锚固，施工工效提高5～7 倍，锚固施工周期将缩短到原来的1/5或更短，具有较好的社会经济效益，市场前景广阔，近几年来市场占有率不断提高[1]。

射钉保温锚栓也存在较多问题：建筑行业对于射钉保温锚栓没有明确的分类，不能简单地将其归为普通敲击式锚栓；多数生产厂家提供的材料仅测试抗拉承载力；在外保温工程验收中缺少标准依据。

1.2 射钉保温锚栓的锚固原理及安装工具

射钉保温锚栓基本的构造是带圆盘塑料套管和金属射钉，其构造见图1。

图1 射钉保温锚栓构造

该类产品的锚固原理是射钉紧固原理：当射钉射入基层墙体时迫使其内部压缩，射击完后被挤压的混凝土产生反弹回复，在射钉上产生垂直钉体表面的侧摩擦阻力，将射钉固结。要拔出射钉就要克服混凝土压力下产生的巨大摩擦力。同时射入过程中产生的热量使混凝土和射钉烧结在一起，产生粘结力，这2 个力共同作用使射钉达到紧固目的[1]。

射钉器按照作用原理通常分为直接作用射钉器和间接作用射钉器[2]。为保证安全以及施工质量控制，保温行业多采用间接作用射钉器。目前市场上常用的射钉器依据动力来源可分为3 类：气动射钉器、瓦斯射钉器和火药射钉器。气动射钉器以空气压缩机作为动力来源，通过高压气体瞬间释放产生的动力进行工作；瓦斯射钉器是通过瓦斯气体在枪膛内与空气混合以电火花点燃爆炸产生推力工作；火药射钉器是通过射钉弹内的火药被激发产生动力进行射钉安装。

2 射钉保温锚栓的归类

射钉保温锚栓主要以专利作为技术标准进行生产，目前保温行业采用的保温锚栓产品标准为JG/T 366—2012，因此本研究参照该标准要求对射钉保温锚栓进行归类。目前JG/T 366—2012 中对保温锚栓的主要分类为旋入式锚栓和敲击式锚栓2 种。

本研究认为，应在该分类基础上增加射钉式锚栓：即通过敲击射钉使其射入基层墙体，产生侧摩擦力的锚栓。按照该类别对射钉保温锚栓进行归类管理，同时在JG/T 366—2012 未修订前暂时参照敲击式锚栓对射钉保温锚栓进行管理。

JG/T 366—2012 对于保温锚栓的分类与射钉保温锚栓的分类比对见表1。

表1 JG/T 366—2012 锚栓分类及与射钉保温锚栓的对比

在JG/T 366—2012 中外墙保温用锚栓的定义为：由膨胀件和膨胀套管组成，或仅由膨胀套管组成，依靠膨胀产生的摩擦力或机械锁定作用连接保温系统与基层墙体的机械固定件。射钉保温锚栓通常由射钉和带圆盘塑料套管组成，锚栓主要依靠射钉来提供抗拉承载力，可以认为射钉就是JG/T 366—2012定义中的膨胀套管。从表1 可以看出，虽然射钉保温锚栓和敲击式锚栓在承载机理略有区别，但是综合考虑相对接近。

因此本研究参照敲击式锚栓对射钉保温锚栓进行测试。

3 射钉保温锚栓与普通敲击式锚栓的

安装性能对比射钉保温锚栓和敲击式锚栓的安装方法对比见表2。

表2 2 种锚栓安装方法对比

表2 中锚栓的单个安装时间以较为熟练的工人在同等条件下安装1 个锚栓所需要的时间，不考虑移动安装位置及移动相关设备所需的时间。

外保温工程施工现场环境相对复杂、大部分属于高空作业，行业中多采用吊篮等设施在建筑外立面进行作业，难度要远大于在地面上，同时由于吊篮中空间有限、人员移动不便利等因素导致实际作业速度要低于地面上的速度，工序越复杂，越不容易顺利实施。从表2 可以看出，敲击式锚栓的安装方法比射钉保温锚栓要复杂得多。传统的锚栓施工安装往往需要进行2 次将吊篮从建筑立面底部升至顶部的作业，第1 次升吊篮进行打孔作业，第2 次升降吊篮进行安装锚栓作业。而射钉保温锚栓不需要钻孔、清理等工序，只需要1 次升降吊篮就可以完成锚固作业，极大地提升工作效率。射钉保温锚栓的安装时间约为传统锚栓的1/3，能极大地提升施工速度。

传统锚栓由于操作工序多，实际验收中经常出现下列问题：打孔深度不够、锚栓起不到作用，塑料套管长度大于膨胀件导致锚栓失效，由于安装工人操作不当锚栓在保温层中弯曲，为了便于施工故意采用大一号的钻头打孔等。射钉保温锚栓由于采用射钉安装方式，受人的因素影响相对较小，可以有效避免上述问题。

4 射钉保温锚栓的主要力学性能测试

4.1 射钉保温锚栓测试依据

国内节能工程验收的强制标准GB 50411—2019《建筑节能工程施工质量验收标准》中要求采用锚固件固定时，锚固件数量、位置、锚固深度和锚固力应符合设计和施工方案的要求；锚固力应进行现场拉拔试验。目前射钉保温锚栓主要应用于薄抹灰外保温系统，国家和行业内的验收标准如GB/T 29906—2013《模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料》对锚栓的主要性能要求同JG/T 366—2012 相同，而GB 50411—2019 仅提出了性能要求，没有规定锚固件的试验方法。在对射钉保温锚栓进行分类时也考虑按照JG/T 366—2012，因此在薄抹灰外保温系统验收中，射钉锚栓的测试方法按照JG/T 366—2012 进行相对合理。

4.2 试验

4.2.1 仪器与材料

高精度铆钉拉拔仪：量程为0～10 kN，准确度0.5 级；电子万能试验机：量程为0～10 kN，准确度0.5 级；混凝土基层墙体：强度等级为C25；火药射钉器：外墙保温紧固专用射钉器，适用于25～200 mm 厚保温层；射钉弹：威力等级5；射钉保温锚栓：市售3 种不同生产商产品，适用于50 mm 厚保温层，试验编号1#、2#、3#；敲击式圆盘锚栓：市售3 种不同生产商产品，型号为φ8×140，试验编号4#、5#、6#。

4.2.2 试验设计

JG/T 366—2012 中敲击式圆盘锚栓的型式检验要求有尺寸及公差、抗拉承载力标准值、锚栓圆盘抗拔力标准值、钻头磨损对锚栓抗拉承载力标准值的影响、锚栓的松弛性能、环境温度对锚栓抗拉承载力标准值的影响6 项指标。由于射钉保温锚栓不使用钻头，因此本研究不考虑钻头磨损对锚栓抗拉承载力标准值的影响实验；同时标准中要求的尺寸及公差指标也不符合射钉锚栓的要求，本研究不选取该项目；最终按照产品型式的要求，本研究对其他4 项指标进行试验研究。选取3 种射钉保温锚栓进行抗拉承载力（混凝土基层）和圆盘抗拔力测试，同时以保温行业内常用的敲击式圆盘锚栓作为典型产品进行抗拉承载力（混凝土基层）测试，试验采用JG/T 366—2012 中规定的C25 混凝土基层墙体。

4.3 抗拉承载力测试结果与分析

射钉保温锚栓抗拉承载力测试后典型破坏形式见图2。6种锚栓的抗拉承载力测试结果见表3。

图2 射钉保温锚栓抗拉承载力测试后典型破坏形式

由图2 可见，抗拉载力测试后射钉保温锚栓均出现塑料套管损坏的现象，射钉保温锚栓的射钉部分仍固定于基层墙体、无松动。而敲击式圆盘锚栓破坏形式均为锚栓破坏，试验后锚栓被拔出基层墙体、套管损坏。样品经测试后其射钉均固定于混凝土基层、牢固可靠，说明该类产品中射钉技术安全可靠。同时结合测试后试样破坏形式，认为在射钉安装正常情况下该类型射钉保温锚栓的抗拉承载力值大小主要取决于塑料套管的质量。

由表3 可以看出，所选3 种射钉保温锚栓的抗拉承载力标准值均小于敲击式圆盘锚栓测试结果。经分析，认为同等条件下敲击式圆盘锚栓安装采用先打孔后锚固，试样自身完整性好，受力时由塑料套管和金属膨胀件共同分担；射钉保温锚栓受力时塑料套管和射钉分别承受全部的力，因此射钉保温锚栓抗拉承载力较小。同时3 组射钉保温锚栓测试结果的变异系数均大于敲击式圆盘锚栓的变异系数，说明射钉保温锚栓抗拉性能的稳定性略弱于敲击式圆盘锚栓，相对于传统先打孔后锚固的方法，射钉安装工艺需要进一步改进。

4.4 圆盘抗拔承载力测试结果与分析

3 种射钉保温锚栓的圆盘抗拔承载力测试结果见表4。射钉保温锚栓抗拉承载力测试及典型破坏形式见图3。

图3 圆盘抗拔承载力测试及典型破坏形式

3 组试样圆盘抗拉承载力测试后主要呈现2 种破坏形式：圆盘变形以及与射钉连接部套管破坏。由表4 可以看出，试验后第1#、2#样品均呈现圆盘变形，即在试验过程中圆盘刚度不足，受弯变形后从夹具圆孔内脱落[见图3（b）]；3#样品为与射钉连接部套管破坏，即试验过程中圆盘仍保持完好、与射钉连接部套管破坏、射钉陷入套管内[见图3（c）]。

经分析，射钉保温锚栓的圆盘普遍没有加强肋，其圆盘抗拔承载力测试后的破坏形式与圆盘质量有关，即构成圆盘的塑料材质和塑料厚度：同种塑料材质，当圆盘厚度大时，其破坏形式主要以与射钉连接部套管破坏；当圆盘厚度小时，其破坏形式主要是圆盘变形。发生与射钉连接部套管破坏形式的试样其强度更高，更有利于产品性能提升。由表4 可以明显看出，3#样品发生与射钉连接部套管破坏，其抗拔力承载力最高；1#样品抗拔力承载力仅为0.23 kN，不符合JG/T 366—2012的要求，因此认为该组样品的圆盘构造存在严重缺陷。

同时从表3、表4 可以看出，对于同组射钉保温锚栓的圆盘抗拔承载力测试变异系数小于抗拉承载力测试的变异系数。

对比表3 和表4 中抗拉承载力和抗拔力承载力标准值可以看出，3#试样的2 种试验结果相差较小，而该组锚栓的2 种试验均为塑料套管破坏，因此也验证了塑料套管决定了射钉保温锚栓的产品性能。1#样品的抗拉承载力测试结果远大于圆盘抗拉力测试结果，这是由于该组样品圆盘存在明显缺陷造成的，其抗拉承载力测试后试样为套管破坏、圆盘抗拔力测试后试样为圆盘变形。

4.5 锚栓的松弛性能测试结果与分析

锚栓的松弛性能是将锚栓在标准实验环境中安装在基层墙体上并放置500 h 后进行抗拉承载力测试的一种长期性能测试。JG/T 366—2012 中要求锚栓经过松弛处理后，其抗拉强度标准值不小于标准条件下抗拉强度测试值。3 种射钉保温锚栓的测试结果见表5。

表5 锚栓的松弛性能

从表5 可以看出，安装后经过500 h 后射钉保温锚栓的抗拉强度没有明显变化，这说明射钉保温锚栓能够长时间保持原有的力学性能，可为相关保温系统提供可靠的支撑力。

4.6 环境温度对锚栓抗拉承载力标准值的影响测试结果与分析

环境温度对锚栓抗拉承载力标准值的影响测试是将锚栓安装在基层墙体上，分成2 组分别放入0 ℃和40 ℃环境中处理24 h 后再进行抗拉强度承载力测试的一种耐久性测试。JG/T 366—2012 要求锚栓经过0 ℃处理后其抗拉强度标准值不小于标准条件下抗拉强度测试值，经过40 ℃处理后其抗拉强度标准值不小于标准条件下抗拉强度测试值的0.8 倍。3 种射钉保温锚栓的测试结果见表6。

从表6 可以看出：（1）经过0 ℃条件下处理24 h 后锚栓的抗拉承载力标准值均出现不同程度的提高；经40 ℃条件下处理过的锚栓的抗拉强度承载力均出现不同程度的降低；实验后射钉均紧固在混凝土基层上，锚栓的破坏部位集中于塑料套管和圆盘。分析认为射钉保温锚栓破坏部位集中于塑料套管和圆盘，这二者自身强度决定了锚栓的最终强度，而带圆盘塑料套管在低温条件下变硬、高温条件下变软，从而导致射钉保温锚栓在低温时强度变大、低温时强度降低。（2）射钉保温锚栓受环境温度的程度能满足安全使用的要求，提供足够的支持力。同时根据处理后标准值变化率可以看出，高温对于射钉保温锚栓的影响更大，在实际应用中应注意高温的环境影响。