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抹灰外墙外保温系统(ETICS)中如何选用岩棉板

在国内的岩棉外墙外保温使用中,出于安全和市场的考虑,对岩棉板的强度进行了限制。其出发点是:假设市场使用的岩棉较差,或者通过加设这一高要求,期望本来供货的岩棉为了达到10KPa,厂家就必须提高产品质量,或许这些厂家供货的产品实际强度在7Kpa,而在实践中,正规按照产品要求出货,诚实的企业不得不提高产品的密度以达到10KPa的要求,而有些厂家通过一些偷梁换柱,以次充好,最终在市场中出现了 “劣品逐良品”,好的岩棉不仅没有被推广,反而被以次充好,影响了一个产业的健康发展。

要做到高抗拉强度的产品,需要将密度提高到一定的范围,厂家为了达到要求,必须提高容重或有机物含量,但是有机物含量是有限制的(燃烧性能),所以只有提高容重;但是当容重(密度)被提高后,产品的最大厚度会被限制,以目前中国的生产产能看,2~2.5万吨级别的岩棉生产线都存在这一限制。

随着节能标准的不断提高,保温层的厚度增加;而且,随着岩棉容重的提高,导热系数增加,对于保温毫无帮助,而且还会降低性能;合适的产品对于社会资源来讲,也可以减少更多的资源消耗。

参考国外的编制标准,在EN13500中,对矿物棉板用于外保温复合系统的矿物棉板应该遵守EN 13162和表1的要求,在GB/T 25975-2010中,已经将最低级别的强度提高到TR7.5了,如果在各地标中进一步提高,对中国岩棉市场的发育是负面的,对于岩棉板的选择余地将非常有限(表1)。

2 系统理论受力分析

除开岩棉带(国内也称竖丝岩棉)的应用,本节主要探讨锚栓盘穿透网格布的应用方式。

做法:岩棉板,双层网格布加强,锚栓固定,锚栓盘位于第一层网格布上(图1)。

以下从不同的粘贴面积分析受力:

受力的过称参考下面,粘接面积较小(40%~50%)的过程(图2)。

在荷载很小的时候,整个岩棉板是参与受力的,而且岩棉板是主要的受力部位(图3)。

当荷载较大,岩棉可能产生变形,可能的情形是:岩棉板弯曲,岩棉板内部剥离;或者,岩棉在锚栓固定的部位出现剪切破坏,一旦岩棉的抗拉强度达到极限,就可能出现右图所示的局部剪切破坏,岩棉表现为斜向的破坏。在这一状况下,主要受力的部位是:锚栓,锚栓盘与面层的砂浆层,以及在斜向上局部的岩棉还会起辅助受力。

从这一受力破坏的推理中可以很清晰看到,岩棉板使用锚栓固定时,在锚栓的位置,岩棉板使用砂浆粘贴对受力的提高很多;而且,主要的湿热荷载导致面层砂浆的变形,还有保温层的变形,都需要基层与保温层之间的粘接砂浆固定。所以,即便考虑全部由锚栓受力,也必须使用砂浆层粘贴。在上图的模型中,锚栓将主要承受风荷载,锚栓盘与面层砂浆网格布结合的部位承受风荷载与湿热荷载的组合荷载,而局部的岩棉板仍然受力。

当使用不同数量的锚栓时,模型如下(图4)。

每件板材使用3个锚栓固定(单位面积为4.2个),每个受力的单元如右图,每个单元由4个锚栓承担荷载,每个单元可以看成矩形区域(图5)。

在增加锚栓数量,锚栓的排布参考上图,呈交错的排列,每件板材使用4个锚栓固定(单位面积为5.6个),每个受力单元为三角形,而且三角形受旁边的影响。

如果从受力看,在适量增加锚栓数量的条件下,这样的受力方式更合理;每个单元的面积大大减少(图6)。

如果需要进一步增加锚栓,每一个受力单元如果面积要有效减小,需要在一块板材上加设8个锚栓(单位面积为11个)。

如果考虑锚栓全部受力,如果简单地认为加设锚栓数量就一定能提高系统的荷载承受能力,理论上并不是!从理论的力学分析,关注到每个受力单元,在某些地方锚栓密。某些区域锚栓疏时,针对整个系统而言,有效的锚栓只能考虑分布最极限的地方,当然,局部增加锚栓,会提高附近区域的承载力。

结合细部和受力的模型,从极限的条件看,受力可以使用锚栓全部受力,局部的岩棉也参与受力,岩棉受力的区域是剪切破坏后保留区域,而且岩棉板在剪切破坏(或变形)的过程中剪切力非常大,因为力的方向和主要的纤维垂直,如果假设锚栓盘和锚栓受力部位没有位移,每个锚栓附近岩棉的剪切强度值会增加系统的整体强度。所以,在外墙用岩棉板中,当岩棉板的厚度增加时,在其它条件不变的条件下,对整个系统的安全性能是会得到提升,因为岩棉受力后,在锚栓盘附近的剪切力会增加。在粘接面积较小的系统中(50%左右),系统的承载力由锚栓主导,同时和使用的岩棉板厚度、岩棉板的抗拉强度、剪切强度有一定的关系(图7)。

当系统使用较多面积的砂浆粘贴时,受力的情况便会发生稍许变化。和粘接面积较少区域相比,一旦粘接面积较大,岩棉在风压增加的过程中会主要参与受力。从岩棉板的应力与应变的关系看,岩棉即使达到破坏的强度,本身的变形仍然非常小,而且在荷载施加的过程中,由于面层的变形,荷载会传递到锚栓中,所以大面积的粘贴后,岩棉板的受力是保温层与锚固件同时受力,如同前面的分析,在荷载相对较小的时候是岩棉主要(大面积)受力,当荷载较大,两者共同受力,直到某个点出现破坏。

这里有个关键点,即岩棉板的抗拉强度与粘接面积的配合问题,并非全部粘贴就一定合理,参考图8。

如前所述,即使满粘设计,从实际工程中的情况看,实际的有效粘接面积也不过50%~70%,如果使用强度较大的岩棉满粘,如强度TR10以上的产品,即使在最大的风压荷载(如风压达到5KPa),岩棉内部也不会出现破坏;但是,岩棉板和基层的粘接之间由于不是100%粘接,被荷载破坏的几率可能大些,所以可能表现为岩棉板抗拉有效而粘接区域失效。

在这种条件下计算系统的承载能力时,完全可以看做岩棉板主要受力,而锚栓则次要受力。

但是如果使用强度较低的岩棉板,粘贴面积为满粘,出现的受力又是一种,见图9。

岩棉满粘,如使用强度较低的TR5(参考EN13500中的级别划分),在受到荷载作用时,岩棉内部出现破坏,在这种条件下,整个系统的受力承载力和局部粘接没有太大的区别(图10)。

所以在国外的矿棉(WM)应用于外墙中时,在满足荷载的条件下,有TR5的产品,而且粘接的面积很明确在大于40%,从纯粹的力学分析看,欧洲的这种应用是有理论依据并且是合适的。

所以,关于岩棉板和锚栓结合的系统,在设计系统做法时如何选用岩棉级别和粘接面积,可以从以下的思路考虑:

首先明确岩棉的极端老化(参考ETAG中的试验方法,70°C, RH95%, 28D)后的强度,考虑荷载;然后,如果荷载大于老化后的强度,粘接面积可使用40%~50%,对于强度较高的岩棉板,保留强度远大于荷载时,可以提高粘接面积以提高整个系统的强度。

在提高岩棉强度,锚栓的强度增加非常重要,锚栓的强度提高对整个系统的承载力提高起着关键作用,反而盲目、随意增加锚栓数量对系统承载力没有任何帮助(图11)。

3 系统强度的试验验证(参考ETAG004-2012)

出现破坏的点参考图12、表2。

4 选用分析

岩棉板的强度使用TR7.5甚至更低级别完全是合适的,TR7.5的岩棉板,局部粘接,使用锚栓受力,粘接辅助,使用在一些风压不大的情况,是一种经济合理的方式;

使用高强度的岩棉板,可以提高粘接面积以达到整个系统的整体强度,在设计受力时,计算方式需要以锚固受力或粘接受力来计算。

在以锚固受力计算时,高素质锚栓件的作用明显,锚栓的排布也非常重要,要经过设计,盲目增加锚栓数量或随意安装,对整个系统的力学承载力没有任何贡献。

较厚的岩棉板,如80mm以上,会对系统的安全有贡献,但同时对于风压荷载下的变形提出了挑战。

经过上述的分析,依据已有的执行标准,在选用岩棉板时,可参考示意图13。

5 系统理论受力分析

岩棉板,单层网格布加强,锚栓固定在岩棉板上。

与前面的做法区别明显,这种系统的特点是,锚栓直接固定在岩棉上,或者,锚栓盘可以做COUNT SUNK,也即锚栓可以沉入岩棉板表面之下,可以有效避免热桥;成本最低,在满足荷载要求的条件下,这种做法是最经济,施工快捷,而且受力的分析简单,在国外使用较多。

锚栓的固定方式有两种,一种是固定在板材接缝的地方,如图14。

在计算锚栓的有效使用时,将锚栓固定在板材接缝的地方可以有效发挥锚栓的所用(图15)。

另一种是锚栓固定在每件板材上,每件板材上的锚栓就只单独对这件板材受力。在进行受力分析时不同。参考图16,锚栓作用在板材上时,靠近板材边缘的锚栓作用有限,影响区域会减少,在同样力学要求下,锚栓的使用量会增加。

以下从不同的粘贴面积分析受力:

受力的过程参考下面,首先示意粘接面积较小(20%~40%)的过程(图17)。

在风荷载和面层砂浆湿热荷载的作用下,面层砂浆和岩棉层表面之间的粘接力是一个重要的考量指标,而面层砂浆和岩棉板之间的粘接的强度会完全体现在岩棉表面,所以,岩棉表面必须做好界面处理,让岩棉和砂浆完全粘接好。从很多工程实践可以看出,在进行系统的拉拔试验时,或实验室的试验,或者工程中的拆除时,破坏面多发生在岩棉的表面,砂浆仅仅粘贴了岩棉表面的纤维。

从上图可以看出,面层砂浆和岩棉是完全独立的。所以这里是关键的受力部位之一。

如果面层的粘接力足够大,随着荷载的增加,主要的受力部位是岩棉与锚栓共同承担(图18)。

如果荷载进一步增加,岩棉产生变形(从应力与弹性模量关系看,岩棉的变形其实有限),可能出现破坏的部位在于:岩棉层出现破坏,被拉力破坏;如果锚栓强度足够大,也可能是在锚栓周围的岩棉被拉穿破坏,也即是剪切破坏;如果锚栓的强度不够,会将锚栓从基层中拔出。

在这种系统的分析中,岩棉其实一直在参与受力,至少在锚栓周围的岩棉,只要锚栓没有位移、锚栓盘强度足够,锚栓整体没有被破坏,岩棉一直参与受力。当然,前提是锚栓附近发热岩棉与基层墙体之间有砂浆粘接固定。

无论是岩棉板被剪切破坏还是被拉伸破坏,岩棉和锚栓对整个系统起决定性的作用,提高岩棉板强度同时如果提高锚栓数量和锚栓的承载力,才能使整个系统的综合力学性能平衡,即:面层的强度、保温层与锚栓的强度接近,否则单纯提高某一种材料是会导致浪费,也不会对系统整体的力学承载力提高。在一些模拟的计算中,如:使用TR7.5板材,每件板材使用0.4KN的锚栓比0.6KN的合理;而使用TR10岩棉板时,使用强度大的锚栓、或增加锚栓数量就更合理,可以有效提高系统的强度。

6 系统强度的试验验证(参考ETAG004-2012)

出现破坏的点参考图19、表3。

7 结语

在单层网格布的系统中,受力一般都已锚栓受力为主,粘接砂浆仅仅起辅助受力。锚栓的作用很大,使用高素质的保温锚栓非常重要,锚栓的排布也非常重要,是使用在接缝地方还是板材上需要做预先的设计;

在实际的系统设计时,岩棉板的强度提高后,可以提高粘接面积已达到整个系统的整体强度,同时和面层砂浆的粘接强度一起系统考虑;

无论如何考虑设计受力,即使完全由锚栓承担,岩棉都需要使用砂浆粘接,在锚栓盘压住岩棉的部位有砂浆粘接到基层上;

提高岩棉板强度同时需要增加粘接面积才能发挥岩棉高强度(垂直于岩棉板表面的剪切力)的优势。

使用较厚的岩棉板(如80mm以上)可以得到更安全的系统。

经过上述的分析,依据已有的执行标准,在选用岩棉板时,不同种类的系统,如何使用岩棉,可参考图20。

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