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抹灰外墻外保溫系統(ETICS)中如何選用巖棉板
在國內的巖棉外墻外保溫使用中,出于安全和市場(chǎng)的考慮,對
巖棉板
的強度進(jìn)行了限制。其出發(fā)點(diǎn)是:假設市場(chǎng)使用的巖棉較差,或者通過(guò)加設這一高要求,期望本來(lái)供貨的巖棉為了達到10KPa,廠(chǎng)家就必須提高產(chǎn)品質(zhì)量,或許這些廠(chǎng)家供貨的產(chǎn)品實(shí)際強度在7Kpa,而在實(shí)踐中,正規按照產(chǎn)品要求出貨,誠實(shí)的企業(yè)不得不提高產(chǎn)品的密度以達到10KPa的要求,而有些廠(chǎng)家通過(guò)一些偷梁換柱,以次充好,最終在市場(chǎng)中出現了 “劣品逐良品”,好的巖棉不僅沒(méi)有被推廣,反而被以次充好,影響了一個(gè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
要做到高抗拉強度的產(chǎn)品,需要將密度提高到一定的范圍,廠(chǎng)家為了達到要求,必須提高容重或有機物含量,但是有機物含量是有限制的(燃燒性能),所以只有提高容重;但是當容重(密度)被提高后,產(chǎn)品的最大厚度會(huì )被限制,以目前中國的生產(chǎn)產(chǎn)能看,2~2.5萬(wàn)噸級別的巖棉生產(chǎn)線(xiàn)都存在這一限制。
隨著(zhù)節能標準的不斷提高,保溫層的厚度增加;而且,隨著(zhù)巖棉容重的提高,導熱系數增加,對于保溫毫無(wú)幫助,而且還會(huì )降低性能;合適的產(chǎn)品對于社會(huì )資源來(lái)講,也可以減少更多的資源消耗。
參考國外的編制標準,在EN13500中,對礦物棉板用于外保溫復合系統的礦物棉板應該遵守EN 13162和表1的要求,在GB/T 25975-2010中,已經(jīng)將最低級別的強度提高到TR7.5了,如果在各地標中進(jìn)一步提高,對中國巖棉市場(chǎng)的發(fā)育是負面的,對于巖棉板的選擇余地將非常有限(表1)。
2 系統理論受力分析
除開(kāi)巖棉帶(國內也稱(chēng)豎絲巖棉)的應用,本節主要探討錨栓盤(pán)穿透網(wǎng)格布的應用方式。
做法:巖棉板,雙層網(wǎng)格布加強,錨栓固定,錨栓盤(pán)位于第一層網(wǎng)格布上(圖1)。
以下從不同的粘貼面積分析受力:
受力的過(guò)稱(chēng)參考下面,粘接面積較?。?0%~50%)的過(guò)程(圖2)。
在荷載很小的時(shí)候,整個(gè)巖棉板是參與受力的,而且巖棉板是主要的受力部位(圖3)。
當荷載較大,巖棉可能產(chǎn)生變形,可能的情形是:巖棉板彎曲,巖棉板內部剝離;或者,巖棉在錨栓固定的部位出現剪切破壞,一旦巖棉的抗拉強度達到極限,就可能出現右圖所示的局部剪切破壞,巖棉表現為斜向的破壞。在這一狀況下,主要受力的部位是:錨栓,錨栓盤(pán)與面層的砂漿層,以及在斜向上局部的巖棉還會(huì )起輔助受力。
從這一受力破壞的推理中可以很清晰看到,巖棉板使用錨栓固定時(shí),在錨栓的位置,巖棉板使用砂漿粘貼對受力的提高很多;而且,主要的濕熱荷載導致面層砂漿的變形,還有保溫層的變形,都需要基層與保溫層之間的粘接砂漿固定。所以,即便考慮全部由錨栓受力,也必須使用砂漿層粘貼。在上圖的模型中,錨栓將主要承受風(fēng)荷載,錨栓盤(pán)與面層砂漿網(wǎng)格布結合的部位承受風(fēng)荷載與濕熱荷載的組合荷載,而局部的巖棉板仍然受力。
當使用不同數量的錨栓時(shí),模型如下(圖4)。
每件板材使用3個(gè)錨栓固定(單位面積為4.2個(gè)),每個(gè)受力的單元如右圖,每個(gè)單元由4個(gè)錨栓承擔荷載,每個(gè)單元可以看成矩形區域(圖5)。
在增加錨栓數量,錨栓的排布參考上圖,呈交錯的排列,每件板材使用4個(gè)錨栓固定(單位面積為5.6個(gè)),每個(gè)受力單元為三角形,而且三角形受旁邊的影響。
如果從受力看,在適量增加錨栓數量的條件下,這樣的受力方式更合理;每個(gè)單元的面積大大減少(圖6)。
如果需要進(jìn)一步增加錨栓,每一個(gè)受力單元如果面積要有效減小,需要在一塊板材上加設8個(gè)錨栓(單位面積為11個(gè))。
如果考慮錨栓全部受力,如果簡(jiǎn)單地認為加設錨栓數量就一定能提高系統的荷載承受能力,理論上并不是!從理論的力學(xué)分析,關(guān)注到每個(gè)受力單元,在某些地方錨栓密。某些區域錨栓疏時(shí),針對整個(gè)系統而言,有效的錨栓只能考慮分布最極限的地方,當然,局部增加錨栓,會(huì )提高附近區域的承載力。
結合細部和受力的模型,從極限的條件看,受力可以使用錨栓全部受力,局部的巖棉也參與受力,巖棉受力的區域是剪切破壞后保留區域,而且巖棉板在剪切破壞(或變形)的過(guò)程中剪切力非常大,因為力的方向和主要的纖維垂直,如果假設錨栓盤(pán)和錨栓受力部位沒(méi)有位移,每個(gè)錨栓附近巖棉的剪切強度值會(huì )增加系統的整體強度。所以,在外墻用巖棉板中,當巖棉板的厚度增加時(shí),在其它條件不變的條件下,對整個(gè)系統的安全性能是會(huì )得到提升,因為巖棉受力后,在錨栓盤(pán)附近的剪切力會(huì )增加。在粘接面積較小的系統中(50%左右),系統的承載力由錨栓主導,同時(shí)和使用的巖棉板厚度、巖棉板的抗拉強度、剪切強度有一定的關(guān)系(圖7)。
當系統使用較多面積的砂漿粘貼時(shí),受力的情況便會(huì )發(fā)生稍許變化。和粘接面積較少區域相比,一旦粘接面積較大,巖棉在風(fēng)壓增加的過(guò)程中會(huì )主要參與受力。從巖棉板的應力與應變的關(guān)系看,巖棉即使達到破壞的強度,本身的變形仍然非常小,而且在荷載施加的過(guò)程中,由于面層的變形,荷載會(huì )傳遞到錨栓中,所以大面積的粘貼后,巖棉板的受力是保溫層與錨固件同時(shí)受力,如同前面的分析,在荷載相對較小的時(shí)候是巖棉主要(大面積)受力,當荷載較大,兩者共同受力,直到某個(gè)點(diǎn)出現破壞。
這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),即巖棉板的抗拉強度與粘接面積的配合問(wèn)題,并非全部粘貼就一定合理,參考圖8。
如前所述,即使滿(mǎn)粘設計,從實(shí)際工程中的情況看,實(shí)際的有效粘接面積也不過(guò)50%~70%,如果使用強度較大的巖棉滿(mǎn)粘,如強度TR10以上的產(chǎn)品,即使在最大的風(fēng)壓荷載(如風(fēng)壓達到5KPa),巖棉內部也不會(huì )出現破壞;但是,巖棉板和基層的粘接之間由于不是100%粘接,被荷載破壞的幾率可能大些,所以可能表現為巖棉板抗拉有效而粘接區域失效。
在這種條件下計算系統的承載能力時(shí),完全可以看做巖棉板主要受力,而錨栓則次要受力。
但是如果使用強度較低的巖棉板,粘貼面積為滿(mǎn)粘,出現的受力又是一種,見(jiàn)圖9。
巖棉滿(mǎn)粘,如使用強度較低的TR5(參考EN13500中的級別劃分),在受到荷載作用時(shí),巖棉內部出現破壞,在這種條件下,整個(gè)系統的受力承載力和局部粘接沒(méi)有太大的區別(圖10)。
所以在國外的礦棉(WM)應用于外墻中時(shí),在滿(mǎn)足荷載的條件下,有TR5的產(chǎn)品,而且粘接的面積很明確在大于40%,從純粹的力學(xué)分析看,歐洲的這種應用是有理論依據并且是合適的。
所以,關(guān)于巖棉板和錨栓結合的系統,在設計系統做法時(shí)如何選用巖棉級別和粘接面積,可以從以下的思路考慮:
首先明確巖棉的極端老化(參考ETAG中的試驗方法,70°C, RH95%, 28D)后的強度,考慮荷載;然后,如果荷載大于老化后的強度,粘接面積可使用40%~50%,對于強度較高的巖棉板,保留強度遠大于荷載時(shí),可以提高粘接面積以提高整個(gè)系統的強度。
在提高巖棉強度,錨栓的強度增加非常重要,錨栓的強度提高對整個(gè)系統的承載力提高起著(zhù)關(guān)鍵作用,反而盲目、隨意增加錨栓數量對系統承載力沒(méi)有任何幫助(圖11)。
3 系統強度的試驗驗證(參考ETAG004-2012)
出現破壞的點(diǎn)參考圖12、表2。
4 選用分析
巖棉板的強度使用TR7.5甚至更低級別完全是合適的,TR7.5的巖棉板,局部粘接,使用錨栓受力,粘接輔助,使用在一些風(fēng)壓不大的情況,是一種經(jīng)濟合理的方式;
使用高強度的巖棉板,可以提高粘接面積以達到整個(gè)系統的整體強度,在設計受力時(shí),計算方式需要以錨固受力或粘接受力來(lái)計算。
在以錨固受力計算時(shí),高素質(zhì)錨栓件的作用明顯,錨栓的排布也非常重要,要經(jīng)過(guò)設計,盲目增加錨栓數量或隨意安裝,對整個(gè)系統的力學(xué)承載力沒(méi)有任何貢獻。
較厚的巖棉板,如80mm以上,會(huì )對系統的安全有貢獻,但同時(shí)對于風(fēng)壓荷載下的變形提出了挑戰。
經(jīng)過(guò)上述的分析,依據已有的執行標準,在選用巖棉板時(shí),可參考示意圖13。
5 系統理論受力分析
巖棉板,單層網(wǎng)格布加強,錨栓固定在巖棉板上。
與前面的做法區別明顯,這種系統的特點(diǎn)是,錨栓直接固定在巖棉上,或者,錨栓盤(pán)可以做COUNT SUNK,也即錨栓可以沉入巖棉板表面之下,可以有效避免熱橋;成本最低,在滿(mǎn)足荷載要求的條件下,這種做法是最經(jīng)濟,施工快捷,而且受力的分析簡(jiǎn)單,在國外使用較多。
錨栓的固定方式有兩種,一種是固定在板材接縫的地方,如圖14。
在計算錨栓的有效使用時(shí),將錨栓固定在板材接縫的地方可以有效發(fā)揮錨栓的所用(圖15)。
另一種是錨栓固定在每件板材上,每件板材上的錨栓就只單獨對這件板材受力。在進(jìn)行受力分析時(shí)不同。參考圖16,錨栓作用在板材上時(shí),靠近板材邊緣的錨栓作用有限,影響區域會(huì )減少,在同樣力學(xué)要求下,錨栓的使用量會(huì )增加。
以下從不同的粘貼面積分析受力:
受力的過(guò)程參考下面,首先示意粘接面積較?。?0%~40%)的過(guò)程(圖17)。
在風(fēng)荷載和面層砂漿濕熱荷載的作用下,面層砂漿和巖棉層表面之間的粘接力是一個(gè)重要的考量指標,而面層砂漿和巖棉板之間的粘接的強度會(huì )完全體現在巖棉表面,所以,巖棉表面必須做好界面處理,讓巖棉和砂漿完全粘接好。從很多工程實(shí)踐可以看出,在進(jìn)行系統的拉拔試驗時(shí),或實(shí)驗室的試驗,或者工程中的拆除時(shí),破壞面多發(fā)生在巖棉的表面,砂漿僅僅粘貼了巖棉表面的纖維。
從上圖可以看出,面層砂漿和巖棉是完全獨立的。所以這里是關(guān)鍵的受力部位之一。
如果面層的粘接力足夠大,隨著(zhù)荷載的增加,主要的受力部位是巖棉與錨栓共同承擔(圖18)。
如果荷載進(jìn)一步增加,巖棉產(chǎn)生變形(從應力與彈性模量關(guān)系看,巖棉的變形其實(shí)有限),可能出現破壞的部位在于:巖棉層出現破壞,被拉力破壞;如果錨栓強度足夠大,也可能是在錨栓周?chē)膸r棉被拉穿破壞,也即是剪切破壞;如果錨栓的強度不夠,會(huì )將錨栓從基層中拔出。
在這種系統的分析中,巖棉其實(shí)一直在參與受力,至少在錨栓周?chē)膸r棉,只要錨栓沒(méi)有位移、錨栓盤(pán)強度足夠,錨栓整體沒(méi)有被破壞,巖棉一直參與受力。當然,前提是錨栓附近發(fā)熱巖棉與基層墻體之間有砂漿粘接固定。
無(wú)論是巖棉板被剪切破壞還是被拉伸破壞,巖棉和錨栓對整個(gè)系統起決定性的作用,提高巖棉板強度同時(shí)如果提高錨栓數量和錨栓的承載力,才能使整個(gè)系統的綜合力學(xué)性能平衡,即:面層的強度、保溫層與錨栓的強度接近,否則單純提高某一種材料是會(huì )導致浪費,也不會(huì )對系統整體的力學(xué)承載力提高。在一些模擬的計算中,如:使用TR7.5板材,每件板材使用0.4KN的錨栓比0.6KN的合理;而使用TR10巖棉板時(shí),使用強度大的錨栓、或增加錨栓數量就更合理,可以有效提高系統的強度。
6 系統強度的試驗驗證(參考ETAG004-2012)
出現破壞的點(diǎn)參考圖19、表3。
7 結語(yǔ)
在單層網(wǎng)格布的系統中,受力一般都已錨栓受力為主,粘接砂漿僅僅起輔助受力。錨栓的作用很大,使用高素質(zhì)的保溫錨栓非常重要,錨栓的排布也非常重要,是使用在接縫地方還是板材上需要做預先的設計;
在實(shí)際的系統設計時(shí),巖棉板的強度提高后,可以提高粘接面積已達到整個(gè)系統的整體強度,同時(shí)和面層砂漿的粘接強度一起系統考慮;
無(wú)論如何考慮設計受力,即使完全由錨栓承擔,巖棉都需要使用砂漿粘接,在錨栓盤(pán)壓住巖棉的部位有砂漿粘接到基層上;
提高巖棉板強度同時(shí)需要增加粘接面積才能發(fā)揮巖棉高強度(垂直于巖棉板表面的剪切力)的優(yōu)勢。
使用較厚的巖棉板(如80mm以上)可以得到更安全的系統。
經(jīng)過(guò)上述的分析,依據已有的執行標準,在選用巖棉板時(shí),不同種類(lèi)的系統,如何使用巖棉,可參考圖20。
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