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      行業新聞

      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,出于安全和市場的考慮,對巖棉板的強度進行了限制。其出發點是:假設市場使用的巖棉較差,或者通過加設這一高要求,期望本來供貨的巖棉為了達到10KPa,廠家就必須提高產品質量,或許這些廠家供貨的產品實際強度在7Kpa,而在實踐中,正規按照產品要求出貨,誠實的企業不得不提高產品的密度以達到10KPa的要求,而有些廠家通過一些偷梁換柱,以次充好,最終在市場中出現了 “劣品逐良品”,好的巖棉不僅沒有被推廣,反而被以次充好,影響了一個產業的健康發展。

      要做到高抗拉強度的產品,需要將密度提高到一定的范圍,廠家為了達到要求,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,產品的最大厚度會被限制,以目前中國的生產產能看,2~2.5萬噸級別的巖棉生產線都存在這一限制。

      隨著節能標準的不斷提高,保溫層的厚度增加;而且,隨著巖棉容重的提高,導熱系數增加,對于保溫毫無幫助,而且還會降低性能;合適的產品對于社會資源來講,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,已經將最低級別的強度提高到TR7.5了,如果在各地標中進一步提高,對中國巖棉市場的發育是負面的,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

      除開巖棉帶(國內也稱豎絲巖棉)的應用,本節主要探討錨栓盤穿透網格布的應用方式。

      做法:巖棉板,雙層網格布加強,錨栓固定,錨栓盤位于第一層網格布上(圖1)。

      以下從不同的粘貼面積分析受力:

      受力的過稱參考下面,粘接面積較?。?0%~50%)的過程(圖2)。

      在荷載很小的時候,整個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,錨栓盤與面層的砂漿層,以及在斜向上局部的巖棉還會起輔助受力。

      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,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,錨栓將主要承受風荷載,錨栓盤與面層砂漿網格布結合的部位承受風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,模型如下(圖4)。

      每件板材使用3個錨栓固定(單位面積為4.2個),每個受力的單元如右圖,每個單元由4個錨栓承擔荷載,每個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個錨栓固定(單位面積為5.6個),每個受力單元為三角形,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;每個單元的面積大大減少(圖6)。

      如果需要進一步增加錨栓,每一個受力單元如果面積要有效減小,需要在一塊板材上加設8個錨栓(單位面積為11個)。

      如果考慮錨栓全部受力,如果簡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!從理論的力學分析,關注到每個受力單元,在某些地方錨栓密。某些區域錨栓疏時,針對整個系統而言,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,如果假設錨栓盤和錨栓受力部位沒有位移,每個錨栓附近巖棉的剪切強度值會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,在其它條件不變的條件下,對整個系統的安全性能是會得到提升,因為巖棉受力后,在錨栓盤附近的剪切力會增加。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系(圖7)。

      當系統使用較多面積的砂漿粘貼時,受力的情況便會發生稍許變化。和粘接面積較少區域相比,一旦粘接面積較大,巖棉在風壓增加的過程中會主要參與受力。從巖棉板的應力與應變的關系看,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程中,由于面層的變形,荷載會傳遞到錨栓中,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受力,如同前面的分析,在荷載相對較小的時候是巖棉主要(大面積)受力,當荷載較大,兩者共同受力,直到某個點出現破壞。

      這里有個關鍵點,即巖棉板的抗拉強度與粘接面積的配合問題,并非全部粘貼就一定合理,參考圖8。

      如前所述,即使滿粘設計,從實際工程中的情況看,實際的有效粘接面積也不過50%~70%,如果使用強度較大的巖棉滿粘,如強度TR10以上的產品,即使在最大的風壓荷載(如風壓達到5KPa),巖棉內部也不會出現破壞;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,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,粘貼面積為滿粘,出現的受力又是一種,見圖9。

      巖棉滿粘,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,巖棉內部出現破壞,在這種條件下,整個系統的受力承載力和局部粘接沒有太大的區別(圖10)。

      所以在國外的礦棉(WM)應用于外墻中時,在滿足荷載的條件下,有TR5的產品,而且粘接的面積很明確在大于40%,從純粹的力學分析看,歐洲的這種應用是有理論依據并且是合適的。

      所以,關于巖棉板和錨栓結合的系統,在設計系統做法時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,可以提高粘接面積以提高整個系統的強度。

      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系統的承載力提高起著關鍵作用,反而盲目、隨意增加錨栓數量對系統承載力沒有任何幫助(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,使用在一些風壓不大的情況,是一種經濟合理的方式;

      使用高強度的巖棉板,可以提高粘接面積以達到整個系統的整體強度,在設計受力時,計算方式需要以錨固受力或粘接受力來計算。

      在以錨固受力計算時,高素質錨栓件的作用明顯,錨栓的排布也非常重要,要經過設計,盲目增加錨栓數量或隨意安裝,對整個系統的力學承載力沒有任何貢獻。

      較厚的巖棉板,如80mm以上,會對系統的安全有貢獻,但同時對于風壓荷載下的變形提出了挑戰。

      經過上述的分析,依據已有的執行標準,在選用巖棉板時,可參考示意圖13。

      5 系統理論受力分析

      巖棉板,單層網格布加強,錨栓固定在巖棉板上。

      與前面的做法區別明顯,這種系統的特點是,錨栓直接固定在巖棉上,或者,錨栓盤可以做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,在滿足荷載要求的條件下,這種做法是最經濟,施工快捷,而且受力的分析簡單,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,將錨栓固定在板材接縫的地方可以有效發揮錨栓的所用(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。在進行受力分析時不同。參考圖16,錨栓作用在板材上時,靠近板材邊緣的錨栓作用有限,影響區域會減少,在同樣力學要求下,錨栓的使用量會增加。

      以下從不同的粘貼面積分析受力:

      受力的過程參考下面,首先示意粘接面積較?。?0%~40%)的過程(圖17)。

      在風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。從很多工程實踐可以看出,在進行系統的拉拔試驗時,或實驗室的試驗,或者工程中的拆除時,破壞面多發生在巖棉的表面,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。所以這里是關鍵的受力部位之一。

      如果面層的粘接力足夠大,隨著荷載的增加,主要的受力部位是巖棉與錨栓共同承擔(圖18)。

      如果荷載進一步增加,巖棉產生變形(從應力與彈性模量關系看,巖棉的變形其實有限),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,也可能是在錨栓周圍的巖棉被拉穿破壞,也即是剪切破壞;如果錨栓的強度不夠,會將錨栓從基層中拔出。

      在這種系統的分析中,巖棉其實一直在參與受力,至少在錨栓周圍的巖棉,只要錨栓沒有位移、錨栓盤強度足夠,錨栓整體沒有被破壞,巖棉一直參與受力。當然,前提是錨栓附近發熱巖棉與基層墻體之間有砂漿粘接固定。

      無論是巖棉板被剪切破壞還是被拉伸破壞,巖棉和錨栓對整個系統起決定性的作用,提高巖棉板強度同時如果提高錨栓數量和錨栓的承載力,才能使整個系統的綜合力學性能平衡,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導致浪費,也不會對系統整體的力學承載力提高。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,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)

      出現破壞的點參考圖19、表3。

      7 結語

      在單層網格布的系統中,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;

      在實際的系統設計時,巖棉板的強度提高后,可以提高粘接面積已達到整個系統的整體強度,同時和面層砂漿的粘接強度一起系統考慮;

      無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需要增加粘接面積才能發揮巖棉高強度(垂直于巖棉板表面的剪切力)的優勢。

      使用較厚的巖棉板(如80mm以上)可以得到更安全的系統。

      經過上述的分析,依據已有的執行標準,在選用巖棉板時,不同種類的系統,如何使用巖棉,可參考圖20。

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