外墻外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)抗震試驗(yàn)與分析

1 前言

 瓷磚飾面具有比涂料飾面耐沾污能力強(qiáng)、色澤耐久性更好等優(yōu)點(diǎn),在國內(nèi)用瓷磚作為外飾面的建筑比例相當(dāng)高,在外保溫墻面上的應(yīng)用也有相當(dāng)大的需求。所以,有必要在國內(nèi)研究獨(dú)特的外墻外保溫瓷磚粘貼飾面層的技術(shù)以及在高層建筑中應(yīng)用的可行性。因此,我們通過與中國建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所、鐵道部科學(xué)研究院鐵建所等單位合作,共同制定了外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)的抗震試驗(yàn)方案及試驗(yàn)程序,并于2001年8月29日在鐵道部科學(xué)研究院鐵建所,針對(duì)某實(shí)際工程進(jìn)行了外墻外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)抗震試驗(yàn)??紤]到本系統(tǒng)中瓷磚飾面與主體結(jié)構(gòu)的連接是柔性軟連接,主體結(jié)構(gòu)所受扭曲力難以傳遞到飾面層,因此,選做垂直瓷磚飾面層地震波的抗震試驗(yàn)。選用具有廣泛代表性的、對(duì)外飾面破壞力最大正弦拍波,使外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)抗震試驗(yàn)更具有現(xiàn)實(shí)意義和代表性。

保溫層面層粘貼瓷磚構(gòu)造設(shè)計(jì)和依據(jù)

2.1  設(shè)計(jì)依據(jù)

 目前,市場(chǎng)上流行的瓷磚尺寸多樣,我們對(duì)外墻飾面上應(yīng)用比較廣泛的幾種類型瓷磚的質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果如下:145mm× 45mm瓷磚的質(zhì)量為88g/塊,每平方米用量為130塊共11.44kg;200mm×60mm瓷磚的質(zhì)量為,172g/塊,每平方米用量為75塊共12.9kg;255mm×ll2mm瓷磚質(zhì)量為420g/塊,每平方米用量為28塊共11.76kg;400mm×250mm瓷磚質(zhì)量為1.650g/塊,每平方米用量為10塊共16.5kgo每平方米所用ZL瓷磚膠粘劑為16~23kg。因此,每平方米瓷磚加瓷磚膠粘劑總質(zhì)量為28~40kg。

  根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用等效側(cè)力法計(jì)算水平地震作用值時(shí),可按下式計(jì)算:式中

 F=γηε1ε2αmaxG

F——沿最不利方向施加于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值; 

γ——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件功能系數(shù),這里取1.4;

η—非結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別系數(shù),這里取0.9; 

ε1——連接狀態(tài)系數(shù),這里取2.0; 

ε2——位置系數(shù),建筑的頂點(diǎn)宜取2.0,底部宜取1.0,沿高度線性分布;

αmax——地震影響系數(shù)最大值,按罕遇地震取0.90;

G——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力。通過(1)式計(jì)算得出,地震作用最大值Fmax=4.536G,即每平方米作用在粘貼的瓷磚上的地震作用力為1.27~1.81kN。因此,在高層建筑l00m高度處粘貼瓷磚時(shí)8級(jí)地震作用力為1.27~1.81kN/m2

2.2  構(gòu)造設(shè)計(jì)

 保溫層材料選擇了目前應(yīng)用最廣的膠粉聚苯顆粒保溫材料、單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板、無網(wǎng)聚苯板三種類型??紤]到這三種保溫材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,對(duì)膠粉聚苯顆粒保溫材料面層粘貼三種不同尺寸型號(hào)的瓷磚進(jìn)行試驗(yàn);對(duì)單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板面層粘貼重量比較小的特小號(hào)瓷磚進(jìn)行試驗(yàn),同時(shí)對(duì)比在聚苯板表面用普通水泥砂漿和用膠粉聚苯顆粒保溫材料進(jìn)行找平時(shí)抗震性能方面的差異;對(duì)無網(wǎng)聚苯板面層只進(jìn)行涂料飾面的抗震試驗(yàn)。

 在抗裂防護(hù)層中,用四角鍍鋅鉛絲網(wǎng)代替耐堿涂塑玻纖網(wǎng)格布復(fù)合抗裂砂漿為抗裂層,并用結(jié)構(gòu)墻體上射釘尾孔上的鍍鋅鉛絲將鍍鋅鉛絲網(wǎng)綁緊,提高面層、保溫層與結(jié)構(gòu)層的結(jié)合牢度,提高整個(gè)構(gòu)造的安全可靠性。具體做法如圖l。

 瓷磚粘結(jié)劑選用變形量大于瓷磚溫度變形量一個(gè)數(shù)量級(jí)的膠粘劑,其粘結(jié)強(qiáng)度和抗凍融性能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求,壓折比小于3,具有合理的柔性。

 加固用射釘長(zhǎng)42mm,4根/m2。根據(jù)測(cè)試,每根射釘破壞拉力為7kN,4根為28kN,綁扎用鉛絲的拉斷力為2kN,因此,每平方米設(shè)計(jì)4個(gè)機(jī)械固定點(diǎn)后的總抗拉能力為8kN,大于高層建筑100m高度處8級(jí)地震作用力的4~5倍。

3  試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1  模型的設(shè)計(jì)與制作

 為驗(yàn)證保溫材料與主體結(jié)構(gòu)的附著性能,驗(yàn)證瓷磚膠粘劑的粘結(jié)能力,分三個(gè)試件6種狀況進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前,與中國建筑科學(xué)研究院工程抗震所以及鐵道部科學(xué)研究院鐵建所按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)進(jìn)行了試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì),選用建筑物結(jié)構(gòu)類型為國內(nèi)較多采用的全現(xiàn)澆高層混凝土結(jié)構(gòu),按要求成型寬度1.3m、高度1.2m、厚度0.16m、帶有孔固定鋼角的,強(qiáng)度為C30的混凝土試件3塊,分別在三塊試件的6個(gè)面對(duì)6種不同類型的保溫構(gòu)造進(jìn)行抗震測(cè)試。

各試件的材料構(gòu)成見表模型試件材料構(gòu)成          表1

材 料  層

2

3

4

5

6

表中字母所代表意思

試件一

A面

a

b

e

g

k

 

a.鋼筋混凝土墻體;b.基層界面砂漿;c.50mm厚單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板;d.50mm厚無網(wǎng)聚苯板;e.45mm厚膠粉聚苯顆粒;廠噴砂界面劑;g.3mm厚抗裂砂漿壓四角鋼絲網(wǎng);h.3mm厚抗裂砂漿壓耐堿玻纖網(wǎng)格i. 10mm厚水泥砂漿布;;j.抗裂柔性耐水膩?zhàn)?;k.大號(hào)瓷磚(400×250)mm;l.中號(hào)瓷磚(255× 112)mm;m.小號(hào)瓷磚(200× 60)mm;o.外墻涂料;n.特小號(hào)瓷磚(145×45)mm

B面

a

b

e

g

l

 

試件二

C面

a+c

b

i

n

 

 

D面

a

b

e

g

m

 

試件三

E面

a+c

f

e

g

n

 

F面

a+d

f

e

h

j

o

  3.2  加載及測(cè)試方案

 三個(gè)試件分兩次進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)從北京8度設(shè)防烈度地震影響系數(shù)最大值0.2g開始分級(jí)進(jìn)行,每級(jí)增加0.1g,共5級(jí),即0.2g(1倍)、0.3g(1.5倍)、0.4g(2倍)、0.5g(2.5倍)、0.6g(3倍)。同時(shí)考慮垂直于建筑物表面的水平地震波對(duì)非結(jié)構(gòu)承重材料破壞性最大,選擇水平正弦拍波(圖3),每次振動(dòng)大于20s且大于5個(gè)拍波。本試驗(yàn)考慮不同地區(qū)以及建筑物的不同位置地震反應(yīng)譜不同的情況,參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)5.1.4地震影響系數(shù)曲線分頻段進(jìn)行。試驗(yàn)頻率按l/3倍頻程分級(jí),即: 0.99、1.25、1.58、2.00、2.50、3.13、4.00、5.00、6.30、8.00、10.0、12.5、16.0、20.0、32.0Hz。

4  試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1  試驗(yàn)結(jié)果

 試件一經(jīng)過了10h兩個(gè)周期的振動(dòng)試驗(yàn)。在第一個(gè)周期當(dāng)加速度達(dá)到0.5g時(shí),鋼筋混凝土母體材料有部分脫落及裂縫產(chǎn)生。A、B面上的保溫材料及裝飾層材料均無開裂、無損壞、無脫落,粘貼的大號(hào)瓷磚、中號(hào)瓷磚均無脫落松動(dòng)現(xiàn)象。

  試件二在經(jīng)過5h一個(gè)周期振動(dòng)試驗(yàn),到0.5g時(shí),鋼筋混凝土母體材料有部分脫落及裂縫,底盤架連接處略有開焊,到0.6g時(shí),試件二底盤架連接處開焊。C面在0.5~0.6g下出現(xiàn)鋼絲網(wǎng)架切割聚苯板的聲音,試驗(yàn)后剖開試件發(fā)現(xiàn)聚苯板產(chǎn)生了一定量的破壞,組合澆筑聚苯板邊角出現(xiàn)開裂,粘貼在單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板面層上的特小號(hào)瓷磚無脫落松動(dòng)現(xiàn)象,但面層出現(xiàn)了少許裂紋。D面上的保溫材料及裝飾層材料均無開裂、無損壞、無脫落,粘貼的小號(hào)瓷磚無脫落松動(dòng)現(xiàn)象。

 試件三在經(jīng)過5h一個(gè)周期振動(dòng)試驗(yàn),到0.5g時(shí),鋼筋混凝土母體材料有部分脫落及裂縫產(chǎn)生。正面在振動(dòng)到0.5g時(shí),出現(xiàn)了鋼絲網(wǎng)架切割聚苯板的聲音,聚苯板產(chǎn)生了一定的破壞,振動(dòng)到0.6g時(shí),這種現(xiàn)象更加明顯,單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板面層上的特小號(hào)瓷磚未出現(xiàn)脫落松動(dòng)現(xiàn)象,面層也未出現(xiàn)裂紋。振動(dòng)試驗(yàn)后,F(xiàn)面的無網(wǎng)聚苯板面層所抹膠粉聚苯顆粒找平材料及所刷涂料均無開裂、無損壞、無脫落,面層未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

 對(duì)抗震試驗(yàn)后的試件上的瓷磚進(jìn)行拉拔試驗(yàn),測(cè)得瓷磚膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度為0.73MPa,完全可以滿足粘貼瓷磚的要求。

4.2  結(jié)果分析

 在外保溫面層上進(jìn)行粘貼瓷磚與在堅(jiān)實(shí)的混凝土基層上粘貼瓷磚使用條件是不同的。在外保溫面層粘貼瓷磚必須考慮保溫材料面層的荷載能力、瓷磚膠粘劑的粘結(jié)能力以及在地震作用下的抵抗劇烈  運(yùn)動(dòng)的柔性變形能力。由于外保溫中基層墻體與飾面層瓷磚是通過保溫材料進(jìn)行柔性連接的,因而在受力時(shí)基層墻體與飾面層瓷磚不能看成一個(gè)整體,它們的受力狀態(tài)是不同的,所以在選擇瓷磚膠粘劑時(shí),也要選用與保溫材料相適應(yīng)的具有一定柔性的瓷磚膠粘劑,從而形成一個(gè)柔性漸變的體系。在這次抗震試驗(yàn)中選用的ZL瓷磚膠粘劑粘貼瓷磚后的粘結(jié)強(qiáng)度為0.40~0.80MPa,壓折比小于3.0,彈性模量小于6600MPa,具有適當(dāng)?shù)娜犴g性,符合柔性漸變、逐層釋放應(yīng)力的技術(shù)要求。

 從各構(gòu)造層看,保溫體系的抗裂防護(hù)層和瓷磚通過瓷磚膠粘劑進(jìn)行粘結(jié),各構(gòu)造層的變形指標(biāo)為:抗裂防護(hù)層5%,瓷磚膠粘劑5‰,瓷磚0.15‰。上述各層彈性模量變化指標(biāo)相匹配,同樣滿足逐層漸變的柔性抗裂原則,瓷磚膠粘劑的可變形量小于抗裂砂漿而大于瓷磚的變形量,完全能夠通過自身的形變消除兩種質(zhì)量、硬度、熱工性能完全不同的材料的形變差異,從而進(jìn)一步確保了每塊瓷磚像魚鱗一樣獨(dú)立地釋放應(yīng)力,不會(huì)因?yàn)榈卣鹱饔冒l(fā)生變形而脫落。

 同時(shí),ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料與建筑物墻體的粘結(jié)能力好,抗震性能優(yōu),其柔性構(gòu)造能夠緩解地震力對(duì)面層的沖擊力,保溫墻瓷磚膠粘劑的彈性設(shè)定值比較適宜,可以控制瓷磚在罕遇強(qiáng)度等級(jí)地震的振動(dòng)作用下不開裂、不脫落。而且,選用孔徑為20mmX20mm鍍鋅鋼絲網(wǎng)代替耐堿玻纖網(wǎng),并且用22號(hào)鍍鋅鉛絲與基層墻體錨固的射釘緊密綁扎,增強(qiáng)其安全性和抗震能力,致使面層粘貼的瓷磚在罕遇地震作用下也不會(huì)脫落。在ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料上粘貼不同尺寸型號(hào)的瓷磚時(shí),因?yàn)椋髩K瓷磚和小塊瓷磚的密度基本一樣,而且粘貼瓷磚時(shí)采用滿粘,所以大塊瓷磚和小塊瓷磚每平方米的受力大小是一樣的,每平方米給保溫材料所加的荷載也基本一樣,因此,瓷磚大小對(duì)正弦拍波水平破壞力沒有太大的影響,在ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料上可以粘貼不同尺寸型號(hào)的瓷磚。當(dāng)在ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料面層上粘貼瓷磚的最大荷載為60kg/m2時(shí),經(jīng)過抗震試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)問題。因此,在ZL膠粉聚苯.顆粒保溫材料面層上可以附加不大于60kg/m2的荷載,在樓層較低且無墻體扭曲現(xiàn)象發(fā)生處可以粘貼較大尺寸型號(hào)的瓷磚。

 采用單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板與混凝土進(jìn)行現(xiàn)澆時(shí),粘貼瓷磚后其面層荷載最小也要達(dá)到40kg/m2,在進(jìn)行抗震試驗(yàn)時(shí),不論是采用水泥砂漿進(jìn)行找平處理還是用ZL膠粉聚苯顆粒保溫漿料進(jìn)行找平處理,粘貼瓷磚后進(jìn)行抗震試驗(yàn)聚苯板都會(huì)被鋼絲破壞,用水泥砂漿找平的面層還會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。由此可見,單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板面層不能承受太大的荷載,當(dāng)其面層荷載較大時(shí),在受到地震作用力時(shí),由于聚苯板的柔性作用,面層荷載受力后上下左右各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與基層墻體不一致,不能產(chǎn)生同步運(yùn)動(dòng),從而造成聚苯板中的鋼絲切割聚苯板使聚苯板保溫層被破壞。在高層建筑中,當(dāng)結(jié)構(gòu)墻體誤差達(dá)到2cm時(shí),在單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板上粘貼瓷磚后的重量荷載將達(dá)到90kg/m2,在地震力的影響下,其重力很容易使穿透聚苯板的斜插鋼絲形成切割聚苯板的破壞作用,這一結(jié)果表明,在單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板表面粘貼瓷磚存在隱患,在大震作用下保溫層首先被破壞,從而易使面層瓷磚產(chǎn)生脫落掉下現(xiàn)象。為了安全起見,建議在地震8度設(shè)防區(qū)20m以上的高層建筑中采用單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板作為其外保溫材料時(shí),其飾面層不宜用瓷磚作為飾面材料。

 采用無網(wǎng)聚苯板與混凝土進(jìn)行澆筑時(shí),聚苯板的固定是靠聚苯板上的燕尾槽與混凝土進(jìn)行咬合固定的,由于聚苯板本身的強(qiáng)度不夠高,因此在固定后其面層也不能承受太大的荷載。在無網(wǎng)聚苯板面層附加20kg/m2大小的荷載進(jìn)行抗震試驗(yàn)時(shí),其面層材料沒有出現(xiàn)任何破壞現(xiàn)象,由此可見,在無網(wǎng)聚苯板面層上可以附加不大于20kg/m2大小的荷載,宜采用各種涂料進(jìn)行飾面處理。

實(shí)際應(yīng)用情況

ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料瓷磚飾面層作法,首先在山東臨沂桃源大廈外墻外保溫工程進(jìn)行了高層應(yīng)用,經(jīng)過一冬一夏的實(shí)際考驗(yàn),無任何開裂、脫落現(xiàn)象,可以初步說明此項(xiàng)技術(shù)的安全可行性。之后,我們又在珠江綠洲五棟百米高層建筑進(jìn)行了高層應(yīng)用,進(jìn)一步完善此項(xiàng)技術(shù),使該項(xiàng)技術(shù)的成熟程度得到了進(jìn)一步的提高。如今,該項(xiàng)技術(shù)已在四十多個(gè)高層及一百多個(gè)多層建筑上進(jìn)行應(yīng)用。ZL膠粉聚苯顆粒保溫體系粘貼面磚作法耐候能力的評(píng)價(jià)有待長(zhǎng)期的實(shí)踐跟蹤觀察。


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