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抹灰外墻外保溫系統(tǒng)(ETICS)中如何選用巖棉板

在國內(nèi)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(fā)點是：假設(shè)市場使用的巖棉較差，或者通過加設(shè)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(chǎn)品質(zhì)量，或許這些廠家供貨的產(chǎn)品實際強度在7Kpa，而在實踐中，正規(guī)按照產(chǎn)品要求出貨，誠實的企業(yè)不得不提高產(chǎn)品的密度以達到10KPa的要求，而有些廠家通過一些偷梁換柱，以次充好，最終在市場中出現(xiàn)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(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(dāng)容重（密度）被提高后，產(chǎn)品的最大厚度會被限制，以目前中國的生產(chǎn)產(chǎn)能看，2～2.5萬噸級別的巖棉生產(chǎn)線都存在這一限制。

隨著節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)熱系數(shù)增加，對于保溫毫無幫助，而且還會降低性能；合適的產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，在EN13500中，對礦物棉板用于外保溫復(fù)合系統(tǒng)的礦物棉板應(yīng)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(biāo)中進一步提高，對中國巖棉市場的發(fā)育是負(fù)面的，對于巖棉板的選擇余地將非常有限（表1）。

2 系統(tǒng)理論受力分析

除開巖棉帶（國內(nèi)也稱豎絲巖棉）的應(yīng)用，本節(jié)主要探討錨栓盤穿透網(wǎng)格布的應(yīng)用方式。

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

以下從不同的粘貼面積分析受力：

受力的過稱參考下面，粘接面積較小（40%～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?guī)r棉板是主要的受力部位（圖3）。

當(dāng)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(nèi)部剝離；或者，巖棉在錨栓固定的部位出現(xiàn)剪切破壞，一旦巖棉的抗拉強度達到極限，就可能出現(xiàn)右圖所示的局部剪切破壞，巖棉表現(xiàn)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(dǎo)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，錨栓盤與面層砂漿網(wǎng)格布結(jié)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(dāng)使用不同數(shù)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(dān)荷載，每個單元可以看成矩形區(qū)域（圖5）。

在增加錨栓數(shù)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(shù)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(shè)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(rèn)為加設(shè)錨栓數(shù)量就一定能提高系統(tǒng)的荷載承受能力，理論上并不是！從理論的力學(xué)分析，關(guān)注到每個受力單元，在某些地方錨栓密。某些區(qū)域錨栓疏時，針對整個系統(tǒng)而言，有效的錨栓只能考慮分布最極限的地方，當(dāng)然，局部增加錨栓，會提高附近區(qū)域的承載力。

結(jié)合細(xì)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(qū)域是剪切破壞后保留區(qū)域，而且?guī)r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(shè)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(tǒng)的整體強度。所以，在外墻用巖棉板中，當(dāng)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(tǒng)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(tǒng)中（50%左右），系統(tǒng)的承載力由錨栓主導(dǎo)，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(guān)系（圖7）。

當(dāng)系統(tǒng)使用較多面積的砂漿粘貼時，受力的情況便會發(fā)生稍許變化。和粘接面積較少區(qū)域相比，一旦粘接面積較大，巖棉在風(fēng)壓增加的過程中會主要參與受力。從巖棉板的應(yīng)力與應(yīng)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(dāng)荷載較大，兩者共同受力，直到某個點出現(xiàn)破壞。

這里有個關(guān)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?jié)M粘設(shè)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(chǎn)品，即使在最大的風(fēng)壓荷載（如風(fēng)壓達到5KPa），巖棉內(nèi)部也不會出現(xiàn)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(xiàn)為巖棉板抗拉有效而粘接區(qū)域失效。

在這種條件下計算系統(tǒng)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(xiàn)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(nèi)部出現(xiàn)破壞，在這種條件下，整個系統(tǒng)的受力承載力和局部粘接沒有太大的區(qū)別（圖10）。

所以在國外的礦棉（WM）應(yīng)用于外墻中時，在滿足荷載的條件下，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(yīng)用是有理論依據(jù)并且是合適的。

所以，關(guān)于巖棉板和錨栓結(jié)合的系統(tǒng)，在設(shè)計系統(tǒng)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(yuǎn)大于荷載時，可以提高粘接面積以提高整個系統(tǒng)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(tǒng)的承載力提高起著關(guān)鍵作用，反而盲目、隨意增加錨栓數(shù)量對系統(tǒng)承載力沒有任何幫助（圖11）。

3 系統(tǒng)強度的試驗驗證（參考ETAG004-2012）

出現(xiàn)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(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系統(tǒng)的整體強度，在設(shè)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(zhì)錨栓件的作用明顯，錨栓的排布也非常重要，要經(jīng)過設(shè)計，盲目增加錨栓數(shù)量或隨意安裝，對整個系統(tǒng)的力學(xué)承載力沒有任何貢獻。

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

經(jīng)過上述的分析，依據(jù)已有的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，在選用巖棉板時，可參考示意圖13。

5 系統(tǒng)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(qū)別明顯，這種系統(tǒng)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(jīng)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(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(qū)域會減少，在同樣力學(xué)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小（20%～40%）的過程（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重要的考量指標(biāo)，而面層砂漿和巖棉板之間的粘接的強度會完全體現(xiàn)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(tǒng)的拉拔試驗時，或?qū)嶒炇业脑囼灒蛘吖こ讨械牟鸪龝r，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，隨著荷載的增加，主要的受力部位是巖棉與錨栓共同承擔(dān)（圖18）。

如果荷載進一步增加，巖棉產(chǎn)生變形（從應(yīng)力與彈性模量關(guān)系看，巖棉的變形其實有限），可能出現(xiàn)破壞的部位在于：巖棉層出現(xiàn)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(tǒng)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(dāng)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(tǒng)起決定性的作用，提高巖棉板強度同時如果提高錨栓數(shù)量和錨栓的承載力，才能使整個系統(tǒng)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導(dǎo)致浪費，也不會對系統(tǒng)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，使用強度大的錨栓、或增加錨栓數(shù)量就更合理，可以有效提高系統(tǒng)的強度。

6 系統(tǒng)強度的試驗驗證（參考ETAG004-2012）

出現(xiàn)破壞的點參考圖19、表3。

7 結(jié)語

在單層網(wǎng)格布的系統(tǒng)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(yù)先的設(shè)計；

在實際的系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)的整體強度，同時和面層砂漿的粘接強度一起系統(tǒng)考慮；

無論如何考慮設(shè)計受力，即使完全由錨栓承擔(dān)，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(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(tǒng)。

經(jīng)過上述的分析，依據(jù)已有的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，在選用巖棉板時，不同種類的系統(tǒng)，如何使用巖棉，可參考圖20。

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