建筑外墙外保温系统锚栓力学性能试验研究

2021-07-30苏思丽李安起刘哲

新型建筑材料 2021年7期

苏思丽，李安起，2，刘哲，3

（1.山东建筑大学，山东济南 250101；2.山东建大工程鉴定加固研究院，山东济南 250013；3.山东省萌山钢构工程有限公司，山东济宁 272000）

0 引言

外墙外保温系统具有良好的保温隔热功能及降低建筑能源损耗等优点，目前已成为建筑节能的重要实现形式[1-3]。然而，近年来建筑外墙外保温层的大面积脱落事件屡见不鲜[4-6]。究其原因主要是外保温锚栓数量、抗拉承载力达不到规定值以及风荷载的往复作用使其产生疲劳破坏，最终导致外保温系统脱落[7]。目前外墙外保温系统中保温板与基层墙体的连接方式以粘锚结合为主[8]，锚栓固定为最常用的加固连接方式，采用锚固固定方式的外保温系统的力学性能主要取决于所使用的锚栓。

近年来，国内外学者对外保温锚栓进行了一些试验研究和理论分析。王学成等[9]通过试验研究了加载速度、基层墙体及试验设备对单个锚栓抗拉承载力标准值的影响，但在实际应用中其相对于平均值的合理性有待进一步验证。苗纪奎等[10]通过现场检测与分析，提出了单位面积系统所需的锚栓数量和布置原则。刘思琪[11]进行了蒸压粉煤灰砌体基层上锚栓的静力拉伸试验，分析了锚栓的受力机制与破坏模式，但尚未研究锚栓在反复风荷载作用下的受力特征。孙立新等[12]研究了粘结率和锚栓数量对岩棉薄抹灰外保温系统抗风性能的影响，但无法精确分解粘或锚的贡献率。综合以上文献可以发现，目前的研究主要针对于外保温锚栓的布置形式和承载力，而对锚栓疲劳性能的相关研究较少。在实际工程中，外保温锚栓在往复风荷载的作用下产生疲劳损伤，最终导致外保温系统脱落破坏的事件时有发生[13]。因此，在明确抗拉承载力的基础上，对外保温锚栓的疲劳性能展开研究显得尤为重要。

本文通过对外保温锚栓进行抗拉试验和锚栓疲劳试验，分析不同影响因素对外保温锚栓抗拉承载力标准值和疲劳性能的影响规律，为外保温系统的设计和加固修复提供参考。

1 试验

1.1 试件制作

本试验分别采用强度等级为A2.0的蒸压加气混凝土砌体和强度等级为C30、C40的混凝土试块作为基层。其中，砌体基层的截面尺寸为600 mm×240 mm×200 mm，混凝土基层的截面尺寸为2800 mm×450 mm×150 mm。锚栓类型为敲击式锚栓和旋入式锚栓2种，均由镀锌金属钉和带圆盘的尼龙膨胀套管组成，如图1所示。锚栓膨胀套管的圆盘直径为60 mm，套管管体直径为10 mm，膨胀套管总长为162 mm。安装时先用钻孔机钻孔，然后将套管置于钻孔内，分别采用敲击和旋入的方式安装锚钉。不同基层试块上锚栓的测点布置如图2和图3所示。

图1 锚栓示意

图2 砌体基层锚栓测点布置

图3 混凝土基层锚栓测点布置

1.2 锚栓抗拉试验

锚栓抗拉试验采用HC-MD60高精度锚栓拉拔仪（见图4）进行加载。该仪器的拉力行程为60 mm，最大拉力为10 kN，具有峰值保持功能，在加载模式下可以直接读取锚栓拔出基层时拉力的峰值。

图4 高精度锚栓拉拔仪

试验设计时以基层墙体的类型、锚栓的锚入深度、锚栓的类型、锚栓的施工安装方式为变量，共设计45组锚栓拉拔试验。根据JG/T 483—2015《岩棉薄抹灰外墙外保温系统材料》中蒸压加气混凝土砌体中锚栓的锚入深度不应小于65 mm，混凝土和实心砌体墙中锚入深度不应小于55 mm的规定，在砌体基层中选取45、55、65、75、85 mm 5种锚入深度，在混凝土基层中选取35、45、55、65、75 mm 5种锚入深度，针对敲击式锚栓、旋入式锚栓以及错误施工式锚栓（旋入式采用错误的敲击安装方式）进行拉拔试验，如表1所示。每组试验取10个锚栓，将测得的10个拉力平均值作为锚栓的抗拉承载力标准值。

表1 锚栓抗拉试验设计

1.3 锚栓疲劳性能试验

外保温锚栓的疲劳性能试验采用与专业试验仪器公司联合设计开发的智能锚栓拉拔仪（见图5）进行循环加载。该仪器的最大拉力为2 kN，拉力误差范围在5%以内。试验时，通过设置循环荷载峰值并切换至自动加载模式，智能拉拔仪可实现对锚栓的循环加载，并可直接读取拉拔循环次数。

图5 智能锚栓拉拔仪

以基层墙体的类型、锚栓的锚入深度和循环荷载峰值为试验变量，共设计60组试验，每组取3个锚栓。仍以JG/T 483—2015规定值为基准，在砌体基层中取45、55、65、75、85 mm 5种锚入深度，在混凝土基层中取35、45、55、65、75 mm 5种锚入深度，每种深度下再取0.2F、0.4F、0.6F、0.8F（F为锚栓的抗拉承载力标准值）4种加载峰值，如表2所示。使用智能拉拔仪循环加载至锚栓被拔出基层，观察锚栓的破坏形态并读取疲劳次数。

表2 锚栓疲劳性能试验设计

2 锚栓抗拉承载力试验结果分析

2.1 砌体基层中锚栓抗拉承载力标准值

将锚栓钻孔安装后在常温下静置500 h，然后使用HCMD60高精度锚栓拉拔仪对砌体基层上5种锚入深度下的3种锚栓进行一次性拔出试验，记录锚栓破环时拉拔仪显示的峰值以及锚栓的破坏形态，考虑到试验数据存在离散性，采用格拉布斯法[14]剔除异常值进行数据处理。

蒸压加气混凝土砌体基层强度较低，锚栓在其中同时受到摩擦力和机械锁定力2种作用力，锚栓破坏失效模式均为被整体拔出。锚栓拔出过程中孔洞内部有部分基层碎屑被带出，由于砌块轻质多孔，孔洞周边基层表面在锚栓拔出过程中有脱落现象，但基层表面无明显裂缝，破坏形态如图6所示。蒸压加气混凝土砌体基层中3种类型锚栓的抗拉承载力标准值随锚入深度的变化趋势如图7所示。

图6 锚栓拔出后蒸压加气混凝土砌体基层表面的破坏形态

图7 蒸压加气混凝土砌体基层锚栓抗拉承载力标准值与锚入深度的关系

由图7可以看出，随着锚入深度从45 mm增加到85 mm，敲击式锚栓、旋入式锚栓、错误施工式锚栓抗拉承载力分别增加了63%、64%、48%，随锚入深度的增加，锚栓的抗拉承载力标准值显著增大。敲击式锚栓可以符合JG/T 366—2012《外墙保温用锚栓》中规定的抗拉承载力标准值应≥0.3 kN的要求。而旋入式锚栓和错误施工式锚栓的抗拉承载力标准值远达不到JG/T 366—2012的规定值。敲击式锚栓的抗拉承载力标准值约为旋入式锚栓的4倍。

蒸压加气混凝土砌体基层密实程度相对较高，在实心基层中安装锚栓，受基层密实程度和孔洞周围空间限制，锚钉难以旋入塑料套管使其膨胀，锚栓锚固不到位，故旋入式锚栓的抗拉承载力无法达到JG/T 366—2012的规定值，而敲击的方式更容易使锚栓充分锚入基层。这说明旋入式锚栓在蒸压加气混凝土砌体基层中的适用性存在一定问题，在工程应用中应予以考虑。综上，在实际工程中敲击式锚栓在蒸压加气混凝土砌体基层中的抗拉承载力标准值最高，锚固效果最好，可以通过适当增加锚入深度的方式来提高锚栓的抗拉强度。

2.2 混凝土基层中锚栓抗拉承载力标准值

锚栓安装静置后，使用拉拔仪对C30、C40混凝土基层中5种锚入深度下的3种锚栓进行一次性拔出试验，记录锚栓破环时拉拔仪显示的峰值以及锚栓的破坏形态。

混凝土基层中敲击式锚栓的破坏形态主要有2种：锚栓被整体拔出和套管圆盘处断裂。锚栓被拉出过程中随拉力的增大，膨胀套管不断被拉长，并带出少量基层碎屑，混凝土基层表面未出现裂缝，破坏形态如图8所示。套管断裂时会发出响声，锚钉留在套管中未被拉出。旋入式锚栓均被整体拔出，使用敲击方式安装时，锚固过程中发生损坏，甚至有锚栓出现弯曲的情况，导致了锚栓抗拉承载力的降低，如图8（b）所示。

图8 混凝土基层中锚栓的破坏形态

经数据处理后得到混凝土基层中不同类型的锚栓在不同锚入深度下的抗拉承载力标准值如图9所示。

图9 混凝土基层中锚栓抗拉承载力标准值与锚入深度的关系

由图9可知，混凝土基层中锚栓的抗拉承载力标准值随锚入深度的增加而增大，与砌体基层中的趋势相似。C30混凝土基层中敲击式锚栓在35～75 mm锚入深度范围内抗拉承载力增加了44%，旋入式锚栓增加了209%，错误施工式锚栓增加了103%；C40混凝土基层中敲击式锚栓、旋入式锚栓、错误施工式锚栓分别增加了37%、191%、95%。在锚入深度小于65 mm时，锚栓抗拉强度增幅较大，超过65 mm后增长速度放缓。敲击式锚栓的抗拉承载力标准值可以达到JG/T 366—2012中规定的不小于0.6 kN的要求，旋入式锚栓和错误施工式锚栓增加锚固深度后抗拉承载力仍未达到JG/T 366—2012的规定值。敲击式锚栓的抗拉承载力标准值远高于旋入式锚栓和错误施工式锚栓，最大约为旋入式锚栓的13倍。

混凝土基层中锚栓的抗拉承载力主要取决于摩擦力，当锚固深度为75 mm时，膨胀套管与基体的接触面积远大于锚入深度为35 mm时的，其受到的压力和摩擦力更大，故锚栓被拔出基层的拉力值也越大。敲击式锚栓的膨胀端为底部至向上60 mm位置，锚栓锚入至65 mm深度时，由于膨胀端逐渐进入基层中，抗拉承载力增大明显。当膨胀端完全锚入基层后承载力变化不大。由此可见，在混凝土基层外保温工程中可通过增加锚入深度的方式来适当提高锚栓的抗拉承载力。敲击式锚栓的锚固效果较好，抗拉承载力可以得到充分利用，在工程中应优先考虑。

3 锚栓疲劳性能试验结果分析

由锚栓的抗拉承载力试验可知，在蒸压加气混凝土砌体基层和混凝土基层中，旋入式锚栓和错误施工式锚栓的抗拉承载力标准值达不到JG/T 366—2012的规定值，故仅针对敲击式锚栓进行疲劳试验。

3.1 砌体基层中锚栓的疲劳试验

使用智能拉拔仪对砌体基层上的锚栓进行循环加载。锚栓在循环荷载作用下均被整体拔出，未出现明显弯曲和断裂现象，砌体基层表面没有出现裂缝，仅有孔洞内碎屑被带出，破坏形态如图10所示。

图10 砌体基层中锚栓的疲劳破坏形态

针对砌体基层上锚入深度为45、55、65、75、85 mm，循环荷载峰值为0.2F、0.4F、0.6F、0.8F的20组锚栓进行循环加载，记录锚栓疲劳破坏对应的循环荷载峰值与疲劳次数，将每组3个锚栓的疲劳次数取平均值见表3。

表3 砌体基层中敲击式锚栓的循环荷载峰值与疲劳次数

由表3可见，在蒸压加气混凝土砌体基层中，锚栓的疲劳次数和循环荷载峰值成负相关关系，循环荷载峰值越大，疲劳次数越少。当循环荷载峰值在0.4F～0.8F时，疲劳次数浮动较小；当循环荷载峰值小于0.4F时，疲劳次数显著减少。其中，85 mm深度下循环荷载峰值为0.4F时的疲劳次数较0.2F时降幅最大，约降低了69%。在75 mm锚入深度下最大循环荷载峰值和最小峰值相差4倍，但对应的疲劳次数可相差近20倍，可见，锚栓的疲劳次数受疲劳荷载影响较大。砌体基层中不同循环荷载峰值下锚栓疲劳次数随锚入深度的变化趋势如图11所示。

图11 砌体基层中锚栓的锚入深度与疲劳次数关系曲线

从图11可以看出，同倍数循环荷载峰值下，锚栓的疲劳次数基本随锚入深度的增大而增加，但循环荷载峰值为0.6F和0.8F时，疲劳次数在75 mm锚入深度处减少，其原因是锚栓的疲劳次数受锚入深度和循环荷载峰值的共同影响，75 mm深度下的锚栓抗拉承载力标准值较大，取0.6F～0.8F与锚栓承载力较为接近，导致锚栓较易发生疲劳破坏。

3.2 混凝土基层中锚栓的疲劳试验

混凝土基层中锚栓的疲劳破坏形式只有1种，即锚栓被整体拔出，基层无明显破坏现象，仅有少量孔洞碎屑被带出。随着疲劳循环次数的增加，锚栓套管不断被拉长，套管与圆盘交界处及套管端部因多次拉伸呈现白色，如图12所示。疲劳次数越多锚栓伸长率越大，75 mm深度0.2F循环荷载峰值下锚栓伸长率最大，可达3%。

图12 混凝土基层中锚栓的疲劳破坏形态

使用拉拔仪对C30和C40混凝土基层上锚入深度为35、45、55、65、75 mm，循环荷载峰值为0.2F、0.4F、0.6F、0.8F的40组锚栓进行循环加载，循环荷载峰值与疲劳次数见表4。

表4 混凝土基层中敲击式锚栓的循环荷载峰值与疲劳次数

由表4可知，在混凝土基层中，同种锚入深度下锚栓的疲劳次数也随循环荷载峰值的增大而减少。C30混凝土基层中5种锚入深度下锚栓的疲劳次数在0.2F～0.8F加载范围内分别减少了98%、97%、95%、98%、99%；C40混凝土基层中5种锚入深度下锚栓的疲劳次数在0.2F～0.8F加载范围内分别减少了98%、96%、96%、98%、98%，由此可见，75 mm锚入深度下减少最多，最大循环荷载峰值和最小峰值对应的疲劳次数可相差72倍。2种基层中锚栓疲劳次数均在0.6F～0.8F循环荷载峰值间降幅较小；当循环荷载小于0.6F时，疲劳次数降幅明显。其中，75 mm锚入深度下循环荷载峰值为0.6F时的疲劳次数较0.2F时减少幅度最大，分别减少了95%、94%。混凝土基层中锚栓的锚入深度与疲劳次数关系曲线如图13所示。

图13 混凝土基层中锚栓的锚入深度与疲劳次数关系曲线

由图13可知，锚入深度为35～65 mm时，锚栓的疲劳次数随锚入深度的增大而增加，在55～75 mm间疲劳次数变化较大。锚入深度为75 mm时，由于锚栓的抗拉承载力标准值较大，循环荷载峰值对疲劳次数的影响程度加深，在C30混凝土基层0.4F～0.8F循环荷载峰值下及C40混凝土基层0.6F～0.8F循环荷载峰值下，锚栓疲劳次数较65 mm深度有所降低。

分别对比表4和图13可以发现，混凝土强度可以影响锚栓疲劳次数，混凝土强度高，锚栓疲劳次数大。混凝土强度由C30提高至C40，疲劳次数在45 mm深度0.8F循环荷载峰值下可提高51%，影响效果显著。