膨胀珍珠岩保温板粘结疲劳性能试验研究

李明，李安起，2，刘哲，3，张玉峰

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司，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

膨胀珍珠岩保温板具有优良防火性能的同时，还有保温、憎水、施工方便等优点。但在使用过程中外墙外保温系统的开裂、空鼓、脱落等问题层出不穷[1-2]。其中，外保温系统的脱落问题主要是因为其抗拉承载力达不到规定值或者风荷载的往复作用致使其发生疲劳破坏[3]。目前外墙外保温系统中保温板与基层墙体主要采用粘锚结合的方式，且以粘为主、以锚为辅的情况居多[4-5]，所以该类外保温系统的使用寿命主要取决于粘结性能的好坏。

近年来，国内外学者对外保温材料的粘结性能进行了一些试验研究和理论分析。Eneli Liisma等[6]研究发现，砂浆的稳定性是保证外保温系统耐久性的关键因素。张林峰[7]研究了粘结剂组成成分的粘结原理和破坏机理对粘结强度的影响。管旭东和孙立新[8]通过对岩棉板薄抹灰外保温系统的抗拉承载力进行试验研究，得出工程应采用以粘锚结合的系统为主，且应强化粘接作用的结论。王二磊等[9]研究了XPS保温板与结构层之间粘结面积、粘贴方式和粘结厚度对粘结强度的影响。赵敏等[10]分析得到了EPS板的最佳粘结厚度和最佳粘贴方式。张红林和南瑶[11]研究了以2种不同产地膨胀珍珠岩为主要原料制备的膨胀珍珠岩保温板的性能。苏思丽等[12]对外保温锚栓的抗拉承载力和疲劳性能进行了研究。但上述研究均是围绕砂浆、岩棉板、XPS板、EPS板、外保温锚栓疲劳性能和膨胀珍珠岩保温板的制备做法进行分析，而对保温板疲劳性能的相关研究较少。但在实际工程中，导致外保温系统的脱落因素中风荷载的影响最大[13]。因此，在明确抗拉承载力的基础上，对外保温系统的疲劳性能展开研究显得尤为重要。

本文通过抗拉试验和疲劳试验，分析了不同因素对膨胀珍珠岩保温板抗拉承载力和疲劳性能的影响规律，为膨胀珍珠岩板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

采用强度等级为A2.0的蒸压加气混凝土砌体，截面尺寸为600 mm×240 mm×200 mm。由于在蒸压加气混凝土砌体基层上满粘法的试验结果不理想，所以设计一部分保温板在C30混凝土基层上满粘法的疲劳性能试验进行对比分析。保温材料采用膨胀珍珠岩保温板（抗拉强度≥0.15 MPa），按照尺寸100 mm×100 mm×50 mm裁割，裁割误差控制在±1 mm。选用聚合物粘结砂浆，拉伸粘结强度≥0.6 MPa，可操作时间为2 h。选用改性环氧植筋胶和尺寸为100 mm×100 mm的金属试验板。首先，清理砌体基层表面灰尘，并保证表面平整，无破损。然后，将粘结砂浆按m（水）∶m（粉料）=1∶4.2进行配制，搅拌后静置5min，使用提前刻好的模板控制粘贴厚度、粘贴方式及粘结面积，将砂浆用抹灰刀抹平，最后将保温板平放到粘结砂浆上轻压。粘结完成后在保温板上做相应标记，并进行14d标准保湿养护，图1为养护好的保温板试件。14d后将改性环氧植筋胶搅拌后均匀涂抹在养护好的保温板试件上，粘上金属试验板静置24h，图2为粘贴好金属试验板的保温板试件。

1.2 保温板的抗拉试验

膨胀珍珠岩保温板采用HC-MD60高精度拉拔仪按照JGJ144—2019《外墙外保温工程技术标准》进行拉拔试验。该仪器的拉力行程为60 mm，拉力量程为0~10 kN，具有峰值保持功能，在加载结束后可以直接读取试件破坏时的峰值拉力。

试验以保温板的粘贴率和粘贴方式为变量，共设计17组保温板拉拔试验。保温板与砌体基层的粘贴方式采用点粘法、点框法、条粘法、十字粘贴法和满粘法5种，并设计20%、40%、60%、80%四种粘贴率对膨胀珍珠岩保温板的拉伸粘结强度进行研究。试验组合方案见表1，不同粘贴方式和不同粘贴率的构造见图3~图7（图中阴影部分为粘结砂浆，点框法中缺口位置为排气孔）。

表1 砌体基层保温板抗拉试验设计

用胶粘剂将尺寸为100 mm×100 mm的金属试验板粘贴在保温板上24 h后，使用拉拔仪对砌体基层上的17组试件进行一次性拔出试验，记录保温板破环时拉拔仪显示的峰值以及保温板的破坏形态。

粘结强度按式（1）计算：

式中：σ——拉伸粘结强度，MPa；

P——破坏荷载，N；

A——试件面积，mm2。

单个试件的破坏荷载精确至0.001 kN，每组8个试件，由于保温板在砌体基层中的拉拔力离散性较大，因此采用格拉布斯法[14]剔除异常值后进行数据处理，并保证至少有5个可靠数值进行计算。经过算术平均后可以得到砌体基层中不同粘贴方式的保温板在不同粘贴率下的抗拉承载力标准值，同时也为保温板的疲劳性能试验提供可靠的数据参考。

1.3 保温板的疲劳性能试验

膨胀珍珠岩保温板的疲劳性能采用智能拉拔仪进行循环加载试验。该仪器的拉力范围为0~2 kN，拉力误差范围在5%以内。试验时，通过设置疲劳荷载峰值的大小并切换至自动模式，智能拉拔仪就可实现对保温板的自动循环加卸载，并可直接显示拉拔的循环次数。

采用正交试验研究粘贴方式、粘贴率和疲劳荷载峰值3个因素对膨胀珍珠岩保温板疲劳寿命的影响，并通过极差和方差分析不同因素的影响规律。采用L16（43）正交设计，因满粘法的粘贴率为100%，故未列入正交试验设计。同时为了避免出现离散性较大的情况，每组疲劳试验进行3次，试验结果剔除异常数据后取平均值进行分析。循环加载至试件完全失效时，观察保温板的破坏形态并读取最终疲劳次数。

正交试验因素水平见表2，满粘法疲劳性能试验设计见表3。

表2 正交试因素水平

表3 满粘法疲劳性能试验设计

2 抗拉承载力试验结果及分析

膨胀珍珠岩保温板仅靠砂浆的粘结力固定在基层上，最终发现保温板失效的情况有4种，如图8所示：（1）膨胀珍珠岩保温板破坏；（2）粘结砂浆与保温板的界面破坏；（3）基层破坏；（4）粘结砂浆破坏。

砌体基层中不同粘贴方式下保温板在不同粘贴率时的抗拉承载力标准值如表4所示。

表4 保温板的抗拉承载力标准值

由表4可见，随粘贴率由20%增大到80%，点粘法的抗拉承载力提高了387%，点框法提高了357%，条粘法提高了390%，十字粘贴法提高了304%；不同粘贴方式的抗拉承载力标准值均随粘贴率的增大而提高，且满粘的抗拉承载力标准值最高，符合JGJ144—2019《外墙外保温工程技术标准》的要求。十字粘贴法和条粘法在粘贴率小于40%时抗拉承载力增长缓慢，大于40%后增长明显；点粘法和点框法随着粘贴率的增加，其抗拉承载力标准值几乎呈线性增加的趋势，无明显突变。在相同粘贴率的情况下，条粘法的抗拉承载力标准值均高于点粘法，最大约为点粘法的1.61倍。在粘贴率为20%的情况下，十字粘贴法是条粘法的1.17倍，在其它粘贴率的情况下，条粘法的抗拉承载力均大于十字粘贴法。5种粘贴方式下粘结强度从高到低依次为：满粘＞条粘＞十字粘＞点框粘＞点粘。

综上所述，基层的情况和施工水平的高低会影响粘结强度的大小；在实际工程中满粘法在蒸压加气混凝土砌体基层中的抗拉承载力最高，其次是粘贴率为80%的条粘法。

3 疲劳性能试验结果及分析

正交试验设计及测试结果见表5。

表5 正交试验设计及测试结果

3.1 正交试验法结果及分析

3.1.1 极差分析

膨胀珍珠岩保温板的疲劳破坏情况与抗拉承载力试验中的失效情况相似，保温板与基层的破坏形态中大约90%的情况下是保温板被拉坏。

正交试验极差值分析见表6。

由表6可知：

（1）3个因素对疲劳次数的影响顺序为粘贴率＞疲劳荷载峰值＞粘贴方式。

（2）粘贴率对疲劳次数的影响最明显，试件的疲劳次数随着粘贴率的增加而增加。当粘贴率从20%增至80%时，疲劳次数增幅达20.36倍；粘贴率从20%增加到40%时，疲劳次数增长速度较快；40%粘贴率之后疲劳次数呈线性增长趋势，但增长速度放缓。这是因为随着粘贴率的增加，试件与基层的粘结面积增大，粘贴的效果越好，试件在抵抗疲劳作用时效果也就越明显。由此可知，粘贴率与疲劳次数之间呈正相关，但当粘贴率于40%时保温板抵抗疲劳荷载的作用会大大降低。

（3）随着疲劳荷载峰值的不断增大，试件所能承受的疲劳次数呈逐渐降低的趋势。当疲劳荷载从0.2F增至0.8F时，疲劳次数降低了88%；当疲劳荷载峰值从0.2F增至0.4F时，疲劳次数降低缓慢；0.4F以后疲劳次数降幅增快。这是因为当疲劳荷载峰值增大时，粘结面所承受的荷载也增大，粘结面耐久程度的损耗就越严重，故其所能承受的疲劳次数也就越少。由此可知，疲劳荷载与疲劳次数呈负相关，而且当疲劳荷载峰值超过0.4F时，保温板抵抗疲劳荷载作用的能力显著降低。

（4）从粘贴方式分析，十字粘贴法和条粘法明显优于点框法和点粘法。十字粘贴法的疲劳次数是点粘法的2.53倍，是点框法的2.05倍，是条粘法的1.26倍；条粘法的疲劳次数是点粘法的2.00倍，是点框法的1.62倍。这是因为点粘法每个粘结块所能承受的应力大小是不均匀的，承载能力小的粘结块首先失效，拉力在粘结块间进行重分布，承载能力大的粘结块因无法承受过大的荷载导致试件失效，所以点粘法的承载能力小且可承受的疲劳次数最少；点框法的边框粘结面积较小，在提供试件承载力和承受疲劳荷载时起的作用并不大，故其抗拉承载力标准值和疲劳次数都只比点粘法稍大（对于试件尺寸可能存在的尺寸效应，今后应进行进一步研究）；十字粘贴法和条粘法均沿保温板全长进行粘贴，使得保温板与基层粘结的整体性更好，也就可以承受更多的疲劳次数。

3.1.2 方差分析（见表7）

表7 正交试验方差分析

由表7可见，3个因素中因素B（粘贴率）和因素C（疲劳荷载峰值）对疲劳次数有特别显著的影响，而因素A（粘贴方式）对疲劳次数的影响为显著。方差分析与极差分析结果一致，粘贴方式对于疲劳次数的影响较小。

3.2 不同基层的满粘法疲劳试验

因为满粘法在砌体基层中的疲劳破坏形式均为基层破坏，并不是JGJ144—2019要求的保温板破坏，所以又设计了4组保温板在C30混凝土基层上满粘法的疲劳试验，每组做3次。经抗拉试验发现，在混凝土基层上满粘法的保温板抗拉承载力标准值与其在加气混凝土砌体基层上的抗拉承载力标准值相差不大，为便于比较，在混凝土基层上满粘法疲劳试验的F采用在砌体基层的抗拉承载力标准值进行试验，2种基层的疲劳试验结果如表8所示。

表8 砌体基层和混凝土基层中满粘法的疲劳试验结果

由表8可知，虽然砌体基层与混凝土基层采用的抗拉承载力标准值相同，但在砌体基层上满粘法的疲劳次数离散性更大，而且疲劳次数偏少，破坏形式均为基层破坏。故可知膨胀珍珠岩保温板在砌体基层上满粘法的疲劳性能比在混凝土基层上满粘法的疲劳性能差，而且在砌体基层上疲劳次数的离散性较大，有待进一步详细研究。

3.3 满粘法与正交试验法结果对比

在砌体基层中满粘法的疲劳破坏形式均为基层破坏，而正交试验中其它粘贴方式和粘贴率的情况下并未出现此类情况。这是因为砌体基层的强度偏低，在粘贴方式为满粘时，由于粘结面积较大导致基层在受到循环往复的拉拔力时更容易破坏；而当粘贴率较小时（非满粘的情况），保温板受到的拉拔力由于基层非粘贴区域的约束作用，使得基层在承受循环往复的拉拔力时不易破坏。

由抗拉试验可知，条粘法比十字粘贴法的抗拉承载力标准值略大，而且在16组正交试验结果中并未体现条粘法在粘贴率为80%且疲劳荷载峰值为0.2F情况下的试验情况，所以对此种条件下的条粘法进行3次验证试验，与满粘法和十字粘贴法的试验结果对比，结果如表9所示。

表9 满粘法、条粘法、十字粘贴法试验结果对比

由表9可知，虽然条粘法与十字粘贴法的疲劳荷载峰值略有差距，但根据疲劳荷载峰值与疲劳次数呈负相关的结论可知，在粘贴率为80%的情况下条粘法比十字粘贴法的疲劳性能要好，也比砌体基层上满粘法的疲劳性能要好，但不如混凝土基层上满粘法的疲劳性能好。故可知在混凝土基层上满粘法的疲劳性能最好，其次是粘贴率为80%的条粘法，其疲劳次数是混凝土基层上满粘法的91%。所以在实际施工过程中对于粘贴方式的选择宜为满粘法或粘贴率为80%的条粘法。

4 结论

（1）在相同施工条件下，抗拉承载力从高到低依次为：满粘＞条粘＞十字粘＞点框粘＞点粘。在保温板与基层的破坏形态中大约90%的情况下是保温板被拉坏，所以在实际工程中应保证保温板材料自身的抗拉强度。

（2）保温板的疲劳次数与粘贴率呈正相关，与疲劳荷载峰值呈负相关；除满粘以外的4种粘贴方式中，在相同粘贴率的情况下，十字粘贴法和条粘法均明显优于点框法和点粘法。

（3）3个因素对疲劳次数的影响顺序为：粘贴率＞疲劳荷载峰值＞粘贴方式。通过方差分析进一步得知粘贴率和疲劳荷载峰值对疲劳次数有特别显著的影响，而粘贴方式对疲劳次数的影响为显著。

（4）满粘法的情况下，保温板在砌体基层上的疲劳性能较混凝土基层上的疲劳性能要差。混凝土基层上满粘法的疲劳性能最好，其次是粘贴率为80%的条粘法，其疲劳次数是混凝土基层上满粘法的91%，所以从综合效益的角度出发宜选择粘贴率为80%的条粘法。