保温装饰一体板抗风性能研究

魏鼎峰，周建刚，杨建扬，李兆亿，王成华，杜 鑫

（1.潍坊工程职业学院建筑工程学院，山东 潍坊 262500；2. 潍坊工程职业学院机电工程学院，山东 潍坊 262500）

建筑外墙保温系统最早兴起于20 世纪的瑞典和德国。由于外墙保温系统的存在，可以提高建筑物的保温隔热性能，进而实现建筑物的节能效果，具有良好的经济和社会效益[1]。随着外保温墙板的更新换代，常用的外保温墙板是以EPS、XPS 或者岩棉等为保温材料，借助砂浆的粘接作用，实现外墙保温板与基层墙体的连接。但目前我国外保温墙板也存在诸多的安全隐患问题，主要表现在外保温板与基层墙体的连接的粘结力丧失，很容易导致外墙保温板的脱落，如图1所示。

1 建筑设计的外保温墙板抗风荷载计算

目前，建筑物在设计阶段，不仅需要考虑建筑物本身荷载，还需要考虑外部荷载作用，如地震作用、温度作用和风荷载作用等，特别是高层建筑或超高层建筑必须考虑风荷载对建筑物外墙造成的影响作用[2]，并且依据《保温装饰一体板技术标准》(DB62/T 3178—2020)规定[3]，当建筑外保温墙板采用保温装饰一体板时，其单位面积质量小于20 kg/m2的装饰面板适用建筑高度不宜大于100 m，而单位面积质量在20～30 kg/m2的面板，适用建筑高度不宜大于50 m，若超过适用建筑高度或保温材料密度限制，则需要进行抗风荷载性能验证。因此，本文依据《建筑结构荷载规范》[4]，对外保温墙板所承受的风荷载进行理论计算，以作为外保温墙板抗风荷载安全分析和外保温墙板施工工艺的参考。

垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，见式1。

式中：wk为风荷载标准值（kN/m2）；βgz为高度z处的阵风系数；μsl为风荷载局部体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压。以山东省潍坊市为例，基本风压按50年一遇计算，就潍坊地区而言，基本风压为0.4 kN/m2，地面粗糙度为B 类，即指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇；根据地理位置和工程特点，以离地面高度为10 m、50 m、100 m 和150 m 4 种高度来选取风压系数，建筑体型及风压系数见图2 和表1。

表1 风压系数选取

图2 建筑体型

根据公式1 可以计算出山东潍坊地区，不同高度下垂直于建筑物表面上外保温墙板抗风荷载标准值，见表2。

表2 外保温墙板抗风荷载计算结果

2 建筑设计的外保温墙板抗风荷载安全分析

外保温墙板主要受到四方面力的作用，分别为风荷载、外保温墙板自身重量、砂浆的粘结力、锚固件以及大气压作用，如图3 所示。

图3 保温装饰一体板系统基本构造及受力分析图

2.1 外保温墙板抗风荷载理论分析

（1）风荷载。本文以最不利条件计算，根据外保温墙板抗风荷载计算结果，就建筑物高度为150 m 处的檐口、雨篷、遮阳板和边棱处的装饰条等突出构件位置处进行计算分析，得出在最不利条件下，外保温墙板抗风荷载标准值如下：

（2）砂浆粘结力。《外墙外保温工程技术规程》（JGJ 144—2019）、《保温装饰板外墙外保温系统材料》(JG/T287—2013)规定[5-6]：①粘结砂浆的拉伸粘结强度（与水泥砂浆）不得低于0.6 MPa，而与保温装饰板粘结的强度不低于0.1 MPa；②砂浆的粘结率不得低于保温装饰板面积的40%。因此，单位面积保温装饰板在砂浆的粘结作用下所受到的粘结力如下：

（3）外保温墙板自重。依据《保温装饰一体板技术标准》（DB62/T 3178—2020）、《民用建筑热工设计规范》（GB50176—2016）[7]所提供的温装饰一体板系统基本构造及常用建筑材料热物理性能计算参数进行计算，得出每平米保温装饰一体板各组成部分的自重参数及自重荷载，见表3 和式4。

表3 保温装饰一体板组成部分及自重参数

（4）大气压作用。本文依据新疆大学马玲等[8]对外保温系统受风荷载作用下系统的内外压强差理论公式进行计算。其中，风速取自潍坊市极大风速V=36.2m/s。由公式5 计算得出外墙保温墙板外侧的压强为：

式中：P为外墙保温墙板外侧压强；P0为无风压强；a0为无风声速；V为风速。

由于外保温墙板是与基层墙体通过砂浆进行粘结连接，并根据规范要求[3-5]，粘结率为40%，计算得出外保温墙板与基层墙体粘结内部的压强为：

通过外保温墙板内外压差计算，我们可以得出：当建筑遇到恶劣大风天气时，单位面积内保温装饰一体板所承受的大气压力为10 kN左右。

综上所述，当粘结砂浆的粘结力满足规范要求，且不改变墙板内部的压强的前提下，外保温墙板的抗风荷载值远大于风荷载与大气压差的合力值。因此，这就要求外保温墙板在施工过程中要保证施工的质量，避免粘结砂浆粘结力折损。

2.2 外保温墙板抗风荷载试验分析

由于外保温墙板抗风压性能的强弱直接影响到建筑物的安全性，然而国内关于保温装饰一体板抗风性能研究较少。因此，根据目前建筑外墙多采用蒸压砂加气墙板，本文在理论计算的基础上，参照ETAG004:2013 规范[9]，采用泡沫块静态试验法进行抗风压性能测试，以此来验证保温装饰一体板的可靠性，其静态抗风荷载试验加载装置，如图4 所示。

本试验砂浆的粘结方式采用点框法布置，如图5 所示，板边缘的胶粘剂带宽为50 mm，中间采用2 个直径为150 mm 的圆形粘结胶浆点，待试件养护28 d 后进行抗风压性能测试。

图5 砂浆粘结形式

通过抗风荷载性能试验，得到最大抗风荷载在9～10 kN 左右的范围之内，砂浆的粘结强度在0.027 MPa 左右，破坏模式通常为砂浆与保温装饰板粘结面破坏，如图6 所示。

图6 外保温墙板破坏模式

3 结语

外保温墙板的脱落根本原因在于砂浆的粘结性能丧失，而促使砂浆粘结性能丧失的直接原因是大风天气。本文通过研究和分析外保温墙板脱落现象，发现外保温墙板、基层墙体之间因先出现局部的空鼓现象而后随着外界环境影响加剧成区域性空鼓，从而导致外保温墙板的脱落。

本文通过对外保温墙板抗风荷载的安全性进行理论计算与试验分析，得出外保温墙板与基层墙体可以采用粘结砂浆进行连接，并且在理论上，当粘结砂浆的粘结力到达规范要求时，可以保证结构的安全性。值得注意的是，由于基层墙体种类、施工质量的差异等因素会直接导致粘结砂浆的粘结性能下降，并通过抗风性试验得到证实，外保温墙板破坏发生于砂浆与保温装饰板粘结面处，该破坏的发生易导致外保温墙板的高空坠落，危机群众的生命安全。因此，这就对不同基层墙体、砂浆的调配、施工人员的技术、施工质量的检验提出了较高要求。

由此可见，雨水和极端环境是诱因，而风荷载是促使外保温墙板脱落的直接原因。因此，在保证建筑物节能率的情况下，尽可能地减小风荷载对外保温墙板的影响程度，通过外保温墙板抗风荷载设计计算以及加强构造措施等方式，加强质量控制，严防墙板脱落问题发生。