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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(guó)內(nèi)的巖棉外墻外保溫使用中，出于安全和市場(chǎng)的考慮，對(duì)巖棉板的強(qiáng)度進(jìn)行了限制。其出發(fā)點(diǎn)是：假設(shè)市場(chǎng)使用的巖棉較差，或者通過(guò)加設(shè)這一高要求，期望本來(lái)供貨的巖棉為了達(dá)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(shí)際強(qiáng)度在7Kpa，而在實(shí)踐中，正規(guī)按照產(chǎn)品要求出貨，誠(chéng)實(shí)的企業(yè)不得不提高產(chǎn)品的密度以達(dá)到10KPa的要求，而有些廠家通過(guò)一些偷梁換柱，以次充好，最終在市場(chǎng)中出現(xiàn)了 “劣品逐良品”，好的巖棉不僅沒(méi)有被推廣，反而被以次充好，影響了一個(gè)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

要做到高抗拉強(qiáng)度的產(chǎn)品，需要將密度提高到一定的范圍，廠家為了達(dá)到要求，必須提高容重或有機(jī)物含量，但是有機(jī)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(huì)被限制，以目前中國(guó)的生產(chǎn)產(chǎn)能看，2～2.5萬(wàn)噸級(jí)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(duì)于保溫毫無(wú)幫助，而且還會(huì)降低性能；合適的產(chǎn)品對(duì)于社會(huì)資源來(lái)講，也可以減少更多的資源消耗。

參考國(guó)外的編制標(biāo)準(zhǔn)，在EN13500中，對(duì)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(jí)別的強(qiáng)度提高到TR7.5了，如果在各地標(biāo)中進(jìn)一步提高，對(duì)中國(guó)巖棉市場(chǎng)的發(fā)育是負(fù)面的，對(duì)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(kāi)巖棉帶（國(guó)內(nèi)也稱豎絲巖棉）的應(yīng)用，本節(jié)主要探討錨栓盤(pán)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(qiáng)，錨栓固定，錨栓盤(pán)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(guò)稱參考下面，粘接面積較小（40%～50%）的過(guò)程（圖2）。

在荷載很小的時(shí)候，整個(gè)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(qiáng)度達(dá)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(pán)與面層的砂漿層，以及在斜向上局部的巖棉還會(huì)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(shí)，在錨栓的位置，巖棉板使用砂漿粘貼對(duì)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(pán)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(shí)，模型如下（圖4）。

每件板材使用3個(gè)錨栓固定（單位面積為4.2個(gè)），每個(gè)受力的單元如右圖，每個(gè)單元由4個(gè)錨栓承擔(dān)荷載，每個(gè)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(cuò)的排列，每件板材使用4個(gè)錨栓固定（單位面積為5.6個(gè)），每個(gè)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(gè)單元的面積大大減少（圖6）。

如果需要進(jìn)一步增加錨栓，每一個(gè)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(gè)錨栓（單位面積為11個(gè)）。

如果考慮錨栓全部受力，如果簡(jiǎn)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(gè)受力單元，在某些地方錨栓密。某些區(qū)域錨栓疏時(shí)，針對(duì)整個(gè)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(huì)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(guò)程中剪切力非常大，因?yàn)榱Φ姆较蚝椭饕睦w維垂直，如果假設(shè)錨栓盤(pán)和錨栓受力部位沒(méi)有位移，每個(gè)錨栓附近巖棉的剪切強(qiáng)度值會(huì)增加系統(tǒng)的整體強(qiáng)度。所以，在外墻用巖棉板中，當(dāng)巖棉板的厚度增加時(shí)，在其它條件不變的條件下，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全性能是會(huì)得到提升，因?yàn)閹r棉受力后，在錨栓盤(pán)附近的剪切力會(huì)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(shí)和使用的巖棉板厚度、巖棉板的抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)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(shí)，受力的情況便會(huì)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(guò)程中會(huì)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(dá)到破壞的強(qiáng)度，本身的變形仍然非常小，而且在荷載施加的過(guò)程中，由于面層的變形，荷載會(huì)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(shí)受力，如同前面的分析，在荷載相對(duì)較小的時(shí)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(gè)點(diǎn)出現(xiàn)破壞。

這里有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，即巖棉板的抗拉強(qiáng)度與粘接面積的配合問(wèn)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(jì)，從實(shí)際工程中的情況看，實(shí)際的有效粘接面積也不過(guò)50%～70%，如果使用強(qiáng)度較大的巖棉滿粘，如強(qiáng)度TR10以上的產(chǎn)品，即使在最大的風(fēng)壓荷載（如風(fēng)壓達(dá)到5KPa），巖棉內(nèi)部也不會(huì)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(jì)算系統(tǒng)的承載能力時(shí)，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(qiáng)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(jiàn)圖9。

巖棉滿粘，如使用強(qiáng)度較低的TR5（參考EN13500中的級(jí)別劃分），在受到荷載作用時(shí)，巖棉內(nèi)部出現(xiàn)破壞，在這種條件下，整個(gè)系統(tǒng)的受力承載力和局部粘接沒(méi)有太大的區(qū)別（圖10）。

所以在國(guó)外的礦棉（WM）應(yīng)用于外墻中時(shí)，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(jì)系統(tǒng)做法時(shí)如何選用巖棉級(jí)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(yàn)方法，70°C, RH95%, 28D）后的強(qiáng)度，考慮荷載；然后，如果荷載大于老化后的強(qiáng)度，粘接面積可使用40%～50%，對(duì)于強(qiáng)度較高的巖棉板，保留強(qiáng)度遠(yuǎn)大于荷載時(shí)，可以提高粘接面積以提高整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度。

在提高巖棉強(qiáng)度，錨栓的強(qiáng)度增加非常重要，錨栓的強(qiáng)度提高對(duì)整個(gè)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(duì)系統(tǒng)承載力沒(méi)有任何幫助（圖11）。

3 系統(tǒng)強(qiáng)度的試驗(yàn)驗(yàn)證（參考ETAG004-2012）

出現(xiàn)破壞的點(diǎn)參考圖12、表2。

4 選用分析

巖棉板的強(qiáng)度使用TR7.5甚至更低級(jí)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(jì)合理的方式；

使用高強(qiáng)度的巖棉板，可以提高粘接面積以達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的整體強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)受力時(shí)，計(jì)算方式需要以錨固受力或粘接受力來(lái)計(jì)算。

在以錨固受力計(jì)算時(shí)，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(guò)設(shè)計(jì)，盲目增加錨栓數(shù)量或隨意安裝，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的力學(xué)承載力沒(méi)有任何貢獻(xiàn)。

較厚的巖棉板，如80mm以上，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全有貢獻(xiàn)，但同時(shí)對(duì)于風(fēng)壓荷載下的變形提出了挑戰(zhàn)。

經(jīng)過(guò)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(shí)，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(qiáng)，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(diǎn)是，錨栓直接固定在巖棉上，或者，錨栓盤(pán)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(jì)，施工快捷，而且受力的分析簡(jiǎn)單，在國(guó)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(jì)算錨栓的有效使用時(shí)，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(dú)對(duì)這件板材受力。在進(jìn)行受力分析時(shí)不同。參考圖16，錨栓作用在板材上時(shí)，靠近板材邊緣的錨栓作用有限，影響區(qū)域會(huì)減少，在同樣力學(xué)要求下，錨栓的使用量會(huì)增加。

以下從不同的粘貼面積分析受力：

受力的過(guò)程參考下面，首先示意粘接面積較小（20%～40%）的過(guò)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(gè)重要的考量指標(biāo)，而面層砂漿和巖棉板之間的粘接的強(qiáng)度會(huì)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(shí)踐可以看出，在進(jìn)行系統(tǒng)的拉拔試驗(yàn)時(shí)，或?qū)嶒?yàn)室的試驗(yàn)，或者工程中的拆除時(shí)，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(dú)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(jìn)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(shí)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(qiáng)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(qiáng)度不夠，會(huì)將錨栓從基層中拔出。

在這種系統(tǒng)的分析中，巖棉其實(shí)一直在參與受力，至少在錨栓周圍的巖棉，只要錨栓沒(méi)有位移、錨栓盤(pán)強(qiáng)度足夠，錨栓整體沒(méi)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(wú)論是巖棉板被剪切破壞還是被拉伸破壞，巖棉和錨栓對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起決定性的作用，提高巖棉板強(qiáng)度同時(shí)如果提高錨栓數(shù)量和錨栓的承載力，才能使整個(gè)系統(tǒng)的綜合力學(xué)性能平衡，即：面層的強(qiáng)度、保溫層與錨栓的強(qiáng)度接近，否則單純提高某一種材料是會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)，也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體的力學(xué)承載力提高。在一些模擬的計(jì)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(shí)，使用強(qiáng)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(qiáng)度。

6 系統(tǒng)強(qiáng)度的試驗(yàn)驗(yàn)證（參考ETAG004-2012）

出現(xiàn)破壞的點(diǎn)參考圖19、表3。

7 結(jié)語(yǔ)

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(jì)；

在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，巖棉板的強(qiáng)度提高后，可以提高粘接面積已達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的整體強(qiáng)度，同時(shí)和面層砂漿的粘接強(qiáng)度一起系統(tǒng)考慮；

無(wú)論如何考慮設(shè)計(jì)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(pán)壓住巖棉的部位有砂漿粘接到基層上；

提高巖棉板強(qiáng)度同時(shí)需要增加粘接面積才能發(fā)揮巖棉高強(qiáng)度（垂直于巖棉板表面的剪切力）的優(yōu)勢(shì)。

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(guò)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(shí)，不同種類的系統(tǒng)，如何使用巖棉，可參考圖20。

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