外墻外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)抗震試驗(yàn)與分析

1 前言

 瓷磚飾面具有比涂料飾面耐沾污能力強(qiáng)、色澤耐久性更好等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)用瓷磚作為外飾面的建筑比例相當(dāng)高，在外保溫墻面上的應(yīng)用也有相當(dāng)大的需求。所以，有必要在國內(nèi)研究獨(dú)特的外墻外保溫瓷磚粘貼飾面層的技術(shù)以及在高層建筑中應(yīng)用的可行性。因此，我們通過與中國建筑科學(xué)研究院工程抗震研究所、鐵道部科學(xué)研究院鐵建所等單位合作，共同制定了外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)的抗震試驗(yàn)方案及試驗(yàn)程序，并于2001年8月29日在鐵道部科學(xué)研究院鐵建所，針對(duì)某實(shí)際工程進(jìn)行了外墻外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)抗震試驗(yàn)。考慮到本系統(tǒng)中瓷磚飾面與主體結(jié)構(gòu)的連接是柔性軟連接，主體結(jié)構(gòu)所受扭曲力難以傳遞到飾面層，因此，選做垂直瓷磚飾面層地震波的抗震試驗(yàn)。選用具有廣泛代表性的、對(duì)外飾面破壞力最大正弦拍波，使外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)抗震試驗(yàn)更具有現(xiàn)實(shí)意義和代表性。

2 保溫層面層粘貼瓷磚構(gòu)造設(shè)計(jì)和依據(jù)

2．1  設(shè)計(jì)依據(jù)

 目前，市場上流行的瓷磚尺寸多樣，我們對(duì)外墻飾面上應(yīng)用比較廣泛的幾種類型瓷磚的質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下：145mm× 45mm瓷磚的質(zhì)量為88g／塊，每平方米用量為130塊共11．44kg；200mm×60mm瓷磚的質(zhì)量為，172g／塊，每平方米用量為75塊共12．9kg；255mm×ll2mm瓷磚質(zhì)量為420g／塊，每平方米用量為28塊共11．76kg；400mm×250mm瓷磚質(zhì)量為1．650g／塊，每平方米用量為10塊共16．5kgo每平方米所用ZL瓷磚膠粘劑為16～23kg。因此，每平方米瓷磚加瓷磚膠粘劑總質(zhì)量為28～40kg。

  根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用等效側(cè)力法計(jì)算水平地震作用值時(shí)，可按下式計(jì)算：式中

 F＝γηε₁ε₂α_maxG

F——沿最不利方向施加于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件重心處的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值； 

γ——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件功能系數(shù)，這里取1．4；

η—非結(jié)構(gòu)構(gòu)件類別系數(shù)，這里取0．9； 

ε₁——連接狀態(tài)系數(shù)，這里取2．0； 

ε₂——位置系數(shù)，建筑的頂點(diǎn)宜取2．0，底部宜取1．0，沿高度線性分布；

α_max——地震影響系數(shù)最大值，按罕遇地震取0．90；

G——非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的重力。通過(1)式計(jì)算得出，地震作用最大值F_max＝4．536G，即每平方米作用在粘貼的瓷磚上的地震作用力為1．27～1．81kN。因此，在高層建筑l00m高度處粘貼瓷磚時(shí)8級(jí)地震作用力為1．27～1．81kN／m²。

2.2  構(gòu)造設(shè)計(jì)

 保溫層材料選擇了目前應(yīng)用最廣的膠粉聚苯顆粒保溫材料、單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板、無網(wǎng)聚苯板三種類型?？紤]到這三種保溫材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，對(duì)膠粉聚苯顆粒保溫材料面層粘貼三種不同尺寸型號(hào)的瓷磚進(jìn)行試驗(yàn)；對(duì)單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板面層粘貼重量比較小的特小號(hào)瓷磚進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)比在聚苯板表面用普通水泥砂漿和用膠粉聚苯顆粒保溫材料進(jìn)行找平時(shí)抗震性能方面的差異；對(duì)無網(wǎng)聚苯板面層只進(jìn)行涂料飾面的抗震試驗(yàn)。

 在抗裂防護(hù)層中，用四角鍍鋅鉛絲網(wǎng)代替耐堿涂塑玻纖網(wǎng)格布復(fù)合抗裂砂漿為抗裂層，并用結(jié)構(gòu)墻體上射釘尾孔上的鍍鋅鉛絲將鍍鋅鉛絲網(wǎng)綁緊，提高面層、保溫層與結(jié)構(gòu)層的結(jié)合牢度，提高整個(gè)構(gòu)造的安全可靠性。具體做法如圖l。

 瓷磚粘結(jié)劑選用變形量大于瓷磚溫度變形量一個(gè)數(shù)量級(jí)的膠粘劑，其粘結(jié)強(qiáng)度和抗凍融性能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，壓折比小于3，具有合理的柔性。

 加固用射釘長42mm，4根／m²。根據(jù)測試，每根射釘破壞拉力為7kN，4根為28kN，綁扎用鉛絲的拉斷力為2kN，因此，每平方米設(shè)計(jì)4個(gè)機(jī)械固定點(diǎn)后的總抗拉能力為8kN，大于高層建筑100m高度處8級(jí)地震作用力的4～5倍。

3  試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3．1  模型的設(shè)計(jì)與制作

 為驗(yàn)證保溫材料與主體結(jié)構(gòu)的附著性能，驗(yàn)證瓷磚膠粘劑的粘結(jié)能力，分三個(gè)試件6種狀況進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前，與中國建筑科學(xué)研究院工程抗震所以及鐵道部科學(xué)研究院鐵建所按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)進(jìn)行了試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，選用建筑物結(jié)構(gòu)類型為國內(nèi)較多采用的全現(xiàn)澆高層混凝土結(jié)構(gòu)，按要求成型寬度1．3m、高度1．2m、厚度0．16m、帶有孔固定鋼角的，強(qiáng)度為C₃₀的混凝土試件3塊，分別在三塊試件的6個(gè)面對(duì)6種不同類型的保溫構(gòu)造進(jìn)行抗震測試。

各試件的材料構(gòu)成見表模型試件材料構(gòu)成          表1

  3．2  加載及測試方案

 三個(gè)試件分兩次進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)從北京8度設(shè)防烈度地震影響系數(shù)最大值0．2g開始分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)增加0．1g，共5級(jí)，即0．2g(1倍)、0．3g(1．5倍)、0．4g(2倍)、0．5g(2．5倍)、0．6g(3倍)。同時(shí)考慮垂直于建筑物表面的水平地震波對(duì)非結(jié)構(gòu)承重材料破壞性最大，選擇水平正弦拍波(圖3)，每次振動(dòng)大于20s且大于5個(gè)拍波。本試驗(yàn)考慮不同地區(qū)以及建筑物的不同位置地震反應(yīng)譜不同的情況，參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2001)5．1．4地震影響系數(shù)曲線分頻段進(jìn)行。試驗(yàn)頻率按l／3倍頻程分級(jí)，即: 0．99、1．25、1．58、2．00、2．50、3．13、4．00、5．00、6．30、8．00、10．0、12．5、16．0、20．0、32．0Hz。

4  試驗(yàn)結(jié)果及分析

4．1  試驗(yàn)結(jié)果

 試件一經(jīng)過了10h兩個(gè)周期的振動(dòng)試驗(yàn)。在第一個(gè)周期當(dāng)加速度達(dá)到0．5g時(shí)，鋼筋混凝土母體材料有部分脫落及裂縫產(chǎn)生。A、B面上的保溫材料及裝飾層材料均無開裂、無損壞、無脫落，粘貼的大號(hào)瓷磚、中號(hào)瓷磚均無脫落松動(dòng)現(xiàn)象。

  試件二在經(jīng)過5h一個(gè)周期振動(dòng)試驗(yàn)，到0．5g時(shí)，鋼筋混凝土母體材料有部分脫落及裂縫，底盤架連接處略有開焊，到0．6g時(shí)，試件二底盤架連接處開焊。C面在0．5～0．6g下出現(xiàn)鋼絲網(wǎng)架切割聚苯板的聲音，試驗(yàn)后剖開試件發(fā)現(xiàn)聚苯板產(chǎn)生了一定量的破壞，組合澆筑聚苯板邊角出現(xiàn)開裂，粘貼在單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板面層上的特小號(hào)瓷磚無脫落松動(dòng)現(xiàn)象，但面層出現(xiàn)了少許裂紋。D面上的保溫材料及裝飾層材料均無開裂、無損壞、無脫落，粘貼的小號(hào)瓷磚無脫落松動(dòng)現(xiàn)象。

 試件三在經(jīng)過5h一個(gè)周期振動(dòng)試驗(yàn)，到0．5g時(shí)，鋼筋混凝土母體材料有部分脫落及裂縫產(chǎn)生。正面在振動(dòng)到0.5g時(shí)，出現(xiàn)了鋼絲網(wǎng)架切割聚苯板的聲音，聚苯板產(chǎn)生了一定的破壞，振動(dòng)到0.6g時(shí)，這種現(xiàn)象更加明顯，單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板面層上的特小號(hào)瓷磚未出現(xiàn)脫落松動(dòng)現(xiàn)象，面層也未出現(xiàn)裂紋。振動(dòng)試驗(yàn)后，F(xiàn)面的無網(wǎng)聚苯板面層所抹膠粉聚苯顆粒找平材料及所刷涂料均無開裂、無損壞、無脫落，面層未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

 對(duì)抗震試驗(yàn)后的試件上的瓷磚進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，測得瓷磚膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度為0．73MPa，完全可以滿足粘貼瓷磚的要求。

4．2  結(jié)果分析

 在外保溫面層上進(jìn)行粘貼瓷磚與在堅(jiān)實(shí)的混凝土基層上粘貼瓷磚使用條件是不同的。在外保溫面層粘貼瓷磚必須考慮保溫材料面層的荷載能力、瓷磚膠粘劑的粘結(jié)能力以及在地震作用下的抵抗劇烈  運(yùn)動(dòng)的柔性變形能力。由于外保溫中基層墻體與飾面層瓷磚是通過保溫材料進(jìn)行柔性連接的，因而在受力時(shí)基層墻體與飾面層瓷磚不能看成一個(gè)整體，它們的受力狀態(tài)是不同的，所以在選擇瓷磚膠粘劑時(shí)，也要選用與保溫材料相適應(yīng)的具有一定柔性的瓷磚膠粘劑，從而形成一個(gè)柔性漸變的體系。在這次抗震試驗(yàn)中選用的ZL瓷磚膠粘劑粘貼瓷磚后的粘結(jié)強(qiáng)度為0．40～0．80MPa，壓折比小于3．0，彈性模量小于6600MPa，具有適當(dāng)?shù)娜犴g性，符合柔性漸變、逐層釋放應(yīng)力的技術(shù)要求。

 從各構(gòu)造層看，保溫體系的抗裂防護(hù)層和瓷磚通過瓷磚膠粘劑進(jìn)行粘結(jié)，各構(gòu)造層的變形指標(biāo)為：抗裂防護(hù)層5％，瓷磚膠粘劑5‰，瓷磚0．15‰。上述各層彈性模量變化指標(biāo)相匹配，同樣滿足逐層漸變的柔性抗裂原則，瓷磚膠粘劑的可變形量小于抗裂砂漿而大于瓷磚的變形量，完全能夠通過自身的形變消除兩種質(zhì)量、硬度、熱工性能完全不同的材料的形變差異，從而進(jìn)一步確保了每塊瓷磚像魚鱗一樣獨(dú)立地釋放應(yīng)力，不會(huì)因?yàn)榈卣鹱饔冒l(fā)生變形而脫落。

 同時(shí)，ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料與建筑物墻體的粘結(jié)能力好，抗震性能優(yōu)，其柔性構(gòu)造能夠緩解地震力對(duì)面層的沖擊力，保溫墻瓷磚膠粘劑的彈性設(shè)定值比較適宜，可以控制瓷磚在罕遇強(qiáng)度等級(jí)地震的振動(dòng)作用下不開裂、不脫落。而且，選用孔徑為20mmX20mm鍍鋅鋼絲網(wǎng)代替耐堿玻纖網(wǎng)，并且用22號(hào)鍍鋅鉛絲與基層墻體錨固的射釘緊密綁扎，增強(qiáng)其安全性和抗震能力，致使面層粘貼的瓷磚在罕遇地震作用下也不會(huì)脫落。在ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料上粘貼不同尺寸型號(hào)的瓷磚時(shí)，因?yàn)?，大塊瓷磚和小塊瓷磚的密度基本一樣，而且粘貼瓷磚時(shí)采用滿粘，所以大塊瓷磚和小塊瓷磚每平方米的受力大小是一樣的，每平方米給保溫材料所加的荷載也基本一樣，因此，瓷磚大小對(duì)正弦拍波水平破壞力沒有太大的影響，在ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料上可以粘貼不同尺寸型號(hào)的瓷磚。當(dāng)在ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料面層上粘貼瓷磚的最大荷載為60kg／m²時(shí)，經(jīng)過抗震試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)問題。因此，在ZL膠粉聚苯．顆粒保溫材料面層上可以附加不大于60kg／m²的荷載，在樓層較低且無墻體扭曲現(xiàn)象發(fā)生處可以粘貼較大尺寸型號(hào)的瓷磚。

 采用單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板與混凝土進(jìn)行現(xiàn)澆時(shí)，粘貼瓷磚后其面層荷載最小也要達(dá)到40kg／m²，在進(jìn)行抗震試驗(yàn)時(shí)，不論是采用水泥砂漿進(jìn)行找平處理還是用ZL膠粉聚苯顆粒保溫漿料進(jìn)行找平處理，粘貼瓷磚后進(jìn)行抗震試驗(yàn)聚苯板都會(huì)被鋼絲破壞，用水泥砂漿找平的面層還會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。由此可見，單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板面層不能承受太大的荷載，當(dāng)其面層荷載較大時(shí)，在受到地震作用力時(shí)，由于聚苯板的柔性作用，面層荷載受力后上下左右各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與基層墻體不一致，不能產(chǎn)生同步運(yùn)動(dòng)，從而造成聚苯板中的鋼絲切割聚苯板使聚苯板保溫層被破壞。在高層建筑中，當(dāng)結(jié)構(gòu)墻體誤差達(dá)到2cm時(shí)，在單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板上粘貼瓷磚后的重量荷載將達(dá)到90kg／m²，在地震力的影響下，其重力很容易使穿透聚苯板的斜插鋼絲形成切割聚苯板的破壞作用，這一結(jié)果表明，在單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板表面粘貼瓷磚存在隱患，在大震作用下保溫層首先被破壞，從而易使面層瓷磚產(chǎn)生脫落掉下現(xiàn)象。為了安全起見，建議在地震8度設(shè)防區(qū)20m以上的高層建筑中采用單片鋼絲網(wǎng)架聚苯板作為其外保溫材料時(shí)，其飾面層不宜用瓷磚作為飾面材料。

 采用無網(wǎng)聚苯板與混凝土進(jìn)行澆筑時(shí)，聚苯板的固定是靠聚苯板上的燕尾槽與混凝土進(jìn)行咬合固定的，由于聚苯板本身的強(qiáng)度不夠高，因此在固定后其面層也不能承受太大的荷載。在無網(wǎng)聚苯板面層附加20kg／m²大小的荷載進(jìn)行抗震試驗(yàn)時(shí)，其面層材料沒有出現(xiàn)任何破壞現(xiàn)象，由此可見，在無網(wǎng)聚苯板面層上可以附加不大于20kg／m²大小的荷載，宜采用各種涂料進(jìn)行飾面處理。

5 實(shí)際應(yīng)用情況

ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料瓷磚飾面層作法，首先在山東臨沂桃源大廈外墻外保溫工程進(jìn)行了高層應(yīng)用，經(jīng)過一冬一夏的實(shí)際考驗(yàn)，無任何開裂、脫落現(xiàn)象，可以初步說明此項(xiàng)技術(shù)的安全可行性。之后，我們又在珠江綠洲五棟百米高層建筑進(jìn)行了高層應(yīng)用，進(jìn)一步完善此項(xiàng)技術(shù)，使該項(xiàng)技術(shù)的成熟程度得到了進(jìn)一步的提高。如今，該項(xiàng)技術(shù)已在四十多個(gè)高層及一百多個(gè)多層建筑上進(jìn)行應(yīng)用。ZL膠粉聚苯顆粒保溫體系粘貼面磚作法耐候能力的評(píng)價(jià)有待長期的實(shí)踐跟蹤觀察。