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建筑外墙外保温粘结问题的探讨
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内容提示：外墙保温是推广建筑节能的关键技术之一墙。从粘结剂的主要成份着手,分析了粘结剂的粘结原理、粘结强度的影响因素,得到了粘结强度,由此得出了确定粘结方式的根据是保温板沿厚度的变形,而粘结剂对保温板起到的是边界约束作用的结论。所以,不断调节粘结方式,控制保温板沿厚度方向的最大变形,就可以确定粘结方式。
所谓外墙外保温,是指在建筑物垂直外墙的外表面上建造保温层。外墙可以是砖石、混凝土、木材等建筑材料。这种外保温,可用于新建建筑物的墙体,也可以用于既有建筑外墙的改造。中国的外墙外保温市场正在日益繁荣,外墙外保温也正在成为我国的一项重要的基本的建筑节能措施。对于落实科学发展观和构建资源节约型社会具有重要的现实意义。目前,我国常用的外保温技术体系包括:胶粉聚苯颗粒保温砂浆外保温、聚苯乙稀泡沫塑料板外保温、钢丝网架聚苯乙稀泡沫塑料板外保温、岩棉板外保温、岩棉聚苯颗粒外保温等等。其中塑料保温板(或挤塑板)由于施工方便已被广泛采用,因此,保温板的粘结就显得非常重要。（参考《建筑中文网》）
1 保温层的固定
1.1 固定方法
保温层的固定一般分为:粘结固定、机械固定或两者的混合固定。机械固定方法一般用于木结构建筑,或是旧有建筑的外墙有釉面砖,而又无法将其清除的情况。而一般情况下,在粘结剂的质量保证的情况下,粘结强度(抗剪?抗拉强度)都高于保温板的强度。有关文献和已做课题实验都证实,在受到剪切或者垂直墙面的荷载作用下,破坏都发在保温板中,而不是粘结处。
1.2 保温板不加胀钉的分析
采用保温板外墙外保温系统技术和产品是目前最为广泛使用的一种墙体保温途径。该类系统除直接采用粘贴方式外,还少量采用粘钉结合。西北严寒地区大量的工程验证,对保温板外保温系统采取不加胀钉的做法是行之有效的。
1.2.1 有关风荷载问题
对EPS板墙体外保温系统抗风压性能测试显示,抗风压能力能够达到4500~5000Pa,相当于0·045~0.05MPa,粘结剂对EPS板基面粘结强度大于0.1MPa,对水泥基面粘结强度大于1MPa。
我国建筑节能检测中心及美国专威特公司都对系统的抗风压性能做过试验。试验结果表明:在风压力和风吸力各为4.5kN/m2时,均由于基层墙体的破坏才引起系统的破坏。因此,根据我国的荷载规范南部沿海地区按80m高度的建筑物最不利情况下的风荷载计算,风荷载不超过2.3kN/m2。相比之下,EPS板墙体外保温系统抗风压性能完全满足要求。
1.2.2 标准规定
国家建筑标准《外墙外保温建筑构造(一)》中,A型一聚苯乙烯泡沫塑料板外墙外保温系统规定,采用聚苯板作保温隔热层用胶粘剂与基层墙体粘贴,辅以锚栓固定。当建筑高度不超过20m,也可采用单一的粘结固定方式。个别工程设计要根据具体情况选定并说明。
1.2.3 用锚栓固定存在的缺点
锚栓必须穿透砂浆粘结点锚入基层墙体中以防止EPS板产生预应力。锚栓必须在粘结层的聚合物抗裂砂浆强度上来后,才能施工锚栓,否则会对已粘结的EPS板产生松动而失去粘结作用。施工周期明显加长,普通水泥砂浆强度需7天以上才能达到强度要求,施工操作工人为抢工期不严格按规范要求时间施工,产生隐患,以致破坏粘结层。锚栓帽在EPS板板面上露出,面层不易抹平,增加材料耗量,影响面层质量。如果使用锚栓过多又增加材料费、人工费,成本加大不经济。同时,使保温板自身荷载加大。特别是高层建筑外墙的保温板自身荷载过大,给保温板的脱落埋下隐患,又造成整个系统产生垫桥现象,破坏整个系统的保温性能。
2 合成胶粘剂
胶粘剂是外墙保温系统的核心材料之一,起着连接墙体基层和保温层的作用。将保温板粘结在基底(结构层)上的粘结材料品种多种多样,都称为粘结剂。合成胶粘剂是一种新型的经过精细化加工的工产品。它是由高分子化学、表面化学、材料力学等学科相互渗透、彼此综合而形成的一门新兴材料。是以合成聚合物为主体材料制成的,所用的主要成分是纯丙烯酸树脂乳液及骨料中的硅砂,对保温系统的安全使用年限起着至关重要的作用。丙烯酸树脂含量的多少直接影响到胶粘剂的耐水性、耐候性及抗裂性,骨料中硅砂则起着增强附着的作用。
胶结的地方一般被称为胶结结头。胶结结头在力学特性上是不连续的。胶层是典型的粘结弹性体,胶结界面区可能还有更为复杂的多层细微结构。结头在承受荷载时,应力通过胶层进行应力传递。胶结是通过胶粘剂夹在中间把被粘物连接在一起。胶结结头的结构十分复杂,即使理想化地解剖开来,,可分为几个部分。
在结头的任一部分,只要局部应力超过局部强度,破坏也将从那里开始,造成结头破坏。所以我们讨论结头强度时必须指明破坏地点。粘结后的保温板与结构层,在受到外力的情况下,根据破坏的地点不同大致可分为几种破坏类型。
实际情况表明,同一种粘结结构,由于胶层的厚度或破坏(加荷)速度不同,往往存在内聚破坏-混合破坏-界面破坏的有规则的转化过程。
3 剪切破坏
剪切强度是单位胶结面上所能承受的最大剪切负荷。
3.1 胶结结头在剪切力作用下的应力分布
3.1.1 应力的不均匀分布
由于被粘物是涂抹在结构层上的水泥砂浆和聚苯乙烯泡沫板。二者的弹性模量与聚合物胶粘剂的弹性模量相差很远,在荷载作用下应变差异很大,所以应力分布是不均匀的。
结头在外力P的作用下,结头内部主要有三种应力。
(1)被粘物上存在着平行于外力的拉伸应力。
(2)在胶层中存在着平行于外力的剪切应力。
(3)在胶粘剂和被粘物的胶结面上存在着垂直于胶结面的剥离应力,是由于外力作用的不同心引起的。
3.1.2 被粘物上的应力集中
当外力P作用于被粘物上时,由于被粘物厚度的关系,使被粘物承受力矩。而且,随着被粘物的变形,P的作用线不断变化,使力矩不断变化。被粘物端部的纵向应力由拉伸应力和弯曲应力叠加。
3.1.3 胶粘层上的应力集中
考虑到被粘物弯曲力矩的影响,得出了胶粘层上应力集中的结论。高强度胶粘剂的粘结结头被拉伸时,在结头破坏之间被粘物会发生塑性变形。这时剥离应力将迅速增大,从而引起结头破坏。
3.2 影响剪切强度的因素
3.2.1 被粘物的性质和厚度的影响
被粘物的模量和厚度越大,应力集中系数就越小,则胶结结头的剪切强度就越大。对于高强度的粘胶剂,剪切强度与被粘物性质的关系更加密切。被粘物的模量越高,剪切强度越高;胶结结头的剪切强度随材料的屈服强度的增加而增加;胶结结头的剪切强度与被粘物的厚度的平方成正比。
3.2.2 胶粘剂性质的影响
不同的胶粘剂内聚强度不同,对被粘物的粘附强度也不同,必然影响到结头强度。比如不同的胶粘剂模量不同,对应力集中的影响也不同。模量较低的胶粘剂应力集中系数较低,因此可以通过增加粘结长度来提高承载力;而对于模量较高的胶粘剂,过长的粘结长度对承载力没有太多的影响。
3.2.3 胶粘层厚度的影响
就应力分布而言,胶层越厚,结头应力集中越小,胶结强度应该提高。但是大量文献试验表明,胶层越厚它的剪切强度就越低,这是因为随着胶层厚度的增加,胶层内部的缺陷呈指数关系迅速增加。此外,胶层越厚,因胶粘剂固化收缩而产生的收缩应力也越大,造成强度的降低。胶层厚度还能改变破坏内型的改变。实验中经常看到,随着胶层厚度的增加,胶粘剂破坏内型常呈内聚破坏。但同时应当指出,胶层并非越薄越好。胶层越薄,容易过早形成缺胶现象,应力集中增大,应力分布不均匀,降低强度。所以要有一个均匀且厚度适宜的胶层。国家现行标准规定胶层的厚度以3~5mm为宜。
3.2.4 粘结长度的影响
对于外保温而言,粘结长度也就是粘结高度。从应力分析可知,应力集中随着粘结长度的增加而增大,也就是应力在粘结的两端更加集中,而粘结中央的应力却不断减少。
4 粘结剂的配比
合成胶粘剂采用的是聚合物乳液。所以,我们在胶中加入一定比例的水泥和水,这样配制的粘结剂就是浆体。另一个原因,水泥固化后也有粘结作用。
在选择最终配合比时,基本按照两点原则来考虑:
(1)调配出来的粘结胶浆不能太稀。这种情况是因为胶的比例太大,虽然固化后强度很高,但是初始粘结强度很低,因此保温板要借助外力固定。重要的是粘结胶浆的厚度不能控制,而厚度对粘结强度影响很大。
1 保温层的固定
1.1 固定方法
保温层的固定一般分为:粘结固定、机械固定或两者的混合固定。机械固定方法一般用于木结构建筑,或是旧有建筑的外墙有釉面砖,而又无法将其清除的情况。而一般情况下,在粘结剂的质量保证的情况下,粘结强度(抗剪?抗拉强度)都高于保温板的强度。有关文献和已做课题实验都证实,在受到剪切或者垂直墙面的荷载作用下,破坏都发在保温板中,而不是粘结处。
1.2 保温板不加胀钉的分析
采用保温板外墙外保温系统技术和产品是目前最为广泛使用的一种墙体保温途径。该类系统除直接采用粘贴方式外,还少量采用粘钉结合。西北严寒地区大量的工程验证,对保温板外保温系统采取不加胀钉的做法是行之有效的。
1.2.1 有关风荷载问题
对EPS板墙体外保温系统抗风压性能测试显示,抗风压能力能够达到4500~5000Pa,相当于0·045~0.05MPa,粘结剂对EPS板基面粘结强度大于0.1MPa,对水泥基面粘结强度大于1MPa。
我国建筑节能检测中心及美国专威特公司都对系统的抗风压性能做过试验。试验结果表明:在风压力和风吸力各为4.5kN/m2时,均由于基层墙体的破坏才引起系统的破坏。因此,根据我国的荷载规范南部沿海地区按80m高度的建筑物最不利情况下的风荷载计算,风荷载不超过2.3kN/m2。相比之下,EPS板墙体外保温系统抗风压性能完全满足要求。
1.2.2 标准规定
国家建筑标准《外墙外保温建筑构造(一)》中,A型一聚苯乙烯泡沫塑料板外墙外保温系统规定,采用聚苯板作保温隔热层用胶粘剂与基层墙体粘贴,辅以锚栓固定。当建筑高度不超过20m,也可采用单一的粘结固定方式。个别工程设计要根据具体情况选定并说明。
1.2.3 用锚栓固定存在的缺点
锚栓必须穿透砂浆粘结点锚入基层墙体中以防止EPS板产生预应力。锚栓必须在粘结层的聚合物抗裂砂浆强度上来后,才能施工锚栓,否则会对已粘结的EPS板产生松动而失去粘结作用。施工周期明显加长,普通水泥砂浆强度需7天以上才能达到强度要求,施工操作工人为抢工期不严格按规范要求时间施工,产生隐患,以致破坏粘结层。锚栓帽在EPS板板面上露出,面层不易抹平,增加材料耗量,影响面层质量。如果使用锚栓过多又增加材料费、人工费,成本加大不经济。同时,使保温板自身荷载加大。特别是高层建筑外墙的保温板自身荷载过大,给保温板的脱落埋下隐患,又造成整个系统产生垫桥现象,破坏整个系统的保温性能。
2 合成胶粘剂
胶粘剂是外墙保温系统的核心材料之一,起着连接墙体基层和保温层的作用。将保温板粘结在基底(结构层)上的粘结材料品种多种多样,都称为粘结剂。合成胶粘剂是一种新型的经过精细化加工的工产品。它是由高分子化学、表面化学、材料力学等学科相互渗透、彼此综合而形成的一门新兴材料。是以合成聚合物为主体材料制成的,所用的主要成分是纯丙烯酸树脂乳液及骨料中的硅砂,对保温系统的安全使用年限起着至关重要的作用。丙烯酸树脂含量的多少直接影响到胶粘剂的耐水性、耐候性及抗裂性,骨料中硅砂则起着增强附着的作用。
胶结的地方一般被称为胶结结头。胶结结头在力学特性上是不连续的。胶层是典型的粘结弹性体,胶结界面区可能还有更为复杂的多层细微结构。结头在承受荷载时,应力通过胶层进行应力传递。胶结是通过胶粘剂夹在中间把被粘物连接在一起。胶结结头的结构十分复杂,即使理想化地解剖开来,,可分为几个部分。
在结头的任一部分,只要局部应力超过局部强度,破坏也将从那里开始,造成结头破坏。所以我们讨论结头强度时必须指明破坏地点。粘结后的保温板与结构层,在受到外力的情况下,根据破坏的地点不同大致可分为几种破坏类型。
实际情况表明,同一种粘结结构,由于胶层的厚度或破坏(加荷)速度不同,往往存在内聚破坏-混合破坏-界面破坏的有规则的转化过程。
3 剪切破坏
剪切强度是单位胶结面上所能承受的最大剪切负荷。
3.1 胶结结头在剪切力作用下的应力分布
3.1.1 应力的不均匀分布
由于被粘物是涂抹在结构层上的水泥砂浆和聚苯乙烯泡沫板。二者的弹性模量与聚合物胶粘剂的弹性模量相差很远,在荷载作用下应变差异很大,所以应力分布是不均匀的。
结头在外力P的作用下,结头内部主要有三种应力。
(1)被粘物上存在着平行于外力的拉伸应力。
(2)在胶层中存在着平行于外力的剪切应力。
(3)在胶粘剂和被粘物的胶结面上存在着垂直于胶结面的剥离应力,是由于外力作用的不同心引起的。
3.1.2 被粘物上的应力集中
当外力P作用于被粘物上时,由于被粘物厚度的关系,使被粘物承受力矩。而且,随着被粘物的变形,P的作用线不断变化,使力矩不断变化。被粘物端部的纵向应力由拉伸应力和弯曲应力叠加。
3.1.3 胶粘层上的应力集中
考虑到被粘物弯曲力矩的影响,得出了胶粘层上应力集中的结论。高强度胶粘剂的粘结结头被拉伸时,在结头破坏之间被粘物会发生塑性变形。这时剥离应力将迅速增大,从而引起结头破坏。
3.2 影响剪切强度的因素
3.2.1 被粘物的性质和厚度的影响
被粘物的模量和厚度越大,应力集中系数就越小,则胶结结头的剪切强度就越大。对于高强度的粘胶剂,剪切强度与被粘物性质的关系更加密切。被粘物的模量越高,剪切强度越高;胶结结头的剪切强度随材料的屈服强度的增加而增加;胶结结头的剪切强度与被粘物的厚度的平方成正比。
3.2.2 胶粘剂性质的影响
不同的胶粘剂内聚强度不同,对被粘物的粘附强度也不同,必然影响到结头强度。比如不同的胶粘剂模量不同,对应力集中的影响也不同。模量较低的胶粘剂应力集中系数较低,因此可以通过增加粘结长度来提高承载力;而对于模量较高的胶粘剂,过长的粘结长度对承载力没有太多的影响。
3.2.3 胶粘层厚度的影响
就应力分布而言,胶层越厚,结头应力集中越小,胶结强度应该提高。但是大量文献试验表明,胶层越厚它的剪切强度就越低,这是因为随着胶层厚度的增加,胶层内部的缺陷呈指数关系迅速增加。此外,胶层越厚,因胶粘剂固化收缩而产生的收缩应力也越大,造成强度的降低。胶层厚度还能改变破坏内型的改变。实验中经常看到,随着胶层厚度的增加,胶粘剂破坏内型常呈内聚破坏。但同时应当指出,胶层并非越薄越好。胶层越薄,容易过早形成缺胶现象,应力集中增大,应力分布不均匀,降低强度。所以要有一个均匀且厚度适宜的胶层。国家现行标准规定胶层的厚度以3~5mm为宜。
3.2.4 粘结长度的影响
对于外保温而言,粘结长度也就是粘结高度。从应力分析可知,应力集中随着粘结长度的增加而增大,也就是应力在粘结的两端更加集中,而粘结中央的应力却不断减少。
4 粘结剂的配比
合成胶粘剂采用的是聚合物乳液。所以,我们在胶中加入一定比例的水泥和水,这样配制的粘结剂就是浆体。另一个原因,水泥固化后也有粘结作用。
在选择最终配合比时,基本按照两点原则来考虑:
(1)调配出来的粘结胶浆不能太稀。这种情况是因为胶的比例太大,虽然固化后强度很高,但是初始粘结强度很低,因此保温板要借助外力固定。重要的是粘结胶浆的厚度不能控制,而厚度对粘结强度影响很大。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/201104/14845.htm
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