建筑外墙外保温系统锚栓力学性能试验研究

　　摘要：分别对不同基层、不同锚入深度、不同类型和不同循环荷载峰值的锚栓进行抗拉试验和疲劳试验，研究其抗拉承载力标准值和疲劳性能。试验结果表明：混凝土基层中锚栓的抗拉承载力高于蒸压加气混凝土砌体基层中的锚栓，敲击式锚栓的抗拉承载力明显高于错误施工式锚栓(旋入式采用错误的敲击安装方式)和旋入式锚栓;锚栓的疲劳次数与循环荷载峰值成负相关，在0.2F～0.8F循环荷载峰值段，砌体基层和混凝土基层中对应的疲劳次数最大相差20倍和72倍，疲劳次数受疲劳荷载影响较大，且疲劳次数降幅逐渐变缓;锚入深度小于65mm时，锚栓的疲劳次数均随锚入深度的增大而增加。

　　关键词：外保温锚栓;抗拉承载力;循环荷载峰值;疲劳次数

　　引言外墙外保温系统具有良好的保温隔热功能及降低建筑能源损耗等优点，目前已成为建筑节能的重要实现形式[1-3]。然 而，近年来建筑外墙外保温层的大面积脱落事件屡见不鲜[4-6]。究其原因主要是外保温锚栓数量、抗拉承载力达不到规定值以及风荷载的往复作用使其产生疲劳破坏，最终导致外保温系统脱落[7]。目前外墙外保温系统中保温板与基层墙体的连接方式以粘锚结合为主[8]，锚栓固定为最常用的加固连接方式，采用锚固固定方式的外保温系统的力学性能主要取决于所使用的锚栓。近年来，国内外学者对外保温锚栓进行了一些试验研究和理论分析。

　　建筑施工评职论文浅析外墙渗漏处理方法

　　王学成等[9]通过试验研究了加载速度、基层墙体及试验设备对单个锚栓抗拉承载力标准值的影响，但在实际应用中其相对于平均值的合理性有待进一步验证。苗纪奎等[10]通过现场检测与分析，提出了单位面积系统所需的锚栓数量和布置原则。刘思琪[11]进行了蒸压粉煤灰砌体基层上锚栓的静力拉伸试验，分析了锚栓的受力机制与破坏模式，但尚未研究锚栓在反复风荷载作用下的受力特征。孙立新等[12]研究了粘结率和锚栓数量对岩棉薄抹灰外保温系统抗风性能的影响，但无法精确分解粘或锚的贡献率。

　　综合以上文献可以发现，目前的研究主要针对于外保温锚栓的布置形式和承载力，而对锚栓疲劳性能的相关研究较少。在实际工程中，外保温锚栓在往复风荷载的作用下产生疲劳损伤，最终导致外保温系统脱落破坏的事件时有发生[13]。因此，在明确抗拉承载力的基础上，对外保温锚栓的疲劳性能展开研究显得尤为重要。本文通过对外保温锚栓进行抗拉试验和锚栓疲劳试验，分析不同影响因素对外保温锚栓抗拉承载力标准值和疲劳性能的影响规律，为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

　　本试验分别采用强度等级为A2.0的蒸压加气混凝土砌体和强度等级为C30、C40的混凝土试块作为基层。其中，砌体基层的截面尺寸为600mm×240mm×200mm，混凝土基层的截面尺寸为2800mm×450mm×150mm。锚栓类型为敲击式锚栓和旋入式锚栓2种，均由镀锌金属钉和带圆盘的尼龙膨胀套管组成。锚栓膨胀套管的圆盘直径为60mm，套管管体直径为10mm，膨胀套管总长为162mm。安装时先用钻孔机钻孔，然后将套管置于钻孔内，分别采用敲击和旋入的方式安装锚钉。

　　1.2锚栓抗拉试验

　　锚栓抗拉试验采用HC-MD60高精度锚栓拉拔仪进行加载。该仪器的拉力行程为60mm，最大拉力为10kN，具有峰值保持功能，在加载模式下可以直接读取锚栓拔出基层时拉力的峰值。

　　试验设计时以基层墙体的类型、锚栓的锚入深度、锚栓的类型、锚栓的施工安装方式为变量，共设计45组锚栓拉拔试验。根据JG/T483—2015《岩棉薄抹灰外墙外保温系统材料》中蒸压加气混凝土砌体中锚栓的锚入深度不应小于65mm，混凝土和实心砌体墙中锚入深度不应小于55mm的规定，在砌体基层中选取45、55、65、75、85mm5种锚入深度，在混凝土基层中选取35、45、55、65、75mm5种锚入深度，针对敲击式锚栓、旋入式锚栓以及错误施工式锚栓(旋入式采用错误的敲击安装方式)进行拉拔试验。每组试验取10个锚栓，将测得的10个拉力平均值作为锚栓的抗拉承载力标准值。

　　1.3锚栓疲劳性能试验

　　外保温锚栓的疲劳性能试验采用与专业试验仪器公司联合设计开发的智能锚栓拉拔仪进行循环加载。该仪器的最大拉力为2kN，拉力误差范围在5%以内。试验时，通过设置循环荷载峰值并切换至自动加载模式，智能拉拔仪可实现对锚栓的循环加载，并可直接读取拉拔循环次数。

　　2锚栓抗拉承载力试验结果分析

　　2.1砌体基层中锚栓抗拉承载力标准值

　　将锚栓钻孔安装后在常温下静置500h，然后使用HCMD60高精度锚栓拉拔仪对砌体基层上5种锚入深度下的3种锚栓进行一次性拔出试验，记录锚栓破环时拉拔仪显示的峰值以及锚栓的破坏形态，考虑到试验数据存在离散性，采用格拉布斯法[14]剔除异常值进行数据处理。蒸压加气混凝土砌体基层强度较低，锚栓在其中同时受到摩擦力和机械锁定力2种作用力，锚栓破坏失效模式均为被整体拔出。

　　蒸压加气混凝土砌体基层密实程度相对较高，在实心基层中安装锚栓，受基层密实程度和孔洞周围空间限制，锚钉难以旋入塑料套管使其膨胀，锚栓锚固不到位，故旋入式锚栓的抗拉承载力无法达到JG/T366—2012的规定值，而敲击的方式更容易使锚栓充分锚入基层。

　　这说明旋入式锚栓在蒸压加气混凝土砌体基层中的适用性存在一定问题，在工程应用中应予以考虑。综上，在实际工程中敲击式锚栓在蒸压加气混凝土砌体基层中的抗拉承载力标准值最高，锚固效果最好，可以通过适当增加锚入深度的方式来提高锚栓的抗拉强度。

　　2.2混凝土基层中锚栓抗拉承载力标准值

　　锚栓安装静置后，使用拉拔仪对C30、C40混凝土基层中5种锚入深度下的3种锚栓进行一次性拔出试验，记录锚栓破环时拉拔仪显示的峰值以及锚栓的破坏形态。混凝土基层中敲击式锚栓的破坏形态主要有2种：锚栓被整体拔出和套管圆盘处断裂。锚栓被拉出过程中随拉力的增大，膨胀套管不断被拉长，并带出少量基层碎屑，混凝土基层表面未出现裂缝。

　　套管断裂时会发出响声，锚钉留在套管中未被拉出。旋入式锚栓均被整体拔出，使用敲击方式安装时，锚固过程中发生损坏，甚至有锚栓出现弯曲的情况，导致了锚栓抗拉承载力的降低。混凝土基层中锚栓的抗拉承载力主要取决于摩擦力，当锚固深度为75mm时，膨胀套管与基体的接触面积远大于锚入深度为35mm时的，其受到的压力和摩擦力更大，故锚栓被拔出基层的拉力值也越大。敲击式锚栓的膨胀端为底部至向上60mm位置，锚栓锚入至65mm深度时，由于膨胀端逐渐进入基层中，抗拉承载力增大明显。当膨胀端完全锚入基层后承载力变化不大。由此可见，在混凝土基层外保温工程中可通过增加锚入深度的方式来适当提高锚栓的抗拉承载力。敲击式锚栓的锚固效果较好，抗拉承载力可以得到充分利用，在工程中应优先考虑。

　　3锚栓疲劳性能试验结果分析由锚栓的抗拉承载力试验可知，在蒸压加气混凝土砌体基层和混凝土基层中，旋入式锚栓和错误施工式锚栓的抗拉承载力标准值达不到JG/T366—2012的规定值，故仅针对敲击式锚栓进行疲劳试验。

　　3.1砌体基层中锚栓的疲劳试验使用智能拉拔仪对砌体基层上的锚栓进行循环加载。锚栓在循环荷载作用下均被整体拔出，未出现明显弯曲和断裂现象，砌体基层表面没有出现裂缝，仅有孔洞内碎屑被带出。

　　3.2混凝土基层中锚栓的疲劳试验

　　混凝土基层中锚栓的疲劳破坏形式只有1种，即锚栓被整体拔出，基层无明显破坏现象，仅有少量孔洞碎屑被带出。随着疲劳循环次数的增加，锚栓套管不断被拉长，套管与圆盘交界处及套管端部因多次拉伸呈现白色。疲劳次数越多锚栓伸长率越大，75mm深度0.2F循环荷载峰值下锚栓伸长率最大，可达3%。

　　4结语

　　(1)混凝土基层中锚栓的抗拉承载力大于蒸压加气混凝土砌体基层中的锚栓，同种基层中敲击式锚栓的抗拉承载力明显大于错误施工式锚栓和旋入式锚栓。

　　(2)在0.2F～0.8F循环荷载峰值段，砌体基层中对应的疲劳次数最大相差20倍，混凝土基层中最大相差72倍，锚栓的疲劳次数受疲劳荷载影响较大。

　　(3)砌体基层和混凝土基层中，锚入深度小于65mm时，锚栓的疲劳次数均随锚入深度的增大而增加。

　　(4)锚栓的疲劳次数与循环荷载峰值成负相关关系，砌体基层中锚栓疲劳次数在0.2F～0.4F循环荷载峰值段降幅较大;混凝土基层中在0.2F～0.6F段降幅较大。

　　参考文献：

　　[1]薄海涛.建筑外墙外保温系统耐久性及评价研究[D].武汉：华中科技大学，2009.

　　[2]唐健，杨超，马丹.锚栓用量对纯锚固岩棉保温系统抗风压性能的影响[J].新型建筑材料，2015，42(3)：53-56，75.

　　作者：苏思丽1，李安起1，2，刘哲