建筑外墻外保溫系統錨栓力學性能試驗研究

蘇思麗，李安起，2，劉哲，3

（1.山東建筑大學，山東 濟南 250101；2.山東建大工程鑒定加固研究院，山東 濟南 250013；3.山東省萌山鋼構工程有限公司，山東 濟寧 272000）

0 引言

外墻外保溫系統具有良好的保溫隔熱功能及降低建筑能源損耗等優點，目前已成為建筑節能的重要實現形式[1-3]。然而，近年來建筑外墻外保溫層的大面積脫落事件屢見不鮮[4-6]。究其原因主要是外保溫錨栓數量、抗拉承載力達不到規定值以及風荷載的往復作用使其產生疲勞破壞，最終導致外保溫系統脫落[7]。目前外墻外保溫系統中保溫板與基層墻體的連接方式以粘錨結合為主[8]，錨栓固定為最常用的加固連接方式，采用錨固固定方式的外保溫系統的力學性能主要取決于所使用的錨栓。

近年來，國內外學者對外保溫錨栓進行了一些試驗研究和理論分析。王學成等[9]通過試驗研究了加載速度、基層墻體及試驗設備對單個錨栓抗拉承載力標準值的影響，但在實際應用中其相對于平均值的合理性有待進一步驗證。苗紀奎等[10]通過現場檢測與分析，提出了單位面積系統所需的錨栓數量和布置原則。劉思琪[11]進行了蒸壓粉煤灰砌體基層上錨栓的靜力拉伸試驗，分析了錨栓的受力機制與破壞模式，但尚未研究錨栓在反復風荷載作用下的受力特征。孫立新等[12]研究了粘結率和錨栓數量對巖棉薄抹灰外保溫系統抗風性能的影響，但無法精確分解粘或錨的貢獻率。綜合以上文獻可以發現，目前的研究主要針對于外保溫錨栓的布置形式和承載力，而對錨栓疲勞性能的相關研究較少。在實際工程中，外保溫錨栓在往復風荷載的作用下產生疲勞損傷，最終導致外保溫系統脫落破壞的事件時有發生[13]。因此，在明確抗拉承載力的基礎上，對外保溫錨栓的疲勞性能展開研究顯得尤為重要。

本文通過對外保溫錨栓進行抗拉試驗和錨栓疲勞試驗，分析不同影響因素對外保溫錨栓抗拉承載力標準值和疲勞性能的影響規律，為外保溫系統的設計和加固修復提供參考。

1 試驗

1.1 試件制作

本試驗分別采用強度等級為A2.0的蒸壓加氣混凝土砌體和強度等級為C30、C40的混凝土試塊作為基層。其中，砌體基層的截面尺寸為600 mm×240 mm×200 mm，混凝土基層的截面尺寸為2800 mm×450 mm×150 mm。錨栓類型為敲擊式錨栓和旋入式錨栓2種，均由鍍鋅金屬釘和帶圓盤的尼龍膨脹套管組成，如圖1所示。錨栓膨脹套管的圓盤直徑為60 mm，套管管體直徑為10 mm，膨脹套管總長為162 mm。安裝時先用鉆孔機鉆孔，然后將套管置于鉆孔內，分別采用敲擊和旋入的方式安裝錨釘。不同基層試塊上錨栓的測點布置如圖2和圖3所示。

圖1 錨栓示意

圖2 砌體基層錨栓測點布置

圖3 混凝土基層錨栓測點布置

1.2 錨栓抗拉試驗

錨栓抗拉試驗采用HC-MD60高精度錨栓拉拔儀（見圖4）進行加載。該儀器的拉力行程為60 mm，最大拉力為10 kN，具有峰值保持功能，在加載模式下可以直接讀取錨栓拔出基層時拉力的峰值。

圖4 高精度錨栓拉拔儀

試驗設計時以基層墻體的類型、錨栓的錨入深度、錨栓的類型、錨栓的施工安裝方式為變量，共設計45組錨栓拉拔試驗。根據JG/T 483—2015《巖棉薄抹灰外墻外保溫系統材料》中蒸壓加氣混凝土砌體中錨栓的錨入深度不應小于65 mm，混凝土和實心砌體墻中錨入深度不應小于55 mm的規定，在砌體基層中選取45、55、65、75、85 mm 5種錨入深度，在混凝土基層中選取35、45、55、65、75 mm 5種錨入深度，針對敲擊式錨栓、旋入式錨栓以及錯誤施工式錨栓（旋入式采用錯誤的敲擊安裝方式）進行拉拔試驗，如表1所示。每組試驗取10個錨栓，將測得的10個拉力平均值作為錨栓的抗拉承載力標準值。

表1 錨栓抗拉試驗設計

1.3 錨栓疲勞性能試驗

外保溫錨栓的疲勞性能試驗采用與專業試驗儀器公司聯合設計開發的智能錨栓拉拔儀（見圖5）進行循環加載。該儀器的最大拉力為2 kN，拉力誤差范圍在5%以內。試驗時，通過設置循環荷載峰值并切換至自動加載模式，智能拉拔儀可實現對錨栓的循環加載，并可直接讀取拉拔循環次數。

圖5 智能錨栓拉拔儀

以基層墻體的類型、錨栓的錨入深度和循環荷載峰值為試驗變量，共設計60組試驗，每組取3個錨栓。仍以JG/T 483—2015規定值為基準，在砌體基層中取45、55、65、75、85 mm 5種錨入深度，在混凝土基層中取35、45、55、65、75 mm 5種錨入深度，每種深度下再取0.2F、0.4F、0.6F、0.8F（F為錨栓的抗拉承載力標準值）4種加載峰值，如表2所示。使用智能拉拔儀循環加載至錨栓被拔出基層，觀察錨栓的破壞形態并讀取疲勞次數。

表2 錨栓疲勞性能試驗設計

2 錨栓抗拉承載力試驗結果分析

2.1 砌體基層中錨栓抗拉承載力標準值

將錨栓鉆孔安裝后在常溫下靜置500 h，然后使用HCMD60高精度錨栓拉拔儀對砌體基層上5種錨入深度下的3種錨栓進行一次性拔出試驗，記錄錨栓破環時拉拔儀顯示的峰值以及錨栓的破壞形態，考慮到試驗數據存在離散性，采用格拉布斯法[14]剔除異常值進行數據處理。

蒸壓加氣混凝土砌體基層強度較低，錨栓在其中同時受到摩擦力和機械鎖定力2種作用力，錨栓破壞失效模式均為被整體拔出。錨栓拔出過程中孔洞內部有部分基層碎屑被帶出，由于砌塊輕質多孔，孔洞周邊基層表面在錨栓拔出過程中有脫落現象，但基層表面無明顯裂縫，破壞形態如圖6所示。蒸壓加氣混凝土砌體基層中3種類型錨栓的抗拉承載力標準值隨錨入深度的變化趨勢如圖7所示。

圖6 錨栓拔出后蒸壓加氣混凝土砌體基層表面的破壞形態

圖7 蒸壓加氣混凝土砌體基層錨栓抗拉承載力標準值與錨入深度的關系

由圖7可以看出，隨著錨入深度從45 mm增加到85 mm，敲擊式錨栓、旋入式錨栓、錯誤施工式錨栓抗拉承載力分別增加了63%、64%、48%，隨錨入深度的增加，錨栓的抗拉承載力標準值顯著增大。敲擊式錨栓可以符合JG/T 366—2012《外墻保溫用錨栓》中規定的抗拉承載力標準值應≥0.3 kN的要求。而旋入式錨栓和錯誤施工式錨栓的抗拉承載力標準值遠達不到JG/T 366—2012的規定值。敲擊式錨栓的抗拉承載力標準值約為旋入式錨栓的4倍。

蒸壓加氣混凝土砌體基層密實程度相對較高，在實心基層中安裝錨栓，受基層密實程度和孔洞周圍空間限制，錨釘難以旋入塑料套管使其膨脹，錨栓錨固不到位，故旋入式錨栓的抗拉承載力無法達到JG/T 366—2012的規定值，而敲擊的方式更容易使錨栓充分錨入基層。這說明旋入式錨栓在蒸壓加氣混凝土砌體基層中的適用性存在一定問題，在工程應用中應予以考慮。綜上，在實際工程中敲擊式錨栓在蒸壓加氣混凝土砌體基層中的抗拉承載力標準值最高，錨固效果最好，可以通過適當增加錨入深度的方式來提高錨栓的抗拉強度。

2.2 混凝土基層中錨栓抗拉承載力標準值

錨栓安裝靜置后，使用拉拔儀對C30、C40混凝土基層中5種錨入深度下的3種錨栓進行一次性拔出試驗，記錄錨栓破環時拉拔儀顯示的峰值以及錨栓的破壞形態。

混凝土基層中敲擊式錨栓的破壞形態主要有2種：錨栓被整體拔出和套管圓盤處斷裂。錨栓被拉出過程中隨拉力的增大，膨脹套管不斷被拉長，并帶出少量基層碎屑，混凝土基層表面未出現裂縫，破壞形態如圖8所示。套管斷裂時會發出響聲，錨釘留在套管中未被拉出。旋入式錨栓均被整體拔出，使用敲擊方式安裝時，錨固過程中發生損壞，甚至有錨栓出現彎曲的情況，導致了錨栓抗拉承載力的降低，如圖8（b）所示。

圖8 混凝土基層中錨栓的破壞形態

經數據處理后得到混凝土基層中不同類型的錨栓在不同錨入深度下的抗拉承載力標準值如圖9所示。

圖9 混凝土基層中錨栓抗拉承載力標準值與錨入深度的關系

由圖9可知，混凝土基層中錨栓的抗拉承載力標準值隨錨入深度的增加而增大，與砌體基層中的趨勢相似。C30混凝土基層中敲擊式錨栓在35～75 mm錨入深度范圍內抗拉承載力增加了44%，旋入式錨栓增加了209%，錯誤施工式錨栓增加了103%；C40混凝土基層中敲擊式錨栓、旋入式錨栓、錯誤施工式錨栓分別增加了37%、191%、95%。在錨入深度小于65 mm時，錨栓抗拉強度增幅較大，超過65 mm后增長速度放緩。敲擊式錨栓的抗拉承載力標準值可以達到JG/T 366—2012中規定的不小于0.6 kN的要求，旋入式錨栓和錯誤施工式錨栓增加錨固深度后抗拉承載力仍未達到JG/T 366—2012的規定值。敲擊式錨栓的抗拉承載力標準值遠高于旋入式錨栓和錯誤施工式錨栓，最大約為旋入式錨栓的13倍。

混凝土基層中錨栓的抗拉承載力主要取決于摩擦力，當錨固深度為75 mm時，膨脹套管與基體的接觸面積遠大于錨入深度為35 mm時的，其受到的壓力和摩擦力更大，故錨栓被拔出基層的拉力值也越大。敲擊式錨栓的膨脹端為底部至向上60 mm位置，錨栓錨入至65 mm深度時，由于膨脹端逐漸進入基層中，抗拉承載力增大明顯。當膨脹端完全錨入基層后承載力變化不大。由此可見，在混凝土基層外保溫工程中可通過增加錨入深度的方式來適當提高錨栓的抗拉承載力。敲擊式錨栓的錨固效果較好，抗拉承載力可以得到充分利用，在工程中應優先考慮。

3 錨栓疲勞性能試驗結果分析

由錨栓的抗拉承載力試驗可知，在蒸壓加氣混凝土砌體基層和混凝土基層中，旋入式錨栓和錯誤施工式錨栓的抗拉承載力標準值達不到JG/T 366—2012的規定值，故僅針對敲擊式錨栓進行疲勞試驗。

3.1 砌體基層中錨栓的疲勞試驗

使用智能拉拔儀對砌體基層上的錨栓進行循環加載。錨栓在循環荷載作用下均被整體拔出，未出現明顯彎曲和斷裂現象，砌體基層表面沒有出現裂縫，僅有孔洞內碎屑被帶出，破壞形態如圖10所示。

圖10 砌體基層中錨栓的疲勞破壞形態

針對砌體基層上錨入深度為45、55、65、75、85 mm，循環荷載峰值為0.2F、0.4F、0.6F、0.8F的20組錨栓進行循環加載，記錄錨栓疲勞破壞對應的循環荷載峰值與疲勞次數，將每組3個錨栓的疲勞次數取平均值見表3。

表3 砌體基層中敲擊式錨栓的循環荷載峰值與疲勞次數

由表3可見，在蒸壓加氣混凝土砌體基層中，錨栓的疲勞次數和循環荷載峰值成負相關關系，循環荷載峰值越大，疲勞次數越少。當循環荷載峰值在0.4F～0.8F時，疲勞次數浮動較小；當循環荷載峰值小于0.4F時，疲勞次數顯著減少。其中，85 mm深度下循環荷載峰值為0.4F時的疲勞次數較0.2F時降幅最大，約降低了69%。在75 mm錨入深度下最大循環荷載峰值和最小峰值相差4倍，但對應的疲勞次數可相差近20倍，可見，錨栓的疲勞次數受疲勞荷載影響較大。砌體基層中不同循環荷載峰值下錨栓疲勞次數隨錨入深度的變化趨勢如圖11所示。

圖11 砌體基層中錨栓的錨入深度與疲勞次數關系曲線

從圖11可以看出，同倍數循環荷載峰值下，錨栓的疲勞次數基本隨錨入深度的增大而增加，但循環荷載峰值為0.6F和0.8F時，疲勞次數在75 mm錨入深度處減少，其原因是錨栓的疲勞次數受錨入深度和循環荷載峰值的共同影響，75 mm深度下的錨栓抗拉承載力標準值較大，取0.6F～0.8F與錨栓承載力較為接近，導致錨栓較易發生疲勞破壞。

3.2 混凝土基層中錨栓的疲勞試驗

混凝土基層中錨栓的疲勞破壞形式只有1種，即錨栓被整體拔出，基層無明顯破壞現象，僅有少量孔洞碎屑被帶出。隨著疲勞循環次數的增加，錨栓套管不斷被拉長，套管與圓盤交界處及套管端部因多次拉伸呈現白色，如圖12所示。疲勞次數越多錨栓伸長率越大，75 mm深度0.2F循環荷載峰值下錨栓伸長率最大，可達3%。

圖12 混凝土基層中錨栓的疲勞破壞形態

使用拉拔儀對C30和C40混凝土基層上錨入深度為35、45、55、65、75 mm，循 環 荷 載 峰 值 為0.2F、0.4F、0.6F、0.8F的40組錨栓進行循環加載，循環荷載峰值與疲勞次數見表4。

表4 混凝土基層中敲擊式錨栓的循環荷載峰值與疲勞次數

由表4可知，在混凝土基層中，同種錨入深度下錨栓的疲勞次數也隨循環荷載峰值的增大而減少。C30混凝土基層中5種錨入深度下錨栓的疲勞次數在0.2F～0.8F加載范圍內分別減少了98%、97%、95%、98%、99%；C40混凝土基層中5種錨入深度下錨栓的疲勞次數在0.2F～0.8F加載范圍內分別減少了98%、96%、96%、98%、98%，由此可見，75 mm錨入深度下減少最多，最大循環荷載峰值和最小峰值對應的疲勞次數可相差72倍。2種基層中錨栓疲勞次數均在0.6F～0.8F循環荷載峰值間降幅較小；當循環荷載小于0.6F時，疲勞次數降幅明顯。其中，75 mm錨入深度下循環荷載峰值為0.6F時的疲勞次數較0.2F時減少幅度最大，分別減少了95%、94%。混凝土基層中錨栓的錨入深度與疲勞次數關系曲線如圖13所示。

圖13 混凝土基層中錨栓的錨入深度與疲勞次數關系曲線

由圖13可知，錨入深度為35～65 mm時，錨栓的疲勞次數隨錨入深度的增大而增加，在55～75 mm間疲勞次數變化較大。錨入深度為75 mm時，由于錨栓的抗拉承載力標準值較大，循環荷載峰值對疲勞次數的影響程度加深，在C30混凝土基層0.4F～0.8F循環荷載峰值下及C40混凝土基層0.6F～0.8F循環荷載峰值下，錨栓疲勞次數較65 mm深度有所降低。

分別對比表4和圖13可以發現，混凝土強度可以影響錨栓疲勞次數，混凝土強度高，錨栓疲勞次數大。混凝土強度由C30提高至C40，疲勞次數在45 mm深度0.8F循環荷載峰值下可提高51%，影響效果顯著。

4 結語

（1）混凝土基層中錨栓的抗拉承載力大于蒸壓加氣混凝土砌體基層中的錨栓，同種基層中敲擊式錨栓的抗拉承載力明顯大于錯誤施工式錨栓和旋入式錨栓。

（2）在0.2F～0.8F循環荷載峰值段，砌體基層中對應的疲勞次數最大相差20倍，混凝土基層中最大相差72倍，錨栓的疲勞次數受疲勞荷載影響較大。

（3）砌體基層和混凝土基層中，錨入深度小于65 mm時，錨栓的疲勞次數均隨錨入深度的增大而增加。

（4）錨栓的疲勞次數與循環荷載峰值成負相關關系，砌體基層中錨栓疲勞次數在0.2F～0.4F循環荷載峰值段降幅較大；混凝土基層中在0.2F～0.6F段降幅較大。