外墻外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)抗震試驗與分析

1 前言

 瓷磚飾面具有比涂料飾面耐沾污能力強、色澤耐久性更好等優(yōu)點，在國內用瓷磚作為外飾面的建筑比例相當高，在外保溫墻面上的應用也有相當大的需求。所以，有必要在國內研究獨特的外墻外保溫瓷磚粘貼飾面層的技術以及在高層建筑中應用的可行性。因此，我們通過與中國建筑科學研究院工程抗震研究所、鐵道部科學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)的抗震試驗方案及試驗程序，并于2001年8月29日在鐵道部科學研究院鐵建所，針對某實際工程進行了外墻外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)抗震試驗。考慮到本系統(tǒng)中瓷磚飾面與主體結構的連接是柔性軟連接，主體結構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。選用具有廣泛代表性的、對外飾面破壞力最大正弦拍波，使外保溫瓷磚外飾面系統(tǒng)抗震試驗更具有現(xiàn)實意義和代表性。

2 保溫層面層粘貼瓷磚構造設計和依據(jù)

2．1  設計依據(jù)

 目前，市場上流行的瓷磚尺寸多樣，我們對外墻飾面上應用比較廣泛的幾種類型瓷磚的質量進行了統(tǒng)計，結果如下：145mm× 45mm瓷磚的質量為88g／塊，每平方米用量為130塊共11．44kg；200mm×60mm瓷磚的質量為，172g／塊，每平方米用量為75塊共12．9kg；255mm×ll2mm瓷磚質量為420g／塊，每平方米用量為28塊共11．76kg；400mm×250mm瓷磚質量為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量為28～40kg。

  根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2001)對非結構構件采用等效側力法計算水平地震作用值時，可按下式計算：式中

 F＝γηε₁ε₂α_maxG

F——沿最不利方向施加于非結構構件重心處的水平地震作用標準值； 

γ——非結構構件功能系數(shù)，這里取1．4；

η—非結構構件類別系數(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——非結構構件的重力。通過(1)式計算得出，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8級地震作用力為1．27～1．81kN／m²。

2.2  構造設計

 保溫層材料選擇了目前應用最廣的膠粉聚苯顆粒保溫材料、單片鋼絲網架聚苯板、無網聚苯板三種類型?？紤]到這三種保溫材料的強度和穩(wěn)定性，對膠粉聚苯顆粒保溫材料面層粘貼三種不同尺寸型號的瓷磚進行試驗；對單片鋼絲網架聚苯板面層粘貼重量比較小的特小號瓷磚進行試驗，同時對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行找平時抗震性能方面的差異；對無網聚苯板面層只進行涂料飾面的抗震試驗。

 在抗裂防護層中，用四角鍍鋅鉛絲網代替耐堿涂塑玻纖網格布復合抗裂砂漿為抗裂層，并用結構墻體上射釘尾孔上的鍍鋅鉛絲將鍍鋅鉛絲網綁緊，提高面層、保溫層與結構層的結合牢度，提高整個構造的安全可靠性。具體做法如圖l。

 瓷磚粘結劑選用變形量大于瓷磚溫度變形量一個數(shù)量級的膠粘劑，其粘結強度和抗凍融性能達到相關標準規(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，每平方米設計4個機械固定點后的總抗拉能力為8kN，大于高層建筑100m高度處8級地震作用力的4～5倍。

3  試驗設計

3．1  模型的設計與制作

 為驗證保溫材料與主體結構的附著性能，驗證瓷磚膠粘劑的粘結能力，分三個試件6種狀況進行試驗。試驗前，與中國建筑科學研究院工程抗震所以及鐵道部科學研究院鐵建所按《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2001)進行了試驗方案的設計，選用建筑物結構類型為國內較多采用的全現(xiàn)澆高層混凝土結構，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，強度為C₃₀的混凝土試件3塊，分別在三塊試件的6個面對6種不同類型的保溫構造進行抗震測試。

各試件的材料構成見表模型試件材料構成          表1

  3．2  加載及測試方案

 三個試件分兩次進行試驗。試驗從北京8度設防烈度地震影響系數(shù)最大值0．2g開始分級進行，每級增加0．1g，共5級，即0．2g(1倍)、0．3g(1．5倍)、0．4g(2倍)、0．5g(2．5倍)、0．6g(3倍)。同時考慮垂直于建筑物表面的水平地震波對非結構承重材料破壞性最大，選擇水平正弦拍波(圖3)，每次振動大于20s且大于5個拍波。本試驗考慮不同地區(qū)以及建筑物的不同位置地震反應譜不同的情況，參考《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2001)5．1．4地震影響系數(shù)曲線分頻段進行。試驗頻率按l／3倍頻程分級，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  試驗結果及分析

4．1  試驗結果

 試件一經過了10h兩個周期的振動試驗。在第一個周期當加速度達到0．5g時，鋼筋混凝土母體材料有部分脫落及裂縫產生。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，粘貼的大號瓷磚、中號瓷磚均無脫落松動現(xiàn)象。

  試件二在經過5h一個周期振動試驗，到0．5g時，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，試件二底盤架連接處開焊。C面在0．5～0．6g下出現(xiàn)鋼絲網架切割聚苯板的聲音，試驗后剖開試件發(fā)現(xiàn)聚苯板產生了一定量的破壞，組合澆筑聚苯板邊角出現(xiàn)開裂，粘貼在單片鋼絲網架聚苯板面層上的特小號瓷磚無脫落松動現(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，粘貼的小號瓷磚無脫落松動現(xiàn)象。

 試件三在經過5h一個周期振動試驗，到0．5g時，鋼筋混凝土母體材料有部分脫落及裂縫產生。正面在振動到0.5g時，出現(xiàn)了鋼絲網架切割聚苯板的聲音，聚苯板產生了一定的破壞，振動到0.6g時，這種現(xiàn)象更加明顯，單片鋼絲網架聚苯板面層上的特小號瓷磚未出現(xiàn)脫落松動現(xiàn)象，面層也未出現(xiàn)裂紋。振動試驗后，F(xiàn)面的無網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。

 對抗震試驗后的試件上的瓷磚進行拉拔試驗，測得瓷磚膠粘劑的粘結強度為0．73MPa，完全可以滿足粘貼瓷磚的要求。

4．2  結果分析

 在外保溫面層上進行粘貼瓷磚與在堅實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、瓷磚膠粘劑的粘結能力以及在地震作用下的抵抗劇烈  運動的柔性變形能力。由于外保溫中基層墻體與飾面層瓷磚是通過保溫材料進行柔性連接的，因而在受力時基層墻體與飾面層瓷磚不能看成一個整體，它們的受力狀態(tài)是不同的，所以在選擇瓷磚膠粘劑時，也要選用與保溫材料相適應的具有一定柔性的瓷磚膠粘劑，從而形成一個柔性漸變的體系。在這次抗震試驗中選用的ZL瓷磚膠粘劑粘貼瓷磚后的粘結強度為0．40～0．80MPa，壓折比小于3．0，彈性模量小于6600MPa，具有適當?shù)娜犴g性，符合柔性漸變、逐層釋放應力的技術要求。

 從各構造層看，保溫體系的抗裂防護層和瓷磚通過瓷磚膠粘劑進行粘結，各構造層的變形指標為：抗裂防護層5％，瓷磚膠粘劑5‰，瓷磚0．15‰。上述各層彈性模量變化指標相匹配，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量、硬度、熱工性能完全不同的材料的形變差異，從而進一步確保了每塊瓷磚像魚鱗一樣獨立地釋放應力，不會因為地震作用發(fā)生變形而脫落。

 同時，ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料與建筑物墻體的粘結能力好，抗震性能優(yōu)，其柔性構造能夠緩解地震力對面層的沖擊力，保溫墻瓷磚膠粘劑的彈性設定值比較適宜，可以控制瓷磚在罕遇強度等級地震的振動作用下不開裂、不脫落。而且，選用孔徑為20mmX20mm鍍鋅鋼絲網代替耐堿玻纖網，并且用22號鍍鋅鉛絲與基層墻體錨固的射釘緊密綁扎，增強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脫落。在ZL膠粉聚苯顆粒保溫材料上粘貼不同尺寸型號的瓷磚時，因為，大塊瓷磚和小塊瓷磚的密度基本一樣，而且粘貼瓷磚時采用滿粘，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的瓷磚。當在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，經過抗震試驗后沒有出現(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的瓷磚。

 采用單片鋼絲網架聚苯板與混凝土進行現(xiàn)澆時，粘貼瓷磚后其面層荷載最小也要達到40kg／m²，在進行抗震試驗時，不論是采用水泥砂漿進行找平處理還是用ZL膠粉聚苯顆粒保溫漿料進行找平處理，粘貼瓷磚后進行抗震試驗聚苯板都會被鋼絲破壞，用水泥砂漿找平的面層還會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。由此可見，單片鋼絲網架聚苯板面層不能承受太大的荷載，當其面層荷載較大時，在受到地震作用力時，由于聚苯板的柔性作用，面層荷載受力后上下左右各個方向的運動狀態(tài)與基層墻體不一致，不能產生同步運動，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，當結構墻體誤差達到2cm時，在單片鋼絲網架聚苯板上粘貼瓷磚后的重量荷載將達到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，這一結果表明，在單片鋼絲網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生脫落掉下現(xiàn)象。為了安全起見，建議在地震8度設防區(qū)20m以上的高層建筑中采用單片鋼絲網架聚苯板作為其外保溫材料時，其飾面層不宜用瓷磚作為飾面材料。

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

5 實際應用情況

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行了高層應用，經過一冬一夏的實際考驗，無任何開裂、脫落現(xiàn)象，可以初步說明此項技術的安全可行性。之后，我們又在珠江綠洲五棟百米高層建筑進行了高層應用，進一步完善此項技術，使該項技術的成熟程度得到了進一步的提高。如今，該項技術已在四十多個高層及一百多個多層建筑上進行應用。ZL膠粉聚苯顆粒保溫體系粘貼面磚作法耐候能力的評價有待長期的實踐跟蹤觀察。