EPS 保溫板粘結(jié)疲勞性能試驗(yàn)研究

張玉峰，李安起，，劉哲，3，李明，孫增斌

（1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué)工程鑒定加固研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250013；3.山東省萌山鋼構(gòu)工程有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

0 引言

外墻外保溫系統(tǒng)具有良好的保溫隔熱功能及降低建筑能耗等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為建筑節(jié)能的重要實(shí)現(xiàn)形式[1-3]。然而，近年來建筑外墻外保溫層大面積脫落事件時(shí)有發(fā)生[4-6]。目前外墻外保溫系統(tǒng)中保溫板與基層墻體的連接方式以粘錨結(jié)合式為主，粘結(jié)對(duì)系統(tǒng)抗風(fēng)荷載性能的影響較大，外墻外保溫系統(tǒng)的力學(xué)性能主要取決于保溫板的粘結(jié)性能[7]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。Balocco 等[8]采用ANSYS 模擬軟件，發(fā)現(xiàn)了外墻外保溫系統(tǒng)在固定約束作用下產(chǎn)生的疲勞形變較小，而沒有固定端產(chǎn)生了較多的疲勞裂紋。Tavares 等[9]結(jié)合模型和保溫系統(tǒng)耐久性的其他相關(guān)研究，得出外保溫系統(tǒng)平均使用壽命為21年。宋長友和劉祥枝[10]從多個(gè)維度對(duì)EPS 板薄抹灰外保溫系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出EPS 板薄抹灰外保溫系統(tǒng)的綜合性價(jià)比較好。趙敏等[11]研究了粘結(jié)方式、粘結(jié)面積、粘結(jié)厚度及輔以不同數(shù)量錨栓聯(lián)合固定對(duì)EPS 保溫板與基層墻體間的抗拉和抗剪切強(qiáng)度的影響情況。蘇思麗等[12]對(duì)不同基層、不同錨入深度、不同類型和不同循環(huán)荷載峰值的外墻外保溫錨栓進(jìn)行了抗拉試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，研究其抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值和疲勞性能。綜合以上文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，目前的研究主要針對(duì)外保溫板的布置形式和抗拉承載力，而對(duì)外保溫板疲勞性能的相關(guān)研究較少。在實(shí)際工程中，外保溫板在往復(fù)風(fēng)的作用下產(chǎn)生疲勞損傷，最終導(dǎo)致外保溫系統(tǒng)脫落破壞。因此，在明確抗拉承載力的基礎(chǔ)上，對(duì)EPS 板試樣的疲勞性能進(jìn)行研究顯得尤為重要。

本文通過對(duì)EPS 板試樣進(jìn)行抗拉試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，分析粘結(jié)方式、粘結(jié)率和疲勞荷載峰值對(duì)EPS 保溫板的抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值和疲勞性能的影響規(guī)律，為外保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加固修復(fù)提供參考。

1 試驗(yàn)

分別采用滿粘、條粘、點(diǎn)粘、十字粘、點(diǎn)框粘的粘結(jié)方式粘結(jié)EPS 保溫板，然后將不同粘結(jié)方式的EPS 板試樣用聚合物砂漿按不同粘結(jié)率粘結(jié)在蒸壓加氣混凝土砌體基層上，砌體基層試塊上EPS 板試樣的測點(diǎn)布置如圖1 所示（圖中陰影部分為砌體基層，空白部分為EPS 板）。

圖1 砌塊基層EPS 板試樣測點(diǎn)布置

1.1 試驗(yàn)制作

本試驗(yàn)采用A2.0 蒸壓加氣混凝土砌體作為基層材料，砌塊基層的截面尺寸分別為600 mm×240 mm×200 mm、600 mm×200 mm×200 mm。外墻外保溫板選用在實(shí)際工程中應(yīng)用比較廣泛的EPS 板，尺寸為100 mm×100 mm×50 mm。采用最常用的聚合物保溫板膠粘劑來粘結(jié)保溫板和基層。除以上主要材料外，還需要大量的其他相關(guān)配套材料，如改性環(huán)氧注射式植筋膠、鐵板等。

首先按照專用粘結(jié)砂漿規(guī)定的比例420 g 砂漿配置100 g 水，用砂漿自動(dòng)攪拌機(jī)先慢速攪拌2 min，然后靜止2～3 min，再次快速攪拌2 min，粘粘砂漿應(yīng)隨拌隨用且須在1 h 內(nèi)用完。用粘結(jié)砂漿對(duì)EPS 板試樣進(jìn)行粘結(jié)，選取4 mm 作為砂漿粘結(jié)厚度，使用預(yù)先制作好的砂漿模板和成型框來控制砂漿粘結(jié)率和厚度，分別采用滿粘、點(diǎn)粘、條粘、十字粘結(jié)、點(diǎn)框粘等不同的粘結(jié)方式，輕壓按緊壓實(shí)，及時(shí)清除多余的粘結(jié)劑，對(duì)粘結(jié)成型的保溫試塊進(jìn)行14 d 保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)過程如圖2 所示。準(zhǔn)備100 mm×100 mm 的鐵板，拌制改性環(huán)氧注射式植筋膠，將植筋膠A、B 膠按照1∶1 的比例混合，隨拌隨用，盡可能快速使用完畢，防止凝固，將鐵板粘結(jié)在EPS 板試樣上，等待植筋膠固化2 d，使鐵板與EPS 板試樣完美結(jié)合，粘結(jié)好鐵板的EPS 板試樣如圖3 所示。

圖2 模擬保溫板粘到墻體上的養(yǎng)護(hù)

圖3 粘結(jié)好鐵板的EPS 板試樣

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 EPS 板試樣抗拉試驗(yàn)

依據(jù)JGJ 144—2019《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行EPS 板試樣拉伸粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)。采用HC-MD60 高精度拉拔儀進(jìn)行加載。該儀器的拉力行程為60 mm，最大拉力值為10 kN，具有峰值保持功能，在加載模式下可以直接讀取EPS 板試樣拔下基層時(shí)拉力的峰值。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)以粘結(jié)方式及粘結(jié)率為變量，共設(shè)計(jì)17 組EPS 板試樣拉拔試驗(yàn)，依據(jù)JGJ 144—2019 中保溫板與基層墻體的粘貼面積不得小于保溫板面積的40%的規(guī)定，選取粘結(jié)率為40%、60%、80%、100%作為變量，同時(shí)選取粘結(jié)率20%作為輔助對(duì)比。針對(duì)滿粘、點(diǎn)粘、條粘、點(diǎn)框粘、十字粘等不同的方式進(jìn)行一次性拉拔試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1 所示。每組試驗(yàn)取8 個(gè)試樣，將測得的8 個(gè)拉力值有異常的數(shù)據(jù)剔除，取5 個(gè)無異常數(shù)據(jù)的平均值作為EPS 板的抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值，為EPS 板試樣的疲勞性能試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)參考。

表1 EPS 板試樣抗拉試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.2 EPS 板試樣疲勞性能試驗(yàn)

EPS 板試樣的疲勞性能試驗(yàn)采用與專業(yè)試驗(yàn)儀器公司聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)的智能拉拔儀（見圖4）進(jìn)行疲勞加載。該儀器的最大拉力值為2 kN，拉力值誤差范圍在5%以內(nèi)。試驗(yàn)時(shí)，通過設(shè)置疲勞荷載峰值并切換至自動(dòng)加載模式，智能拉拔儀即可實(shí)現(xiàn)對(duì)EPS 板試樣的疲勞加載，并可直接讀取拉拔疲勞次數(shù)。

圖4 EPS 板疲勞試驗(yàn)智能拉拔儀

在抗拉試驗(yàn)基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行疲勞加載，因?yàn)槠谠囼?yàn)加載系統(tǒng)疲勞次數(shù)較多，試驗(yàn)數(shù)量較多，加載時(shí)間較長，選用正交試驗(yàn)[13]進(jìn)行疲勞性能研究，正交試驗(yàn)因素水平見表2。除去率和疲勞荷載峰值3 個(gè)因素，每個(gè)因素都有4 個(gè)水平。正交試滿粘單獨(dú)設(shè)計(jì)試驗(yàn)外（見表3），其他組件共有粘結(jié)方式、粘結(jié)驗(yàn)及滿粘試驗(yàn)共設(shè)計(jì)20 組試驗(yàn)，每組取3 個(gè)EPS 板試樣。使用智能拉拔儀疲勞加載至EPS 板試樣被拔下基層，觀察EPS板試樣的破壞形態(tài)，并讀取疲勞次數(shù)。

表2 EPS 板試樣疲勞性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表3 EPS 板試樣滿粘疲勞性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2 EPS 板試樣抗拉試驗(yàn)結(jié)果分析

外墻外保溫系統(tǒng)中保溫板與基層之間的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度主要取決于粘結(jié)界面的粘結(jié)強(qiáng)度和材料強(qiáng)度，在蒸壓加氣混凝土砌體基層中，受到外力的情況下，根據(jù)破壞的部位不同大致可分為4 種破壞類型：（1）保溫板破壞：此類破壞是保溫板發(fā)生破壞，主要發(fā)生于粘結(jié)率大于60%情況下；（2）Ⅰ類界面破壞：此類破壞是保溫板與膠粘劑連接界面發(fā)生破壞，主要發(fā)生于粘結(jié)率＜40%情況下，可能是由于粘結(jié)率太小不足以提供足夠粘結(jié)力導(dǎo)致；（3）Ⅱ類界面破壞：此類破壞是膠粘劑與基層連接界面發(fā)生破壞，發(fā)生于少量試樣中；（4）基層破壞：此類破壞是砌塊基層發(fā)生破壞，發(fā)生于少量滿粘情況下，可能是由于蒸壓加氣混凝土砌體基層強(qiáng)度較低。實(shí)際試驗(yàn)中破壞形式主要屬于保溫板破壞和Ⅰ類界面破壞，占試驗(yàn)數(shù)量的90%以上，4 種破壞形態(tài)如圖5 所示。

圖5 EPS 板試樣破壞形態(tài)

蒸壓加氣混凝土砌體基層中4 種粘結(jié)方式下的抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值隨粘結(jié)率的變化趨勢如圖6 所示。

由圖6 可以看出，隨粘結(jié)率的增大，EPS 板試樣的粘結(jié)力不斷提高，并且增幅較為明顯，當(dāng)粘結(jié)率從20%增加到80%時(shí)，條粘、十字粘、點(diǎn)粘、點(diǎn)框粘的承載力分別提高了415%、420%、484%、539%；當(dāng)達(dá)到滿粘狀態(tài)下粘結(jié)力大幅增加。滿粘情況下抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值最大，在相同粘結(jié)率下，其他4 種粘結(jié)方式粘結(jié)力從大到小依次是：條粘＞十字粘＞點(diǎn)粘＞點(diǎn)框粘，80%粘結(jié)率情況下，十字粘、點(diǎn)粘、點(diǎn)框粘的抗拉承載力分別約為條粘抗拉承載力的96%、84%、72%，條粘和十字粘結(jié)種2 情況下抗拉承載力較好，點(diǎn)粘和點(diǎn)框粘結(jié)2 種情況下抗拉承載力較差。

圖6 砌塊基層EPS 板試樣不同粘結(jié)方式下抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值與粘結(jié)率的關(guān)系曲線

3 EPS 板試樣疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果分析

使用智能拉拔儀對(duì)砌塊基層上的EPS 板試樣進(jìn)行疲勞加載時(shí)，EPS 板試樣均被破壞，與抗拉試驗(yàn)破壞形式一樣，主要是EPS 保溫板破壞以及保溫板與膠粘劑之間的界面破壞，但是EPS 板疲勞破壞時(shí)可以明顯可以看到EPS 板試樣的邊角部位會(huì)與粘結(jié)砂漿漸漸分離，并且在破壞的過程中EPS 板試樣會(huì)發(fā)出嘶嘶的響聲，不同粘結(jié)方式下EPS 板試樣的破壞形態(tài)如圖7～圖11 所示?？梢钥闯?，隨著粘結(jié)面積的不斷增大，EPS 板試樣的破壞形態(tài)越來越嚴(yán)重。

圖7 條粘情況下破壞形式示意

圖8 點(diǎn)粘情況下破壞形式示意

圖9 十字粘情況下破壞形式示意

圖10 點(diǎn)框粘情況下破壞形式示意

圖11 滿粘情況下破壞形式示意

3.1 砌體基層中EPS 板試樣的正交試驗(yàn)

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及疲勞次數(shù)測試結(jié)果如表4 所示。

表4 設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及疲勞次數(shù)測試結(jié)果

3.1.1 EPS 板試樣疲勞次數(shù)極差分析（見表5）

表5 EPS 板試樣疲勞次數(shù)的極差分析

由表5 可知，隨粘結(jié)率從20%增加到80%時(shí)，EPS 板試樣的平均疲勞次數(shù)逐漸增多，EPS 板試樣的平均疲勞次數(shù)從1050 增大到4941，增加了約3.71 倍；粘結(jié)方式發(fā)生變化時(shí)，EPS 板試樣的平均疲勞次數(shù)在1933～4406 變化，點(diǎn)粘情況下疲勞次數(shù)最大，增大了約1.28 倍；隨疲勞荷載峰值從0.2F 逐漸增大到0.8F 時(shí)，EPS 板試樣的平均疲勞次數(shù)逐漸減少，疲勞荷載峰值為0.2F 時(shí)的疲勞次數(shù)約為0.8F 時(shí)的16.38 倍。極差分析結(jié)果表明，粘結(jié)率、粘結(jié)方式、疲勞荷載峰值對(duì)EPS 板試樣的疲勞次數(shù)都有影響，3 個(gè)因素中對(duì)疲勞次數(shù)的影響主次順序?yàn)椋浩诤奢d峰值＞粘結(jié)率＞粘結(jié)方式。

通過計(jì)算和分析得出在疲勞荷載峰值為0.2F、條粘、粘結(jié)率為80%或疲勞荷載峰值為0.2F、十字粘結(jié)、粘結(jié)率為80%情況下疲勞性能最好。以往研究表明外保溫系統(tǒng)粘結(jié)必須對(duì)負(fù)風(fēng)壓較強(qiáng)的邊角部位進(jìn)行優(yōu)化處理[14]，十字粘結(jié)邊角空腔并不適合抗風(fēng)設(shè)計(jì)，在實(shí)際工程中最好采用條粘。

3.1.2 EPS 板試樣疲勞次數(shù)方差分析（見表6）

表6 EPS 板試樣疲勞次數(shù)方差分析

由表6 可以看出，粘結(jié)率、粘結(jié)方式、疲勞荷載峰值對(duì)EPS 板試樣的疲勞次數(shù)都有影響，粘結(jié)率、疲勞荷載峰值對(duì)疲勞次數(shù)有非常顯著的影響，粘結(jié)方式對(duì)疲勞次數(shù)有顯著影響。

3.2 EPS 板試樣的滿粘疲勞試驗(yàn)

滿粘與其他粘結(jié)方式不同，由于砌塊基層強(qiáng)度較低，出現(xiàn)基層破壞的現(xiàn)象，與規(guī)范中的保溫層破壞方式不同，說明EPS 板的粘結(jié)強(qiáng)度與砌塊基層的強(qiáng)度有關(guān)，所以設(shè)計(jì)4 組EPS 板試樣在混凝土基層上滿粘法的疲勞試驗(yàn)，每組做3 個(gè)試樣，將砌體基層和混凝土基層的疲勞次數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表7。

由表7 可知，在相同疲勞荷載峰值下，砌體基層的疲勞次數(shù)較混凝土基層偏??；在2 種基層中EPS 板試樣滿粘的疲勞次數(shù)都隨疲勞荷載峰值的增大而減少，疲勞次數(shù)在0.6F～0.8F疲勞荷載峰值間降幅較?。划?dāng)疲勞荷載小于0.6F 時(shí)，疲勞次數(shù)降幅明顯。并且可以發(fā)現(xiàn)0.2F 情況下，砌體基層中條粘80%情況下與滿粘情況下疲勞次數(shù)基本一致，但較混凝土基層中滿粘情況差，說明EPS 保溫板在混凝土基層中滿粘情況下疲勞性能最好。

表7 EPS 板試樣滿粘疲勞荷載峰值與疲勞次數(shù)

4 結(jié)論

（1）EPS 板試樣的抗拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)破壞形式基本一致，高粘結(jié)率情況下大多為EPS 板破壞，在實(shí)際工程中應(yīng)控制好保溫層的粘結(jié)率。

（2）隨著粘結(jié)率的增大，EPS 板試樣的抗拉承載力逐步提高，除滿粘以外粘結(jié)率相同時(shí)，不同粘結(jié)方式的抗拉承載力大小依次為：條粘＞十字粘＞點(diǎn)粘＞點(diǎn)框粘。

（3）疲勞荷載峰值對(duì)疲勞次數(shù)的影響最大，粘結(jié)率對(duì)疲勞次數(shù)的影響次之，粘結(jié)方式對(duì)疲勞次數(shù)的影響最小。

（4）粘結(jié)率逐漸增大時(shí)，疲勞次數(shù)呈逐漸增長趨勢；疲勞荷載峰值逐漸增大時(shí)，疲勞次數(shù)呈減小趨勢。滿粘情況下疲勞性能最好，點(diǎn)粘疲勞性能最差，實(shí)際工程中出于經(jīng)濟(jì)考慮，可采用80%條粘。