保温大讲堂:保温锚栓的方方面面

建筑外墙外保温产品发展之初,由于节能标准较低,且多使用导热系数较好的有机类保温材料,如模塑聚苯板(EPS)、挤塑聚苯板(XPS)、硬泡聚氨酯板(PUR)等,厚度一般3~5cm,保温材料自重较轻,保温锚栓长度一般不超过10cm,外墙保温系统脱离事件尚不多见。随着政策的调整和白热化的市场竞争,高层建筑开始大量使用岩棉、发泡水泥板等无机保温材料。无机保温材料本身导热系数大,达到同等的保温效果需要更厚的材料,且表观密度也是有机保温材料的5~20倍,各地建筑节能标准进一步提高到65%~75%之后,外墙保温系统厚度更厚,自重更大,保温锚栓的长度更长,对保温系统的施工水平要求更高。

外墙外保温系统一般以粘贴为主,机械固定为辅。粘贴使用聚合物改性的水泥基的胶粘剂,机械固定则使用保温锚栓。目前,胶粘剂的产品质量和价格参次不齐,单位面积用量也很难控制,商家为降低成本往往减少聚合物胶粉的掺量和单位面积砂浆使用量;且胶粘剂用肉眼无法分辨其质量优劣,所以,保温锚栓的机械固定作用显得尤为重要。

保温锚栓的作用力
保温锚栓由带圆盘的膨胀套管和膨胀件组成,膨胀套管材质一般为聚酰胺、聚乙烯或者聚丙烯塑料,膨胀件则多为经过镀锌处理的金属钉。使用时,先在钻孔内放入塑料套管,然后敲击或者拧入金属螺钉。膨胀套管端部在钻孔中膨胀挤压产生摩擦力;膨胀端截面大于孔洞时,还形成一定的机械锁定作用,受拉力作用时在膨胀截面上产生剪力。不同型号的锚栓其产生的摩擦力和机械锁定力的大小不同。如敲击式锚栓的主要作用力是摩擦力,而打结式保温锚栓的主要作用力是机械锁定力。


一、保温锚栓的受力平衡

保温锚栓固定于基层墙体之中,当其受到拉力时,锚栓套管的膨胀端部与基层材料形成外摩擦力和机械锁定力。塑料套管与金属螺钉产生内摩擦力,套管上有一个拉力。各种力之间满足以下关系。


F外摩擦力+F机械锁定力= F内摩擦力+F套管拉力


这几种力根据基层墙体材料的性质其作用的原理是不同的,锚栓自身的结构合理性也会对最终的受力产生影响,现分别对这几种力分析如下:

F外摩擦

外摩擦力的大小与接触面的摩擦系数、有无滑动颗粒、基层材料的压缩强度、管径、膨胀段的总长度等因素有关。摩擦系数越大,钻孔约干净,基层材料的压缩强度越大,管径越大,膨胀段的总长度越长,则外摩擦力越大。

F机械锁定力


机械锁定力,最终反应在套管膨胀端与钻孔接触截面上的剪力,该剪力与套管壁厚度、塑料抗剪强度、管径d2、倾斜角α等因素有关。套管壁越厚,塑料抗剪强度越大,管径d2越大,倾斜角α越小时,其截面可承受的极限剪力越大,机械锁定力也就越大。

F内摩擦力


当金属螺钉钉头与保温锚栓托盘紧密接触时,锚栓套管与金属螺钉的摩擦力使锚栓承受的拉力一部分传递给金属钉。锚栓套管与金属螺钉的摩擦力越大,则金属钉承受的拉力就越大。内摩擦的作用长度和砌体材料压缩强度和塑料的变形能力有关。可以认为当砌体材料压缩强度较小时,作用长度减小;当砌体材料压缩强度较大时,作用长度增大。

在光滑界面上,塑料与金属钉间的摩擦系数较小,为提高内摩擦力,一般将金属钉做成螺钉,依靠螺纹和膨胀端的内螺纹形成机械咬合。需要注意的是,F内摩擦力通过钉头与塑料圆盘产生作用,如果塑料圆盘与套管接触部位易变形,则会大大削弱锚栓的拉拔力,所以应保证锚栓圆盘一定的厚度,且在圆盘和套管连接部位加设一些抗剪的腋板。

F管套拉力


F管套拉力取决于塑料的材质和套管壁的厚度,如套管外径为8mm,壁厚为1mm的聚丙烯塑料管,抗拉强度约30Mpa,其管套极限拉力约为660N。理论上,管套拉断时的极限拉力=F内摩擦力+660N。由于钢材的弹性模量是塑料的100倍以上,拉力逐渐增加时,金属螺钉长度基本没有改变,而锚栓管套会发生变形、伸长,继而断裂。所以提高套管塑料的抗拉强度和套管壁厚,是保证锚栓拉拔力的必要条件。

保温锚栓的失效

保温锚栓的常见失效形式有锚栓套管被拉断和整体滑脱两种。 

如果锚栓套管被拉断,最可能发生在膨胀端,特别是在膨胀套管与钻孔接触的截面,因为此处同时承受拉力和剪力,且横截面不连续,易形成应力集中。


锚栓整体滑脱发生于套管膨胀端与基层墙体材料的界面处。基层墙体材料多为脆性材料,其破坏为局部压裂破坏,同时产生的碎屑产生滑动,降低了摩擦系数。在压缩强度较低的轻质基层材料中,在被锚栓膨胀端压碎承压界面后,F外摩擦力很小,锚栓被拉滑动到拥有更高压缩强度的抹面砂浆层时F外摩擦力得以再次提高。

一、混凝土中的失效


当基层为混凝土等高压缩强度墙体材料时,套管膨胀端在孔中无法膨胀变形压入基层材料,机械锁定力较小,主要是摩擦力发生作用。塑料锚栓膨胀段压缩应力达到塑料的极限压缩强度,塑料屈服变形,σ1达到塑料的极限压缩强度,此时F外摩擦达到最大。锚栓在混凝土中一般不会滑脱,抗拉承载力较高,一般在膨胀端被拉断破坏。

二、实心砌块墙中的失效


当基层为烧结普通砖、加气混凝土、蒸压灰砂砖等匀质低强材料时,锚栓在其中同时存在F外摩擦力和F机械锁定力两种作用力,锚栓破坏失效一般都是滑脱,当砌块自身压缩强度较高时,也可能拉断。

三、空心砌块,多孔砖墙中的失效


当基层为空心砌块,多孔砖等砌体时,锚栓的实测抗拉承载力非常不均匀。因为当套管打在砖肋或者砌筑砂浆中时,相当于是在实心砌块中,而打在空腔部位时,锚栓膨胀端在空腔中自由膨胀,膨胀段不产生摩擦力,F外摩擦为0,而F机械锁定力达到最大,破坏则有两种可能,一是砌块或者砖的强度不高而发生脆裂破坏,锚栓整体滑脱;二是锚栓在膨胀段被拉断。由于空心和多孔砖墙体的压缩强度一般都不高,采用传统的膨胀锚栓,由于机械锁定承载面积较小,容易把墙体材料压碎破坏而发生滑脱失效,所以建议使用打结式锚栓,可显著提高抗拉承载力。

结语


不同型号的保温锚栓的工作原理不同,应根据基层墙体材料的性质选择合适的锚栓。当然,所有的锚栓都还应保证一定锚入深度。锚栓是不大起眼的一个保温系统配件,但其对于建筑保温工程的使用年限和安全起到很重要的作用。

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