玻璃纖維增強水泥外墻板的安裝

司國棟 孫詩兵 呂 鋒 田英良 崔素萍

（北京工業(yè)大學 材料科學與工程學院，北京 100124）

玻璃纖維增強水泥（GRC）外墻板是以耐堿玻璃纖維為主要增強材料、硫鋁酸鹽水泥或鐵鋁酸鹽水泥或硅酸鹽水泥為膠凝材料、砂子為集料，采用直接噴射工藝或預(yù)混噴射工藝制成的玻璃纖維增強水泥非承重外墻板。

GRC外墻板可根據(jù)建筑的需要塑造出各類不同的裝飾風格，質(zhì)感和色彩豐富，能滿足大規(guī)格尺寸、異形化和個性化設(shè)計要求，賦予建筑極其豐富設(shè)計素材。GRC外墻板具有優(yōu)良的抗拉、抗彎和抗沖擊性能，且抗裂性好、重量輕，不怕潮、不燃燒，且安裝施工速度快。近年來，裝飾GRC外墻板發(fā)展迅速，國內(nèi)已有GRC外墻板標準，正在制訂相關(guān)建筑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，但安裝工藝標準、標準圖集和相應(yīng)的驗收規(guī)范比較欠缺，給設(shè)計、施工和使用帶來許多困難，不利于GRC外墻板的健康發(fā)展。本文在研究國際GRC協(xié)會GRCA，歐洲標準化委員會CEN，（美國）預(yù)制 /預(yù)應(yīng)力混凝土研究所PCI 三大標準的基礎(chǔ)上[1，2，3]，結(jié)合目前國內(nèi)外GRC外墻板的工程實際[4，5，6]和實際工程經(jīng)驗，建議了GRC外墻板安裝節(jié)點，以期為安裝工藝、質(zhì)量控制和標準化建設(shè)提供幫助。

1 GRC外墻板的分類

按照GRC外墻板的構(gòu)造可分為單層板、有肋單板、框架板與夾芯板四種類型；按照板有無裝飾層將其分為有裝飾層板和無裝飾層板[7]。

單層板面積較小，加肋可以提高板的強度和剛度，承受風荷載和地震作用，滿足變形要求。由于夾芯板兩面溫度和濕度的差異較大，可能造成板的彎曲變形和局部應(yīng)力集中，夾芯板的形狀和尺寸都受到限制，一般不超過6m2。

框架板由面板、背附鋼架及錨栓（柔性、重力、抗震）組成，柔性錨栓限制板側(cè)向（板面的法線方向）位移，不限制板在板面內(nèi)水平方向和垂直方向位移。重力錨栓位于板的底部，支撐板的重量，不限制板在板面內(nèi)水平方向位移。錨栓處局部加厚的厚度應(yīng)大于或等于面板厚度?？蚣馨逡话?0-20m2，最大面積可達50 m2，可制造各種復(fù)雜形狀，同一鋼架上可安裝多塊面板，框架板選用不銹鋼和鍍鋅處理防止銹蝕。

框架板四周30mm～40mm 的肋能夠提高強度并有利于板縫密封。風荷載和地震作用產(chǎn)生位移，柔性錨栓的數(shù)量由側(cè)向位移以及板中最大應(yīng)力確定，重力錨栓的數(shù)量由縱向位移以及板的重量確定。GRC面板加肋后，能夠減少錨栓數(shù)量，但板的重量增加。重力產(chǎn)生的剪應(yīng)力和風荷載容易使局部加厚處破壞。

2 GRC板的錨固點設(shè)置及板縫處理

安裝GRC外墻板應(yīng)該確保與結(jié)構(gòu)的連接安全可靠，有足夠的偏差調(diào)整能力，能夠滿足一般結(jié)構(gòu)偏差。安裝的GRC板應(yīng)允許結(jié)構(gòu)位移或板自身因溫度濕度變化產(chǎn)生的變形，所采用的柔性連接應(yīng)有利于錨固點傳力均勻。

GRC板的收縮包括不可逆的水泥收縮和可逆的濕脹干縮，1：1 砂膠比的GRC板總收縮為0.12%，不可逆收縮為總收縮的1/4-1/3，不可逆收縮約為0.03%～0.04%。取GRC板的彈性模量E 為15 N/mm2；如果限制GRC外墻板脹縮變形，板中產(chǎn)生的壓應(yīng)力或拉應(yīng)力能高達18N/mm2。假定溫度變化量ΔT 為30℃，線膨脹系數(shù)α 為18×10-6/℃，板長為2.5m 產(chǎn)生的伸長量1.35mm。如果限制GRC外墻板溫差變形，板中產(chǎn)生的壓應(yīng)力或拉應(yīng)力高達8.1 N/mm2。這樣收縮變形和溫差變形產(chǎn)生的應(yīng)力最大可達到26.1 N/mm2，而噴射成型抗彎極限強度（MOP）為18 N/mm2，所以安裝的GRC外墻板應(yīng)特別注意允許溫度濕度變化產(chǎn)生的變形。過度的約束將限制GRC板的收縮和溫度濕度變化引起的變形，采用柔性連接可以有效地允許變形[8]。

許多因素會引起建筑結(jié)構(gòu)的變形，一塊GRC板不應(yīng)安裝在可能產(chǎn)生相對位移的結(jié)構(gòu)上，龍骨能夠減少這種變形的影響。通常在GRC板底部設(shè)置承重支撐錨固點，使板處于受壓狀態(tài)，避免吊掛方式產(chǎn)生張應(yīng)力。面板安裝時應(yīng)按照設(shè)計要求的數(shù)量和位置進行，并調(diào)整好重心支撐點，盡可能減少偏心距。為提高抗震性應(yīng)在重心處增設(shè)錨固點。

單板和有肋單板的所有錨固點應(yīng)限制板在板的法線方向的位移，允許板在板平面方向內(nèi)一定程度的偏移。安裝板錨固點的合理的布局如圖1所示。底部一個錨固點為重力固定支撐點（緊固點），其他的重力支撐點允許水平方向的位移（滑移點）。底部以外的其它錨固點允許垂直方向和水平方向的位移（滑移點）。

圖1 合理的錨固點布局

GRC板板縫寬度不僅要考慮外觀要求，還應(yīng)考慮收縮、溫度濕度變化、面板尺寸、固定方式和偏差（制造、現(xiàn)場安裝）的綜合影響。板縫的密封非常重要，為了保證密封膠與板的粘結(jié)，首先對板進行界面處理，塞入比板縫大30%背襯條，再打密封膠。對水平企口縫可以先在下層板上粘貼壓縮密封條，然后安裝上層板，再打密封膠，實現(xiàn)雙層密封。搭接可以容許更大的變形，接縫更為平滑，密封膠處于受剪狀態(tài)。

鋼結(jié)構(gòu)比混凝土結(jié)構(gòu)變形大，GRC面板的支撐鋼架應(yīng)不承受主體鋼結(jié)構(gòu)的荷載，鋼架僅承受自重和GRC面板的重量。當主體鋼結(jié)構(gòu)上固定GRC板時，在荷載的作用下，鋼結(jié)構(gòu)的撓度增大，可能造成垂直板縫頂部變窄，板與板之間的接觸，因此考慮適當增大板縫。

3 GRC板連接部分

GRC外墻板連接系統(tǒng)由連接部分（GRC板、掛件的連接部分）、支座部分（預(yù)埋件）兩部分之間的轉(zhuǎn)接部分組成[9]。錨固點應(yīng)分為緊固點和滑移點，緊固點和滑移點的設(shè)置應(yīng)滿足板材變形的要求。

3.1 單層板連接部分

單層板連接方式一般有銷栓式和槽式，分別如圖2a和圖2b所示。外墻板一般安裝在鋼骨架，GRC板上的連接部位一般采用局部加厚的粘接盤，粘結(jié)盤的厚度應(yīng)大于或等于面板厚度。銷栓通過GRC板邊沿粘接盤上的孔受力，板的銷孔處配合過緊時應(yīng)力比較集中，局部容易碎裂。槽式可以分為短槽和通槽。擋板與板材邊沿局部加厚或者加肋部分的槽連接，擋板比銷栓能夠?qū)?yīng)力分布在更大的范圍，但由于擋板與板材槽的偏差增加安裝難度。

圖2 單層板連接方式

兩塊相鄰的板可以一個銷栓或擋板只連接一塊板如圖3a，也共用一個銷栓或擋板，如圖3b所示。

圖3 單層板與板的連接

槽式安裝用擋板的形式多樣，可以是上下翻頭“T”形卡條，如圖4a所示。因其上下翻頭厚度和彎度迫使所安裝溝槽必須加寬，安裝時對板材容易造成破損，加工槽寬用膠量過大使其綜合成本加大?，F(xiàn)場焊接此種掛件降低了板材破損，但因焊接時高溫加熱會產(chǎn)生“退火”現(xiàn)象，降低了掛件強度，容易銹蝕且影響美觀[10]。SE 掛件在一個轉(zhuǎn)接部位分別固定兩塊板，該方法在石材幕墻安裝中經(jīng)常用到，如圖4b。也可采用有背支板，將GRC板固定在“F”形卡條上，與骨架固定[11]，如圖4c。另外，還可以采用插指卡件和托卡一體式卡件[12]，分別見圖4d 和圖4e。

3.2 有肋單板連接部分

有肋單板連接部分包括預(yù)埋內(nèi)螺紋件式、穿孔式、銷栓式和槽式。

預(yù)埋內(nèi)螺紋件式通常將不銹鋼內(nèi)螺紋埋件預(yù)埋入有肋單板或夾芯板中，為增加埋件與GRC板的握裹力，采用特殊的端部形狀（如圖5a），盡可能將荷載分布在板的較大范圍內(nèi)。為避免安裝時緊固螺栓對面板的影響，預(yù)置內(nèi)螺紋埋件高度應(yīng)超出板面，預(yù)置內(nèi)螺紋埋件到肋邊緣的距離不小于埋入板肋的深度，如圖5b所示。

圖4 槽式連接的主要方式

預(yù)埋內(nèi)螺紋件式通常將不銹鋼內(nèi)螺紋埋件預(yù)埋入有肋單板或夾芯板中，為增加埋件與GRC板的握裹力，采用特殊的端部形狀（如圖5a），盡可能將荷載分布在板的較大范圍內(nèi)。為避免安裝時緊固螺栓對面板的影響，預(yù)置內(nèi)螺紋埋件高度應(yīng)超出板面，預(yù)置內(nèi)螺紋埋件到肋邊緣的距離不小于埋入板肋的深度，如圖5b所示。

圖5 預(yù)埋內(nèi)螺紋件式

穿孔式連接用于較小的GRC板，如圖6所示，生產(chǎn)GRC板時預(yù)制螺栓孔和預(yù)埋墊片，安裝時使用氯丁橡膠彈性墊片調(diào)整偏差，用GRC等填封料密封連接件[13]。

銷栓式和槽式類似于單層板，GRC外墻板頂部限制側(cè)向位移（如圖7a），扁鐵插入縱向槽錨固墻板?！癓”型鋼筋或扁鐵插入面板后局部加厚的預(yù)留孔槽，如圖7b所示，這種連接的強度比采用預(yù)埋內(nèi)螺紋件時差，僅適用于小型板。

圖6 穿孔連接

圖7 帶肋板“L”型鋼筋或扁鐵的連接方式

3.3 框架板面板連接

框架板的面板與背附鋼框架采用鋼筋錨桿連接，面板與錨桿為鉸接，如圖8所示。錨桿分為柔性錨桿、重力錨桿和抗震錨桿，如圖9所示。柔性錨桿垂直于面板，將面的法向荷載傳遞給框架，重力錨桿將豎向荷載傳遞給框架，柔性錨桿和重力錨桿不應(yīng)約束GRC板的收縮和溫度濕度變化引起的變形，錨桿處局部加厚的厚度應(yīng)大于或等于面板厚度。裝配在夾套內(nèi)的鋼筋或扁鋼錨桿都應(yīng)便于面板在板面內(nèi)自由運動。所有錨桿應(yīng)指向面板的中心，以緩解收縮應(yīng)力。當錨桿必須指向另一個方向時，必須有足夠的距離，以適應(yīng)面板的自由收縮。較大較重的GRC板采用扁鋼錨固。

3.4 夾芯板連接

夾芯板是由兩層GRC板和輕質(zhì)隔熱芯板組成，GRC板厚度通常在10-15mm。為了防止夾芯板因內(nèi)外溫度濕度變化產(chǎn)生變形，通常對外層GRC板連接部位局部加厚，采用單板和帶肋單層板的連接方法，夾心板整體構(gòu)造及固定件形式如圖10所示。

4 GRC外墻板與主體結(jié)構(gòu)的連接

GRC外墻板與鋼筋混凝土的連接可采用膨脹螺栓，化學膨脹螺栓，預(yù)埋件的方式。

圖8 框架板構(gòu)造形式

圖9 錨桿連接形式

圖10 夾芯板連接

預(yù)埋件（哈芬槽）如圖11所示，先將帶有固定錨栓的C 型槽預(yù)埋于混凝土中，再將T 型螺栓的大頭扣進C型槽中，要安裝的構(gòu)件再用T 型螺栓固定。

與鋼結(jié)構(gòu)的連接可采用預(yù)鉆孔和現(xiàn)場鉆孔的方式，也可采用夾具固定的方式和焊接（保證焊接防腐措施）。在磚墻或砌塊墻體上安裝的GRC外墻板尺寸一般比較小，墻體要進行增強和專門處理。相對大板來說，小板能夠更均勻地將風荷載和板的自重分布在墻體上。錨固點應(yīng)在磚或砌塊上，不得處于砂漿處。

與玻璃鋼擠拉型材結(jié)構(gòu)連接時，避免荷載作用在最薄弱的方向上或部分截面上，希望將荷載作用在截面最強的拉擠方向上。GRC部件的支撐結(jié)構(gòu)使用擠拉型材有許多優(yōu)點。但在設(shè)計過程中必須充分考慮它們的各向異性特點。另一個重要的考慮因素是撓度，可以通過引入支撐，或者改變支撐結(jié)構(gòu)的形式解決。

圖11 預(yù)埋件（哈芬槽）

5 GRC外墻板偏差

安裝GRC外墻板的結(jié)構(gòu)偏差應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的要求，還要考慮生產(chǎn)制造GRC外墻板的偏差和安裝偏差，允許板收縮、溫度濕度變化產(chǎn)生的位移。為了順利安裝，要求針對個體工程設(shè)計GRC外墻板和連接系統(tǒng)，由專業(yè)安裝人員施工。

安裝GRC外墻板時，三個方向都應(yīng)該能夠進行調(diào)節(jié)。角鋼上的孔和帶齒墊片提供多方向調(diào)節(jié)與固定，墊片提供垂直于墻面的水平調(diào)節(jié)。角鋼上的水平槽用于平行于墻面的水平調(diào)節(jié)，通過多個聚四氟乙烯墊片調(diào)節(jié)垂直方向，為避免GRC外墻板的損壞，應(yīng)滿足支撐處的最小承受壓力的面積，墊片的最小厚度12mm，墊片的下端低于角鋼的彎起處，如圖12所示。角鋼傾斜的接觸方式將會導(dǎo)致應(yīng)力集中對GRC板造成損壞，如圖13所示。

圖12 安裝偏差調(diào)整

圖13 固定角鋼偏差調(diào)節(jié)

圖14 預(yù)埋哈芬槽偏差調(diào)節(jié)

預(yù)埋哈芬槽能夠提供水平方向或垂直方向較大的調(diào)節(jié)，帶齒的槽能夠提供調(diào)節(jié)并鎖死。這種情況下，角鋼上的水平槽必須提供平行于墻面的水平調(diào)節(jié)，為防止電化學腐蝕，低碳鋼與不銹鋼之間采用聚氯乙烯和聚四氟乙烯隔離墊。如圖14所示。

起吊應(yīng)該設(shè)置專門錨固，避免損壞安裝錨固，起吊時盡可能垂直，起吊點對稱于板的重心，如圖15所示。吊裝點可采用預(yù)埋內(nèi)螺紋件和錨固鋼筋。設(shè)置吊裝點的原則是吊裝過程中構(gòu)件彎曲應(yīng)力最小，采用鐵扁擔和轉(zhuǎn)臺使受力合理。如果單塊板的重量超過40-45kg，兩個人抬舉困難，應(yīng)該采用吊裝設(shè)備，GRC框架板容易吊裝，采用吊索直接綁扎框架。

圖15 吊裝示意圖

對建筑結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素通常有接觸（電偶）腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂。環(huán)境條件（氯離子）是金屬固定件受到腐蝕最常見的原因。潮濕環(huán)境腐蝕固定裝置，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞。腐蝕后的低碳鋼膨脹到原來厚度的四倍以上，這種膨脹顯然會對GRC面板產(chǎn)生不良影響。通常采用特殊材料來加工固定裝置如鍍鋅固定裝置、不銹鋼固定裝置和玻璃鋼型材。但這些材料因具有良好的耐久性而成本較高。所以應(yīng)合理選擇耐腐蝕等級與建筑壽命匹配的固定裝置從而節(jié)約建筑成本。