幕墻石材背面鉆孔掛裝強(qiáng)度測試技術(shù)研究與應(yīng)用

段瑞斌，李依妮，黃得楊，張海輝

（廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣州510500）

0 引言

近年來，隨著建筑工程技術(shù)特別是幕墻技術(shù)的發(fā)展，石材掛裝工藝在許多工程中都得到了廣泛應(yīng)用［1，2］。由于掛裝工藝多用在室外工程，環(huán)境多變，且板材與金屬材料的連接其實(shí)是一種硬性的脆性連接，一旦石材與掛件連接失效，會造成石材掉落，存在相當(dāng)大的安全隱患［3］?？梢哉f，掛裝強(qiáng)度是石材掛裝工藝成敗的關(guān)鍵，其試驗(yàn)檢測逐漸受到重視，成為了一項重要的力學(xué)性能指標(biāo)。錨栓等安裝組件起到了荷載傳遞的作用［4］，其材質(zhì)、安裝質(zhì)量與石材本身的材質(zhì)性能，均對掛裝強(qiáng)度有重要的影響［5，6］。研發(fā)掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)裝置，開展掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)檢測，有利于加強(qiáng)幕墻施工質(zhì)量控制管理，提高工程質(zhì)量，保證人民的財產(chǎn)和生命安全［7］。

目前，掛裝強(qiáng)度主要按照《天然飾面石材試驗(yàn)方法第7 部分：檢測板材掛件組合單元掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)方法：GB/T 9966.7-2001》［8］中檢測技術(shù)的要求進(jìn)行，由于標(biāo)準(zhǔn)中只有簡單的試驗(yàn)原理示意圖，無具體的試驗(yàn)裝置說明，在現(xiàn)有技術(shù)中，并無專門的掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)儀器。另外，掛裝產(chǎn)品的種類繁多，規(guī)格不一，也給試驗(yàn)檢測帶來一定的困難。鑒于上述原因，研究掛裝強(qiáng)度測試技術(shù)與裝置，對于客觀、真實(shí)地反映幕墻石材掛裝質(zhì)量狀況具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 總體思路

1.1 標(biāo)準(zhǔn)中的要求

文獻(xiàn)［8］中要求試樣上的槽或孔按實(shí)際使用要求加工，不得有裂紋、缺棱和掉角，每組5 塊。掛件：工程實(shí)際使用的掛件，按工程實(shí)際使用要求將石材與掛件組成試樣單元。試樣單元上不得有裂紋、缺棱等影響強(qiáng)度的缺陷。

試驗(yàn)步驟如下：將試樣放在20℃±2℃的蒸餾水中，浸泡48 h 后取出，用擰干的濕毛巾將試樣表面水分擦去。在平臺上安裝試樣并在夾具與試樣之間墊放膠墊。根據(jù)工程要求的加載方向?qū)υ嚇舆B續(xù)平穩(wěn)地施加載荷，加載速率應(yīng)保證從試樣受力至試樣破壞的時間約2 mim 或按照設(shè)計要求的速率加載，如圖1 所示。

圖1 背面鉆孔試驗(yàn)示意圖Fig.1 Diagram of Back Drilling Test

記錄掛裝樣品的破壞荷載與破壞位置、破壞形態(tài)等，試樣掛裝強(qiáng)度為試樣破壞時的最大載荷，以牛頓（N）為單位表示。

1.2 研究設(shè)計思路

文獻(xiàn)［8］中只有簡單的試驗(yàn)原理示意圖，無具體的試驗(yàn)裝置說明。研發(fā)過程中在遵守標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的前提下，要注意體現(xiàn)操作便利，另外，由于掛裝產(chǎn)品的種類繁多，規(guī)格不一，所研發(fā)的試驗(yàn)裝置需滿足大多數(shù)掛裝工藝試驗(yàn)要求，且操作簡單、方便快捷。

掛裝方式主要有2 種，背面鉆孔（拉拔）、背面鉆孔（剪切），其掛裝方式不同，原理也不同［9］，需要的試驗(yàn)裝置各異，需解決的問題亦不相同。除了考慮樣品的規(guī)格各異帶來的定位、限位困難；更有背面鉆孔（拉拔）試件錨栓規(guī)格，力值傳遞、轉(zhuǎn)接；背面鉆孔（剪切）由于示意圖中顯示是水平加載，如何使樣品就位，如何選擇加載設(shè)備，亦是研發(fā)中的難點(diǎn)。

2 背面鉆孔試件（拉拔）試驗(yàn)裝置的研發(fā)與應(yīng)用

2.1 試驗(yàn)裝置的構(gòu)造

試驗(yàn)裝置主要包括上夾持組件和下夾持組件，上夾持組件包括掛接頭、轉(zhuǎn)接套筒和上連接柱。下夾持組件包括底座、一對長條形的夾板、下連接柱和定位部件。底座上表面的兩側(cè)開有滑槽，滑槽的槽口上方設(shè)有夾板，夾板上開有長條形的調(diào)節(jié)孔。定位部件的下端與滑槽滑動配合，定位部件向上穿過夾板的調(diào)節(jié)孔沿調(diào)節(jié)孔移動并固定，以使夾板壓緊在試驗(yàn)樣品上，從而將試驗(yàn)樣品夾持在底座上。下連接柱的上端固定在底座的下表面上，下端用于固定在萬能試驗(yàn)機(jī)平臺上，如圖2、圖3 所示。

圖2 上夾持組件Fig.2 Upper Clamping Parts

圖3 下夾持組件及定位T 形螺栓Fig.3 Lower Clamping Parts and Locating T Bolt

定位部件采用T 形螺栓、墊圈和螺母，所述調(diào)節(jié)孔在每個夾板上設(shè)置一對，每個調(diào)節(jié)孔中安裝一個定位部件，T 形螺栓主要由螺桿和設(shè)于其下端的滑塊組成，滑塊與滑槽相適應(yīng)并在滑槽中移動，螺桿向上穿過調(diào)節(jié)孔后安裝墊圈，再由螺母緊固而將夾板壓緊在試驗(yàn)樣品上。

可適用寬度100～400 mm，長度250 mm 以上的，厚度150 mm 以下的樣品試驗(yàn)要求。底座中設(shè)計有滑槽，四個T 形螺栓可沿滑槽自由移動，同時夾板可上下移動，滿足不同規(guī)格及要求的材料試驗(yàn)需要。用于連接安裝組件的內(nèi)螺紋孔道，可根據(jù)具體情況改變直徑，適用的安裝組件（包括錨栓、螺母和墊片）規(guī)格廣泛，掛接頭如圖4 所示。

圖4 不同規(guī)格的掛接頭Fig.4 Various Diameter Hanging Part

2.2 測試與應(yīng)用

主要試驗(yàn)步驟

⑴將下夾持組件的底座通過下連接柱安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)平臺上，用銷子固定。

⑵在底座上墊放膠墊，然后將試驗(yàn)樣品安放在底座的上表面中央，以橫向中刻線、縱向中刻線軸對稱，同時縱向中刻線與標(biāo)尺上的零點(diǎn)刻度對應(yīng)。以保證試驗(yàn)樣品的安裝組件在底座的中心位置。

⑶安裝4個T 形螺栓，將其沿滑槽輕輕滑動，接觸樣品，但不緊密接觸。輕輕安裝夾板，每條滑槽上的2個T 形螺栓，分別對稱分布在夾板的調(diào)節(jié)孔中。然后安裝墊圈，最后擰緊螺母，將試驗(yàn)樣品固定在下夾持組件上。

⑷選擇與組合安裝組件規(guī)格相符的掛接頭，放入轉(zhuǎn)接套筒內(nèi)，然后與上連接柱組合在一起，成為上夾持組件；轉(zhuǎn)接套筒內(nèi)掛接頭與上連接柱留有一定高度的自由空間。將上夾持組件通過上連接柱安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁上，用銷子固定。

⑸調(diào)節(jié)萬能試驗(yàn)機(jī)橫梁緩緩下移，同時用手輕輕扶持掛接頭，使掛接頭的上部接觸上連接柱的下端，至掛接頭距離樣品的安裝組件只有幾毫米時，停止下移萬能試驗(yàn)機(jī)中橫梁。仔細(xì)將掛接頭通過內(nèi)螺紋孔道和安裝組件的錨栓擰緊，連接好。試驗(yàn)樣品安裝完畢，如圖5 所示。

⑹在電腦上打開試驗(yàn)軟件，編輯試驗(yàn)加載方案；打開萬能試驗(yàn)機(jī)電源，試驗(yàn)軟件力值清零；開始加載，至安裝組件斷裂破壞，記錄數(shù)據(jù)，計算掛裝強(qiáng)度。

該試驗(yàn)裝置適用材料種類范圍廣，不僅可使用在幕墻石材掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)中，亦可使用在混凝土、輕質(zhì)墻板、陶瓷、陶土板等材料的掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)中，如埋設(shè)的掛件不是錨栓，則只需要將上夾持組件更換為夾頭即可（見圖6）。尤其是能滿足超厚、異形等各種樣品規(guī)格的檢測要求（見圖7）。為客戶提供多樣化的檢測服務(wù)。設(shè)計有不同內(nèi)螺紋直徑的掛接頭，覆蓋了常用的安裝組件規(guī)格。

圖5 石材背面鉆孔（拉拔）掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.5 Back Drilling（Drawing）Testing of Stone

圖6 混凝土板掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.6 Anchorages Strength Testing of Concrete Plate

圖7 超厚異形樣品掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.7 Anchorages Strength Testing of Special Shaped Extra-thick Sample

3 背面鉆孔試件（剪切）試驗(yàn)裝置的研發(fā)與應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)裝置的構(gòu)造

裝置主要由上連接柱、試驗(yàn)架、剪切接頭組成，如圖8、圖9 所示。剪切接頭孔徑有多種規(guī)格，滿足不同規(guī)格安裝組件試驗(yàn)要求。

3.2 測試與應(yīng)用

主要試驗(yàn)步驟如下：

圖8 背面鉆孔（剪切）試驗(yàn)架Fig.8 Back Drilling（Shearing）Testing Frame

圖9 剪切接頭Fig.9 Shearing Joint

⑴選擇與安裝組件規(guī)格相符的剪切接頭，將剪切接頭安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)平臺上，用銷子固定。

⑵將試驗(yàn)架安裝在試驗(yàn)架橫梁上，用銷子固定；樣品安裝在試驗(yàn)架中，注意保持左右對稱。

⑶調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)橫梁緩緩下移，同時用手輕輕扶持剪切接頭，至剪切接頭小孔距離樣品的安裝組件基本處于同一水平線時，停止下移試驗(yàn)機(jī)橫梁。仔細(xì)將剪切接頭通過內(nèi)孔道和安裝組件的錨栓擰緊，連接好。試驗(yàn)樣品安裝完畢（見圖10）。

圖10 背面鉆孔（剪切）的掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.10 Back Drilling（Shearing） Anchorages Strength Testing

⑷在電腦上打開試驗(yàn)軟件，編輯試驗(yàn)加載方案；打開試驗(yàn)機(jī)電源，試驗(yàn)軟件力值清零；開始加載，至安裝組件斷裂破壞，記錄數(shù)據(jù)，計算掛裝強(qiáng)度。

一般試驗(yàn)機(jī)只有豎向拉伸或壓縮的功能，沒有施加水平載荷的功能，如購買一臺橫向加載試驗(yàn)機(jī)，將大幅度提高實(shí)驗(yàn)室成本。該試驗(yàn)裝置把抗剪試驗(yàn)的橫向加載轉(zhuǎn)換為豎向加載，解決了此難題，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。

4 應(yīng)用效果

選用同批次的花崗石板材、M6的錨栓安裝組件，進(jìn)行分析試驗(yàn)。由于在石材、安裝組件相同的情況下，安裝工藝質(zhì)量對試驗(yàn)結(jié)果影響較大［10］，故采用同一人員、相同的安裝工藝制作試驗(yàn)樣品，進(jìn)行平行試驗(yàn)。

2 種掛裝方式各取10個試件進(jìn)行試驗(yàn)，樣品編號1#～10#為拉拔試件，11#～20#為剪切試件，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 背面鉆孔試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Testing Result of Back Drillin

可知拉拔試驗(yàn)結(jié)果，平均值5 506 N，最大值5 810 N，最小值5 290 N；最大值與平均值之差304 N，比例為5.5%，最小值對應(yīng)比例為-3.9%。幅度很小，數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

剪切試驗(yàn)結(jié)果，平均值7 406 N，最大值7 850 N，最小值6 970 N；最大值與平均值之差444 N，比例為6.0%，最小值對應(yīng)比例為-5.9%。幅度很小，數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定。

掛裝（拉拔、剪切）試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，維護(hù)容易。操作簡單，功能多樣，適用材料種類范圍廣，提高了試驗(yàn)檢測效率。該測試技術(shù)已成功應(yīng)用于多個工程項目，效果良好。

5 結(jié)語

通過自主研發(fā)的方式，將標(biāo)準(zhǔn)中的簡單示意圖，轉(zhuǎn)化為實(shí)際使用的試驗(yàn)裝置；背面鉆孔（拉拔）試驗(yàn)裝置功能多樣，適用材料種類范圍廣，不僅可使用在幕墻石材掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)中，亦可使用在混凝土、輕質(zhì)墻板、陶瓷、陶土板等材料的掛裝強(qiáng)度試驗(yàn)中，尤其能滿足超厚、異形等各種樣品規(guī)格的檢測要求。背面鉆孔（剪切）試驗(yàn)裝置把抗剪試驗(yàn)的橫向加載轉(zhuǎn)換為豎向加載，具有較好的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益。