石材巖棉保溫復(fù)合一體板在建筑工程中的應(yīng)用

張乃錨

(福建萬合建設(shè)股份有限公司，福建 泉州 362000)

1 保溫復(fù)合板的分類及技術(shù)要求

1.1 保溫復(fù)合板的分類及要求

按復(fù)合板所采用保溫材料的屬性，復(fù)合板可分為無機(jī)復(fù)合板和有機(jī)復(fù)合板；按復(fù)合板是否具有裝飾層，可分為無飾面復(fù)合板和有飾面復(fù)合板；按單位面積的質(zhì)量大小，可分為Ⅰ型復(fù)合板和Ⅱ型復(fù)合板，Ⅰ型復(fù)合板單位面積質(zhì)量應(yīng)<20 kg/m2，Ⅱ型復(fù)合板單位面積質(zhì)量應(yīng)為20～30 kg/m2。

其中，有機(jī)復(fù)合板采用的保溫材料的燃燒性能等級(jí)不應(yīng)低于B1級(jí)。采用巖棉應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑外墻外保溫用巖棉制品》(GB/T 25975—2010)中的有關(guān)規(guī)定。當(dāng)用于復(fù)合板薄抹灰保溫系統(tǒng)、有飾面復(fù)合板保溫系統(tǒng)時(shí)，垂直于面板方向的抗拉強(qiáng)度應(yīng)≥0.10 MPa。薄石材板應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《天然花崗石建筑板材》(GB/T 18601—2009)或《天然大理石建筑板材》(GB/T 19766—2016)中的有關(guān)規(guī)定。

1.2 石材保溫復(fù)合板的應(yīng)用

由于石材為天然形成的材料，具有很多裝飾的優(yōu)點(diǎn)，也存在著一些缺陷。采用復(fù)合的方式使之與其他材料復(fù)合成一個(gè)整體，很大程度上克服了其中的不足，還能共同發(fā)揮兩種材料各自的優(yōu)勢(shì)，對(duì)自然材料的利用率以及工程成本的節(jié)約有著重大的意義。石材與巖棉復(fù)合，形成一種保溫與裝飾并存的新型材料，是一種值得推廣使用的復(fù)合材料。

2 石材巖棉復(fù)合一體板存在的問題

根據(jù)《保溫防火復(fù)合板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 350—2015)中的規(guī)定，石材巖棉復(fù)合板應(yīng)屬于有裝飾面板的復(fù)合板，基層墻體的連接應(yīng)采用粘錨結(jié)合的固定方式，并以粘貼為主，石材裝飾面板的厚度宜≤10 mm。

本文以天津地區(qū)某外墻裝飾工程項(xiàng)目為例，對(duì)石材巖棉復(fù)合一體板在建筑外墻裝飾中的應(yīng)用進(jìn)行討論。

按《保溫防火復(fù)合板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JCT/T 350—2015)及《天津市保溫裝飾板外墻外保溫系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》(DB/T29-240—2016)中的規(guī)定分類，石材巖棉復(fù)合板屬于有飾面復(fù)合板。根據(jù)天津地區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)要求、地方標(biāo)準(zhǔn)以及節(jié)能設(shè)計(jì)的規(guī)定，所采用的保溫巖棉應(yīng)100 mm厚、容重≥140 kg/m3；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，裝飾面板選用12 mm厚的花崗石板材。本項(xiàng)目所選定的石材巖棉復(fù)合板的單位面積質(zhì)量為：

石材單位面積質(zhì)量：2800 kg/m3×0.012 m=33.6 kg/m2；

巖棉單位面積質(zhì)量：140 kg/m3×0.10 m=14 kg/m2；

合計(jì)為47.6 kg/m2，超出了Ⅱ型復(fù)合板的定義范圍(單位面積質(zhì)量應(yīng)為20～30 kg/m2)。

由此，本工程所采用的石材巖棉保溫復(fù)合板存在兩個(gè)問題：石材厚度根據(jù)計(jì)算采用12 mm厚，超過了規(guī)范建議要求；復(fù)合板單位面積重量超出規(guī)范的定議范圍。

復(fù)合板單位面積質(zhì)量過大，主要會(huì)影響復(fù)合板與基層墻體之間的連結(jié)能力和單點(diǎn)錨固的承載力。在建筑荷載組合的作用下，垂直于面板的水面拉力以及平行于面板的豎向剪力勻會(huì)加大，從而影響工程的可靠性。為此，可以考慮在復(fù)合板與基層墻體之間的粘結(jié)力不變的情況下，從石材裝飾面板入手，適當(dāng)增大石材面板與基層墻體之間的錨固連接強(qiáng)度，以增強(qiáng)復(fù)合板與基層墻體之間的連結(jié)能力，保證工程的安全性，達(dá)到可靠性的要求。

3 石材巖棉復(fù)合一體板的設(shè)計(jì)

復(fù)合板外墻保溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在重力荷載、風(fēng)荷載、地震作用、溫度作用和主體結(jié)構(gòu)正常變形影響下，應(yīng)具有安全性，并符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)中的有關(guān)規(guī)定。擬選用的兩種設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 方案①

圖2 方案②

目前市場(chǎng)上主要采用方案②設(shè)計(jì)安裝，此方案采用2 mm厚鋁合金卡片+2 mm厚鋁合金連接角碼，通過塑料脹管與主體連接安裝。本方案主要考慮粘結(jié)安裝，錨固連接可加強(qiáng)復(fù)合板之間的粘結(jié)力，未考慮復(fù)合板與結(jié)構(gòu)墻體間的豎向剪切作用的影響，可能造成一體板下墜的不利情況。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求保溫層厚度較大，面層石材重量也較大，在重力及地震作用下，將加大一體板與主體結(jié)構(gòu)之間的豎向剪切作用，可能造成一體板下墜，影響一體板系統(tǒng)的整體可靠性。因此，本設(shè)計(jì)選擇方案①設(shè)計(jì)安裝，采用M6不銹鋼背栓、4 mm厚連接片+4 mm厚安裝掛件+角碼，通過機(jī)械錨栓與主體連接安裝。本方案主要考慮一體板與主體粘結(jié)外，水平方向錨固連接件也起到了加強(qiáng)的作用；豎向由錨固掛件承受豎向承載力的作用，抵消一體板與主體結(jié)構(gòu)之間的豎向剪切，防止下墜。

本文以方案①設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。

3.1 飾面石材板的選擇

首先，外飾面石材應(yīng)滿足建筑設(shè)計(jì)的要求，然后根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，最后確定選材的大小、規(guī)格。設(shè)計(jì)文件里對(duì)材料的選擇應(yīng)有明確的技術(shù)說明，技術(shù)參數(shù)應(yīng)滿足設(shè)計(jì)和技術(shù)規(guī)范要求。

按最不利情況進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的思想，取本項(xiàng)目最大分格為1 120 mm×620 mm×12mm，上下兩邊分別為3個(gè)錨固連接點(diǎn)，背栓孔為Φ7 mm×6 mm。按照《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ133—2001)中關(guān)于石板設(shè)計(jì)的規(guī)定，分別對(duì)飾面石材的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

經(jīng)抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算，σ=3.835 MPa≤f=5.2 MPa，選用面板的抗彎強(qiáng)度能滿足要求；經(jīng)抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算，τ=2.48 MPa≤τsc=2.6 MPa，背栓在面板槽口中剪應(yīng)力能滿足要求[1]。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)目應(yīng)選用12 mm厚的花崗石板材，石材的彎曲強(qiáng)度平均值不應(yīng)低于11.2 MPa，石材的彎曲強(qiáng)度平均值應(yīng)由檢測(cè)單位檢測(cè)試驗(yàn)確定。

結(jié)果表明，飾面石材的選擇只要滿足彎曲強(qiáng)度平均值不小于11.2 MPa的花崗石板材即可滿足本工程的需要。因此，業(yè)主或設(shè)計(jì)單位除了選擇石材顏色花紋的同時(shí)，需要注意石材的彎曲強(qiáng)度的選擇。

3.2 石材與保溫巖棉復(fù)合粘結(jié)

根據(jù)《保溫防火復(fù)合板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JCT/T 350—2015)中的要求，Ⅱ型復(fù)合板面層與保溫材料拉伸粘結(jié)強(qiáng)度應(yīng)≥0.15 MPa[2]。

根據(jù)《建筑外墻外保溫用巖棉制品》(GB/T 25975—2010)中的要求，巖棉板最高抗拉強(qiáng)度要求為15 kPa(TR15)，最低抗拉強(qiáng)度要求為7.5 kPa(TR7.5)。

根據(jù)荷載規(guī)范，本工程的面板水平荷載集度設(shè)計(jì)組合值：q=0.002215 MPa<0.15 MPa。

根據(jù)規(guī)范要求，本工程裝飾面板承受的水平荷載集度值在面層與保溫材料粘結(jié)強(qiáng)度最低要求的取值范圍內(nèi)，滿足要求；同時(shí)，本工程裝飾面板承受的水平荷載集度值<巖棉制品最低抗拉強(qiáng)度的要求，巖棉制品滿足本工程設(shè)計(jì)的要求。

由此結(jié)果可知，業(yè)主或施工單位在采購(gòu)石材巖棉復(fù)合一體板時(shí)，應(yīng)據(jù)此控制好巖棉制品的抗拉強(qiáng)度和石板與巖棉間的粘結(jié)強(qiáng)度即可。

3.3 石材連接件鋼片及連接背栓的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

巖棉與飾面石材采用聚氨酯膠進(jìn)行粘結(jié)組合。聚氨酯膠屬于化學(xué)制劑，在不同的使用環(huán)境、施工條件下，均可能會(huì)影響有效粘結(jié)時(shí)間，這使復(fù)合板這樣新型的建筑材料存在一種不利因素。同時(shí)，復(fù)合一體板與結(jié)構(gòu)基層間的粘結(jié)施工也會(huì)因各種原因而存在諸多不利因素，例如現(xiàn)場(chǎng)施工、使用情況等，使之與主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脫離的現(xiàn)象。按最不利情況進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的思想，應(yīng)考慮復(fù)合板內(nèi)部的粘結(jié)、復(fù)合板與主體結(jié)構(gòu)基層間的粘結(jié)發(fā)生脫離時(shí)，該如何保證該裝飾面板的安全性、可靠性。因此，有必要對(duì)裝飾面板的機(jī)械錨固連接系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，以確保在復(fù)合板實(shí)際正常使用過程中錨固連接與膠粘劑的粘結(jié)能夠相互加強(qiáng)，使該建筑裝飾保溫復(fù)合板的安全得到保證。

1)連接背栓抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。石材錨固連接選用M6不銹鋼背栓，通過對(duì)飾面石材板連接背栓強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，可知：

單個(gè)背栓所受的剪力計(jì)算值：V= 107.163N。

背栓承受豎向剪應(yīng)力：Fv=V/A=107.163/(3.142×62/4)=3.790 MPa≤100 MPa。

其中，A為每個(gè)角碼的斷面面積，mm2，A=Lt。

背栓抗剪強(qiáng)度能滿足。

2)裝飾面板連接鋼片強(qiáng)度驗(yàn)算。石材連接件選用4 mm厚度的S304不銹鋼板材，通過對(duì)飾面石材板連接背栓強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算，可知：

復(fù)合板掛件連接處產(chǎn)生的側(cè)向拉力值：N=qabβ/4=327.059 N，經(jīng)過有限元分析，可得不銹連接件受力變形、內(nèi)應(yīng)力值。在荷載作用下產(chǎn)生最大撓度值Umax=0.064 mm<25/250=0.10 mm，復(fù)合板連接件彎形撓度滿足要求；在荷載作用下產(chǎn)生最大內(nèi)應(yīng)力σ=110.606 MPa<180 MPa，板連接鋼片強(qiáng)度滿足要求。

3)背栓抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算。石材錨固連接選用M6不銹鋼背栓，通過有限元分析，可得不銹鋼連接件節(jié)點(diǎn)反力，即不背栓承受軸向力拉值N=654.12 N。

由此可計(jì)算背栓承受軸向拉應(yīng)力：

FL=N/A=654.12/(3.142×62/4)=23.135 MPa≤180 MPa，背栓抗拉強(qiáng)度能滿足。

4)復(fù)合石材板與背栓之間的錨固力。在本工程的荷載條件下，背栓承受軸向拉力值N=654.12 N；石材錨固連接選用M6不銹鋼背栓，背栓錨固深度8 mm。通過背栓與石材錨固連接拉拔試驗(yàn)可得知，背栓拉力試驗(yàn)值可達(dá)到2.933 kN。

N=654.12N=0.654 kN<2.933 kN，復(fù)合石材板與背栓之間的錨固力能滿足要求。

3.4 石材復(fù)合板安裝連接掛件的強(qiáng)度及撓度要求

板塊通過掛件將荷載傳遞到連接角碼上，可以近似地把掛件簡(jiǎn)化為帶懸臂構(gòu)件。

1)掛件的強(qiáng)度校核。

設(shè)計(jì)中干掛件選用：80 mm×40 mm×4 mm不銹鋼掛件，對(duì)掛件的強(qiáng)度進(jìn)行校核。

每個(gè)掛件所承受的水平集中荷載設(shè)計(jì)值：N=327.059 N

每個(gè)掛件的斷面面積：A=160 mm2

掛件最大彎矩設(shè)計(jì)值：Mgj=3611.79 N·mm

每個(gè)掛件的抗彎距：Wgj=40×42/6=106.667 mm3

掛件的抗彎強(qiáng)度計(jì)算值：

σ3=N/A+Mgj/Wgj=327.059/160+3611.79/106.667=35.905 MPa≤fgj=180 MPa

式中，fgj為掛件的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa，本處掛件材質(zhì)為304不銹鋼，fgj=180 MPa。

掛件的抗彎強(qiáng)度能滿足設(shè)計(jì)要求。

2)掛件的撓度校核。根據(jù)幕墻規(guī)范要求，其相對(duì)撓度應(yīng)≤2/250(鋼材)，且絕對(duì)撓度應(yīng)≤1 mm。

通過對(duì)掛件的撓度校核可知，每個(gè)掛件的慣性距：Igj=40×43/12=213.333 mm4。

掛件懸臂端最大撓度計(jì)算值：df=0.044 mm≤df,lim=0.28 mm。

掛件的撓度能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 石材復(fù)合板安裝連接支座角碼

設(shè)計(jì)中安裝連接支承角碼選用Q235結(jié)構(gòu)用鋼，L70×45×5 mm不等肢型鋼角碼。

抗彎強(qiáng)度校核依據(jù)：

σ=N/A+6Ge/n2Lt2≤f=215MPa

式中，G為每個(gè)板塊的自重荷載設(shè)計(jì)值，N，G=1.35Gk；e為面板剖面中線到角碼面的距離，mm；n2為承受垂直荷載的角碼數(shù)量；L為支承角碼的長(zhǎng)度，mm；t為支承角碼的厚度，mm；f為選用角碼材料的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，MPa。

抗剪強(qiáng)度校核依據(jù)：τ=G/n2Lt≤fv=125MPa

1)通過對(duì)連接角碼的強(qiáng)度校核，可知：

角碼的抗彎強(qiáng)度計(jì)算值：

σ=N/A+6Ge/n2Lt2=qab/(n1Lt)+6Ge/n2Lt2

=0.002215×630×750/(4×100×5)+6×1.35×158.76×100/(2×100×52)=26.242MPa≤f=215MPa

支承角碼的抗彎強(qiáng)度能滿足要求。

2)通過對(duì)連接角碼的撓度校核，可知：

角碼的抗剪強(qiáng)度計(jì)算值：τ=G/n2Lt=1.35×158.76/(2×100×5)=0.214MPa≤fv=125MPa

支承角碼的抗剪強(qiáng)度能滿足要求。

綜上所述，本設(shè)計(jì)在粘結(jié)性能不參于工作的情況下，機(jī)械錨固連接系統(tǒng)各項(xiàng)性能均可以滿足要求。石材巖棉保溫一體板在實(shí)際正常使用過程中，M6背栓錨固性能與膠粘劑的粘結(jié)性能可以起到相互加強(qiáng)的作用，該建筑裝飾保溫復(fù)合板的安全性、可靠性可以得到保證。

4 結(jié)束語

由于新型的材料所采用的石材厚度比傳統(tǒng)的裝飾石材厚度小很多，對(duì)材料的節(jié)省可以達(dá)到50%以上。采用新型的復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝，幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能減少鋼材的用量。由于從石材材料節(jié)省致使鋼材用量的減少，從根本上降低了石材幕墻工程造價(jià)，這對(duì)國(guó)家資原開采的控制及環(huán)境保護(hù)有重要的意義。