外墻外保溫飾面層用塑料錨栓抗拉承載力影響因素研究

趙考重，魏方旭，劉夢璇

（1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101；2.山東建大工程鑒定加固研究院，山東 濟南 250013）

0 引言

建筑物的外墻外保溫系統(tǒng)為安裝在外墻外表面的非承重保溫構(gòu)造層的總稱，由保溫層、保護層和固定材料（膠粘劑、錨固件等）構(gòu)成。錨栓作為外墻外保溫系統(tǒng)的重要連接部件，其在基層墻體中的抗拉拔承載力對外墻外保溫系統(tǒng)的連接安全性及耐久性影響較大。工程中建筑物保溫層脫落現(xiàn)象時有發(fā)生，因此，對錨栓抗拔承載力進行研究具有十分重要意義。敲擊式圓盤塑料錨栓由塑料膨脹套管和金屬錨釘（鋼釘）組成，構(gòu)造簡單。施工時先用電鉆鉆孔，后將塑料套管插入鉆孔中，錨釘采用敲擊的方式錨入，施工方便。

孫樹榮[1]通過大量試驗分析得到錨栓在不同基層墻體中的抗拉承載力標準值，為錨栓的施工和檢驗提供了幫助。張?zhí)梁宛垘r茹[2]介紹了如何確定外墻保溫錨栓承載性能現(xiàn)場檢測方法和判定依據(jù)，并就現(xiàn)場檢測中的抽樣原則提出了相應建議。楊春[3]通過案例對類似風荷載地區(qū)的外墻保溫系統(tǒng)所受抗力和荷載效應展開論述，對外墻保溫系統(tǒng)的安全系數(shù)隨建筑高度的變化進行了驗證并提出見解。梁曉輝和李娜[4]重點對目前塑料錨栓承載力現(xiàn)場檢測過程中存在的不足和缺陷提出了一些針對性的建議和方法。楊虎[5]針對錨栓抗拉承載力評定中出現(xiàn)的問題，對現(xiàn)行標準和試驗數(shù)據(jù)進行了分析，指出問題產(chǎn)生的原因，并提出了相應的評定建議。王學成等[6]通過對不同基層墻體、不同有效錨固深度和不同種類錨栓的試驗得到了單個錨栓抗拉承載力標準值、平均值及單個值的差別，并對影響因素進行分析。

目前對外墻外保溫系統(tǒng)用塑料錨栓的研究主要集中于錨栓的正確使用及檢測，對錨栓抗拉承載力影響因素研究較少?，F(xiàn)場拉拔試驗表明，70%的常規(guī)錨栓錨固拉拔力不符合有關(guān)標準的限值要求，且離散性較大。為了提高外墻保溫系統(tǒng)的連接安全性，本文通過大量試驗分析了影響外墻外保溫用敲擊式塑料錨栓抗拉承載力的影響因素，研究了錨栓在加氣混凝土砌塊中的受力及破壞機理，可為錨栓的施工和檢驗提供參考。

1 試驗

1.1 試件設(shè)計

針對目前加氣混凝土砌塊填充墻體應用較廣泛的現(xiàn)狀，本文主要研究了基層墻體材料為加氣混凝土實心砌塊，塑料錨栓采用敲擊式圓盤錨栓，各種因素對塑料錨栓抗拉承載力的影響。試件設(shè)計時主要考慮了錨固深度、鉆孔直徑、施工順序、孔洞處理方式和溫度變化等因素。砌塊為同批次材料，尺寸為600 mm×200 mm×250 mm，塑料錨栓均采用敲擊式圓盤錨栓，圓盤直徑為50 mm，膨脹套管直徑為10 mm，膨脹套管總長162 mm。塑料膨脹套管和金屬錨釘如圖1所示。錨固深度考慮了5種（30、50、60、70、80 mm）；砌塊上鉆孔直徑3種（8、10、12 mm）；根據(jù)調(diào)查施工順序主要考慮先將塑料膨脹套管插入鉆好的孔內(nèi)然后再將鋼釘打入塑料膨脹套管，或?qū)⑺芰吓蛎浱坠芎弯撫斠黄鸫蛉肫鰤K內(nèi)；孔洞處理方式主要考慮是否加結(jié)構(gòu)膠；溫度因素主要考慮施工時和使用時的不同溫差。本試驗共設(shè)計了20組試件，每組15個錨栓。

圖1 塑料膨脹套管和金屬錨釘

1.2 試驗測點布置

錨固點在砌塊上的布置位置見圖2。在同一個砌塊上影響因素要考慮不同的工況，如在研究錨栓錨固深度對抗拉承載力影響時，同一砌塊上布置了不同錨固深度的錨栓，以避免砌塊材質(zhì)差異對試驗結(jié)果的影響。

圖2 砌塊錨固點布置示意

由于拉拔儀在操作過程中的距離要求，主面上的10個測點不能同時植入錨栓，要分成2批，第1批植入錨栓為1、2、5、6、9、10測點，第1批錨栓拔出后即可植入第2批錨栓為3、4、7、8測點，側(cè)面5個測點可一次性植入5個錨栓。錨固后的錨栓布置如圖3所示。

1.3 試驗加載方案

本試驗錨栓抗拉承載力采用HC-MD60高精度鉚釘拉拔儀進行加載。試驗過程中采用力加載模式，單向拉伸荷載施加在錨栓塑料套管上，如圖4所示。加載時，拉拔儀與錨栓處于同一直線上，加載至拉拔儀顯示荷載值不再變化即認為錨栓被拔出達到最大抗拉承載力。

圖3 砌塊實際錨栓布置

圖4 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗破壞特征

按照上述試驗方案，對各組錨栓分別進行拉拔試驗。錨栓的破壞有3種形式，如圖5所示：

（1）錨栓整體被拉出[見圖5（a）]：拉拔儀的拉力逐漸增大，當拉力達到錨栓與孔洞之間最大摩擦力時，錨栓被整體拉出，錨栓和孔洞均無明顯破壞現(xiàn)象。

圖5 錨栓破壞形式

（2）塑料錨盤破壞，金屬錨釘未被拉出[見圖5（b）]：隨著拉拔儀的拉力增大，塑料膨脹套管逐漸被拉長，由于錨栓與孔洞之間最大摩擦力大于圓盤的極限承載力，套管與圓盤連接處被拉斷，屬于脆性破壞，錨釘留在套管中未被拉出。

（3）塑料膨脹套管被拉斷，金屬錨釘被拉出[見圖5（c）]：隨著拉拔儀的拉力增大，塑料膨脹套管逐漸被拉長，變形越來越明顯，由于錨栓與孔洞之間最大摩擦力大于套管的極限承載力，當圓盤下方套管達到極限承載力時，發(fā)出“嘭”的一聲，塑料套管被拉斷，屬于脆性破壞，錨釘同時被拉出。

表1 錨固深度對錨栓抗拉承載力的影響

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 錨固深度對錨栓抗拉承載力的影響

本組所有錨栓施工順序均為先植入塑料套管再敲入金屬錨釘，錨固深度對錨栓抗拉承載力的影響見表1。

由表1可以看出，當錨栓材質(zhì)相同，鉆孔直徑相同時，錨固深度越大，塑料膨脹套管與孔洞之間的有效摩擦力越大，單個錨栓的抗拉承載力越高，錨固深度每增加10 mm，錨栓的抗拉承載力約提高22.5%。當錨固深度為30 mm時，其錨固抗拉承載力很小。錨固深度大于50 mm時，抗拉承載力可達到0.3 kN以上，錨固深度達到80 mm時，抗拉承載力才能大于0.6kN。由此可見，要保證錨栓有一定抗拉承載力，必須滿足一定的錨固深度。

本組試驗中所有錨栓均被整體拔出，砌塊孔洞基本沒有被破壞，只有孔洞口有少許砌塊材料被帶出，未出現(xiàn)錐形破壞，如圖6所示。

圖6 錨栓及砌塊破壞形式

2.2.2 鉆孔直徑對錨栓抗拉承載力的影響

本組所有錨栓施工順序均為先植入塑料套管再敲入錨釘，鉆孔直徑對錨栓抗拉承載力的影響見表2。

由表2可以看出，當鉆孔直徑大于塑料錨栓直徑時，與孔徑和塑料錨栓相同的情況相比，無論錨固深度大小，錨栓的抗拉承載力都會大幅度降低，錨固深度不同錨栓的抗拉承載力降幅不同，其降幅為50%～70%，抗拉承載力均未超過0.2 kN。鉆孔直徑小于塑料錨栓直徑時，其抗拉承載力大幅度提高，鉆孔直徑小于塑料錨栓直徑2 mm時，錨栓的抗拉承載力提高130%左右。原因為鉆孔直徑小于套管外徑時，錨栓與孔壁之間產(chǎn)生的膨脹擠壓力增大，有效剪切摩擦力增大，因此單個錨栓的抗拉承載力提高。大部分錨栓的破壞形式為錨栓從砌塊內(nèi)拔出，個別錨栓塑料套管被拉斷。另外要說明的是，由于砌塊強度較低，鉆孔直徑小于塑料錨栓直徑時，大部分錨栓可敲入孔內(nèi)，但個別錨栓會出現(xiàn)塑料套管敲彎的現(xiàn)象，如圖7所示。

表2 鉆孔直徑對錨栓抗拉承載力的影響

圖7 錨栓變形

2.2.3 施工安裝順序?qū)﹀^栓抗拉承載力的影響

常規(guī)施工安裝順序為先植入塑料套管再敲入錨釘，本組試驗改變施工安裝順序，先在塑料套管中敲入鋼釘，然后將塑料錨栓和鋼釘一起敲入孔洞中?？估休d力試驗結(jié)果見表3。

表3 施工安裝順序?qū)﹀^栓抗拉承載力的影響

由表3可以看出，改變施工順序?qū)﹀^栓的抗拉承載力影響非常大。預先將錨釘敲入塑料膨脹套管時，套管前端已經(jīng)脹開，整體敲入時出現(xiàn)擴孔現(xiàn)象，施工后錨栓與孔洞壁之間的有效摩擦長度變短，只有前端膨脹端部位有摩擦力，無膨脹擠壓力作用，因此單個錨栓的抗拉承載力大幅降低，當錨固深度為60 mm，孔徑與錨栓直徑相同時，抗拉承載力降低了74.3%。

2.2.4 孔洞處理方式對錨栓抗拉承載力的影響

塑料錨栓在加氣混凝土砌塊砌體上的錨固力較小，在正常施工條件下，施工質(zhì)量即使完全符合要求，當錨固深度為80 mm時，錨栓抗拉承載力才可達到0.6 kN的要求。在孔內(nèi)注膠然后錨固錨栓，可提高錨栓的錨固作用，從而提高抗拉承載力。本組試驗分3種情況，第1種是未進行處理，按一般施工程序進行施工；第2種是先在鉆好的孔內(nèi)注入結(jié)構(gòu)膠，然后打入塑料錨栓和錨釘；第3種情況是在塑料錨栓表面涂覆結(jié)構(gòu)膠，然后敲入鉆好孔內(nèi)，再將鋼釘打入錨栓內(nèi)，不同工況下錨栓試驗結(jié)果見表4。

表4 孔洞處理方式對錨栓抗拉承載力的影響

由表4可以看出，采用第2、第3種處理方式，錨栓的抗拉承載力均得到大幅度提高，單個錨栓的抗拉承載力提高了4倍多，而且2種方式的抗拉承載力相差不大，原因是經(jīng)過處理后，2種方式錨栓的破壞形式基本相同，除個別錨栓外，大部分錨栓均發(fā)生塑料錨栓或圓盤破壞，錨栓未被拔出，如圖8所示。分析原因，注入結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)膠后，錨栓的抗拔由兩部分組成：錨栓與孔壁之間的摩擦力和錨栓與孔壁之間的粘結(jié)力。

圖8 注膠錨栓的破壞形態(tài)

2.2.5 環(huán)境溫度對錨栓抗拉承載力的影響（見表5）

表5 環(huán)境溫度對錨栓抗拉承載力的影響

由表5可以看出：施工時溫度為20℃，在試驗環(huán)境溫度溫度為38℃時，錨栓抗拉承載力變化不大；但在高溫環(huán)境條件下施工，當試驗溫度降低時錨栓的抗拉承載力將會降低，在-5℃時，抗拉承載力約降低了10%，原因是混凝土砌塊與錨栓的熱膨漲系數(shù)不同，溫度變化會產(chǎn)生溫度變形，錨栓與砌塊之間的擠壓力減小，抗拉承載力也降低。

3 結(jié)論

（1）敲擊式塑料錨栓錨固深度越大，抗拉承載力越高，當基層為加氣混凝土砌塊，錨固深度大于50 mm時，抗拉承載力可達到0.3 kN以上，錨固深度為80 mm時，抗拉承載力方可達到0.6 kN以上。

（2）鉆孔直徑對錨栓抗拉承載力有較大影響，鉆孔直徑大于錨栓直徑時，錨栓的抗拉承載力降低，鉆孔直徑小于錨栓直徑時，錨栓的抗拉承載力大大提高，當鉆孔直徑大于錨栓直徑2 mm時，抗拉承載力降低50%～70%，施工時應嚴格控制鉆孔直徑。

（3）施工工藝對錨栓的抗拉承載力產(chǎn)生較大影響，若錨栓與錨釘一起敲入孔內(nèi)，錨固深度為60 mm時，抗拉承載力約降低了74%。

（4）采用在孔內(nèi)注入結(jié)構(gòu)膠或在塑料錨栓表面先涂覆結(jié)構(gòu)膠再將錨栓插入孔內(nèi)的方式施工，錨栓的抗拉承載力大幅度提高。

（5）季節(jié)性溫度對錨栓的抗拉承載力也會產(chǎn)生一定影響，高溫環(huán)境條件下施工的錨栓，處于低溫環(huán)境條件時，錨栓的抗拉承載力會有所降低。