预制混凝土外墙保温板系统的连接性能研究_陈宁.pdf

基 金 项 目：“十 四 五”国 家 重 点 研 发 计 划 项 目（2022YFC3801401-3）；上 海 市 科 委 社 发 项 目（22dZ1203102）。0引言近年来，大量使用的建筑外围护在运营过程中出现了如外保温空鼓脱落、燃烧起火等诸多安全和质量问题，二次维护成本压力较大，对城市安全、可持续发展造成了一定的负面影响1。相比传统的外保温系统，建筑外墙结构保温一体化系统将墙体材料与保温材料在工厂一体化预制成型，并通过连接件将混凝土墙体和保温材料连接成统一整体，可实现保温与主体结构施工一体化，结构与保温系统一体化、生产工业化、寿命同等化的目标，消除了外墙保温空鼓脱落和消防隐患2。预制混凝土外墙保温板系统是目前上海地区广泛应用的建筑外墙结构保温一体化系统。不同于预制混凝土夹心保温外墙板的三明治结构，预制混凝土外墙保温板系统是在工厂将保温板预先铺贴在预制混凝土构件生产钢模内，在锚固件安装和钢筋骨架放置后，再浇筑混凝土成型。为保障预制混凝土外墙保温板系统服役期间的安全性，保温板与混凝土间的连接采用砂浆+不锈钢锚固件结合的连接方式。预制混凝土外墙保温板系统的连接性能研究陈宁，董庆广，王娟（上海市建筑科学研究院有限公司，上海201100）摘要：为研究预制混凝土外墙保温板系统的连接安全性，开展了保温板与抹面砂浆、混凝土的拉伸黏结强度试验，并进行了不同锚固件（HY-80、HY-60和HY-40）反向拉拔力和变形特性研究。结果表明：乳液型界面剂可有效改善聚合物砂浆与保温板的相容性，相应界面黏结强度提升了约85%；保温板采用钢丝网构造加强措施有利于提高保温板与混凝土的界面黏结强度；HY-80和HY-60与HY-40不锈钢锚固件相比，其反向拉拔力分别提高了32.8%和20.0%，可有效提升预制混凝土外墙保温板系统的连接性能。关键词：预制混凝土外墙保温板；界面拉伸黏结强度；反向拉拔力；锚固件；保温板中图分类号：TU528.7文献标识码：Adoi：10.19761/j.1000-4637.2023.07.061.05Research on the connection performance of the prefabricated concrete external wallinsulation panel systemCHEN Ning,DONG Qingguang,WANG Juan（Shanghai Research Institute of Building Sciences Co.,Ltd.,Shanghai 201100,China）Abstract:In order to study the structural connection safety of the prefabricated concrete external wall insulationpanel system,the tensile bond strength tests of the insulation panel surface mortar and concrete were carried out,and thereverse pull-out capacity and deformation characteristics of the anchors(HY-80,HY-60,HY-40)were analyzed.Theresults show that lotion type interfacial agent can effectively improve the compatibility of polymer mortar and siliconeinsulation panel,and the interfacial bonding strength is increased by 85%.At the same time,the insulation panelstrengthened by steel mesh structure can improve of the bonding strength between the insulation panel and the concreteinterface.Compared with HY-40 stainless steel anchors,using the HY-80 and HY-60 has 32.8%and 20.0%higherreverse pull-out force respectively,which can improve the connection performance of the prefabricated concrete externalwall insulation panel system.Keywords:Prefabricated concrete external wall insulation panel;Tensile bond strength of interface;Reverse pull-outcapacity;Anchor;Insulation panel2023年第7期混 凝 土 与 水 泥 制 品2023 No.77月CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTSJuly61-表1界面层类型及编号Table 1Interface layer type and specimen number目前，在结构保温一体化墙体的安全性研究方面，相关学者大多聚焦于预制夹心保温墙体、双面叠合夹心保温墙体以及新型框架复合外墙板的结构抗震性能、力学性能、热工性能和FRP连接件耐久性等方面，并取得了系列研究成果。PAN等3研究了板式GFRP连接件对夹层保温墙板剪切、拉伸和压缩性能的影响，分析了保温板与混凝土和锚固件构件的破坏模式。BRANDON等4研究了一种新型复合抗剪连接件系统对预制混凝土墙板抗弯性能的影响，以评估墙板的整体安全性。薛伟辰等5研究了建筑工程中装配式预制混凝土剪力墙和预制混凝土框架结构的构件连接与节点核心区的构造特点和受力性能。薛伟辰等6还研究了预制夹芯保温墙体FRP连接件抗拉强度及耐老化性能，提出了FRP连接件抗拉强度的退化模型。田海等7针对ALC拼合墙板受剪性能开展了试验研究和有限元分析，研究了条板界面的黏结强度、连接方式、墙板和灌浆的材性等因素对墙板自身剪切性能的影响。丁泓等8从保温连接件选型、荷载和受力状态分析的角度，研究了双面叠合夹心保温剪力墙抗震安全性，结果表明，双面叠合夹心保温剪力墙的抗震性能优良，可基本实现等同现浇设计的抗震性能。郑旭等9研究了夹心保温外墙板用不锈钢拉结件抗剪承载力，得到了板型不锈钢拉结件应力发展过程，认为板型不锈钢拉结件具有较大的平面内抗剪承载能力，当拉结件尺寸相同时,其抗剪承载力随墙板厚度的增加而增大。然而，针对预制混凝土外墙保温板，由于其自身构造的特点，保温板与砂浆、保温板与混凝土的黏结强度及锚固件的反向拉拔力是影响其构造连接安全性的重要指标，这一方面尚未开展系统的研究。预制混凝土外墙保温板系统中的保温板若长时间处于干湿、冷热循环、大气雨水光照、表面污染等暴露环境，会导致保温板老化，对其材料性能产生影响，进一步影响保温板与抹面砂浆的黏结力，对建筑系统的安全性造成质量隐患。因此，本文针对预制混凝土外墙保温板系统各构造层的相容性和墙板锚固件在脱模阶段、服役阶段的受力性能，开展构造层界面黏结强度和锚固件组合保温板系统的反向拉拔力性能试验，分析界面黏结强度影响因素及锚固件在承受保温板自重和负风压阶段的受力特性，为预制混凝土外墙保温板的材料选型及安全性的提升提供参考。1试验概况1.1试验材料抹面砂浆与聚合物找平砂浆均为干混砂浆，来源于上海市建研建材有限公司；保温板为硅墨烯改性聚苯板，厂家为上海圣奎塑业有限公司，构造示意图见图1；混凝土设计强度等级为C30；不锈钢锚固件由沪誉建筑（上海）科技有限公司提供，锚固件尾盘直径分别为40 mm、60 mm和80 mm，代号分别为HY-40、HY-60和HY-80，保温板与锚固件外观形貌见图2。1.2试验方法1.2.1界面拉伸黏结强度砂 浆 界 面 拉 伸 黏 结 强 度 试 验：参 照GB/T299062013模塑聚苯板薄抹灰外墙外保温系统材料进行测试，试样尺寸50 mm50 mm，试样数量6个，将界面剂涂抹于保温板上，厚度为35 mm，试件在标准养护条件下养护28 d。界面层类型及编号见表1。混凝土界面拉伸黏结强度试验：试件尺寸为500 mm500 mm255 mm（保温板厚度为55 mm，混凝土厚度为200 mm）。试件成型后在温度为（20 图1预制混凝土外墙保温板系统的构造示意图Figure 1Diagram of prefabricated concrete external wallinsulation panel system1预制混凝土；2保温板；3锚固件；4抹面层；5饰面层。（a）保温板（b）锚固件图2保温板与锚固件外观形貌Figure 2Appearance of insulation panel and anchor试件编号类型AB0B1B2抹面砂浆聚合物找平砂浆聚合物找平砂浆+保温板表面涂刷乳液界面剂聚合物找平砂浆+保温板表面涂刷粉体界面剂123452023年第7期混凝土与水泥制品总第327期62-表2界面剂对抹面砂浆与拉伸黏结强度的影响Table 2Effect of interfacial agent on tensile bond strengthbetween mortar and insulation panelMPa图4砂浆与保温板拉伸黏结强度试验后保温板破坏界面Figure 4Damaged interface of insulation panel after tensilebond strength between mortar and insulation panel5）、相对湿度大于50%的室内静置24 h后拆模，再放入温度为（202）、相对湿度为95%以上的标准养护室中养护26 d。随后在温度（232）、相对湿度60%80%的环境中，采用切割机从保温层表面进行试件切割，切割截面尺寸为100 mm100 mm，断缝切割至混凝土层，在切割后的试件表面涂上黏合剂，养护24 h。将拉拔板接头安装于拉拔仪上，拉伸速度为5 mm/min，拉伸至破坏并记录破坏时的拉力值和破坏部位。每组测试试件数量为5个，试验结果取平均值。1.2.2保温板层间抗剪强度参考GB/T 501292011砌体基本力学性能试验方法标准，将3块厚为55 mm，长为100 mm，宽为60 mm的保温板沿长度和宽度方向黏结成整体，抹面砂浆灰缝厚度为7 mm，聚合物找平砂浆灰缝厚度为20 mm。标准养护28 d后，在中间保温板垫一块尺寸为60 mm55 mm55 mm的铁块，在两侧保温板上各垫一块尺寸为60 mm55 mm55 mm的铁块，并用细砂和纸片找平，然后在压力机上加压至破坏。每组6个试件，试验结果取平均值。1.2.3保温板与混凝土截面黏结强度预制混凝土外墙保温板系统对保温板具有较高的强度要求。因此，试验采用保温板内部铺设两道钢丝网作为构造加强措施。1.2.4反向拉拔力连接件组合保温板系统的反向拉拔承载力试件及测试装置示意图见图3。将试件放置在金属托板上，然后将金属固定框放置在试件上表面，并采用螺栓固定。将不锈钢连接件锚杆夹具夹持固定连接件锚杆，并与拉伸试验机连接，拉伸速率设置为10 mm/min。当应力达到峰值后，如拉伸继续变形2 mm范围内应力没有增加，则该峰值确定为最大应力。记录最大拉伸荷载和试件破坏形态，精确至0.1 kN。2结果与讨论2.1抹面砂浆与保温板界面黏结性能界面剂对抹面砂浆与保温板拉伸黏结强度的影响测试结果见表2，试验后的保温板破坏形貌见图4。由表2可知，抹面砂浆与保温板的拉伸黏结强度为0.21 MPa，满足外墙保温系统及材料应用统一技术规定（沪建建材2021113号）规定的拉伸黏结强度0.20 MPa的指标要求。聚合物找平砂浆与保温板的7 d拉伸黏结强度较低，为0.13 MPa。由图4可知：抹面砂浆和聚合物找平砂浆与保温板拉伸后的破坏面分别在保温板内部和保温板浅表层，表明聚合物找平砂浆与保温板界面黏结力较低；采用粉体界面剂，拉伸黏结强度无明显变化，为0.15 MPa，破坏面在保温板浅表层和找平砂浆与界面剂的界面处；采用乳液界面剂后，聚合物找平1液压顶；2传感器；3连接器；4连接夹具；5夹具；6固定座；7保温板锚固件。图3连接件组合保温板系统的反向拉拔力试件及测试装置示意图Figure 3Schematic diagram of reverse pull-out bearingcapacity test spencimen and test device of combined insulationpanel with connector试件123456平均值AB0B1B20.200.150.250.170.180.180.240.090.240.130.260.180.180.120.240.110.260.110.210.170.210.110.230.190.210.130.240.15（a）A试件（b）B0试件（c）B1试件（d）B2试件1234567预制混凝土外墙保温板系统的连接性能研究陈宁，董庆广，王娟63-MPa图5聚合物砂浆与保温板抗剪强度试验现象Figure 5Shear strength test phenomena of polymer mortar andinsulation panel砂浆与保温板界面拉伸黏结强度达到了0.24 MPa，提升了85%，破坏面均在保温板内部。砂浆类型及界面剂对聚合物砂浆与保温板抗剪强度影响测试结果见表3，聚合物砂浆与保温板抗剪强度试验现象见图5。由表3、图5可知：抹面砂浆与保温板的抗剪强度为0.15 MPa，聚合物找平砂浆与保温板的抗剪强度为0.14 MPa，原因可能是抹面砂浆含有更多的聚合物胶粉等外加剂，其与保温板的黏结强度更高；采用界面剂后，保温板与聚合物找平砂浆的抗剪强度得到有效提升，均达到了0.19 MPa，相比A试件提升了36%；抗剪强度试验破坏面均在保温板内部。2.2保温板与混凝土界面黏结性能钢丝网保温板对混凝土拉伸黏结强度的影响结果见表4。保温板与混凝土拉伸黏结强度试验后的界面状态见图6。由表4和图6可知：不含钢丝网的保温板与含有双层钢丝网的保温板，两者与混凝土的拉伸黏结强度分别为0.14 MPa和0.18 MPa；从界面破坏状态和位置可知，不含钢丝网的保温板破坏面有4处在保温板内部浅表层，1处位于保温板与混凝土界面处，含钢丝网的保温板成型试件的破坏面均在保温板与混凝土界面处，因此，采用钢丝网构造加强措施有利于提高保温板与混凝土界面的黏结强度。2.3锚固件与保温板反向拉拔力根据荷载工况，测试锚固件的反向拉拔力是评估墙板系统安全性的重要指标。保温板中连接件的反向拉拔力主要与连接件材质、焊接方法、尾盘直径等因素有关，试验得到的荷载-位移曲线见图7，不同型号连接件的最大反向拉拔力见表5。由图7和表5可知：锚固件在承受拉伸应力过程中产生了变形，在变形010 mm阶段，即锚固件尾盘逐渐由保温板表面嵌入保温板内部时，应力呈线性增长，增长速率较高；随着试件拉伸变形的增大，应力呈现波动式增长，此时保温板内部构造钢丝网发挥增强作用，当钢丝网被不锈钢锚固件尾盘穿透时，应力迅速降低；HY-80和HY-60较HY-40连 接 件 相 比，反 向 拉 拔 力 分 别 提 高 了32.8%和20.0%。图8为反向拉拔力试验后锚固件的破坏形貌。由图8可知：随着尾盘直径增大，保温板和连接件破坏程度随之增大；HY-40锚固件随着拉拔力不断增大，直接将保温板穿透，保温板中双层钢丝网被拉断；HY-60和HY-80锚固件的尾盘嵌入保温板中；由于尾盘直径增大，其受力面积不断增大，可分散更多的环境应力。因此，尾盘直径越大，可承受更多的反向拉拔荷载。试件123456平均值AB0B1B20.160.140.150.150.140.140.170.170.120.140.170.170.150.190.190.120.150.110.200.270.160.120.230.230.150.140.190.19表3砂浆类型及界面剂对聚合物砂浆与保温板抗剪强度的影响Table 3Effect of mortar type and interface agent on shearstrength of polymer mortar and insulation panel（a）A（b）B0（c）B2（d）B1试样12345平均值无钢丝网含钢丝网0.170.200.120.170.110.170.160.190.130.180.140.18表4钢丝网构造措施对保温板与混凝土拉伸黏结强度的影响Table 4Effect of steel wire construction measures on tensilebond strength between insulation panel and concrete（a）无钢丝网保温板（b）含钢丝网保温板图6保温板与混凝土拉伸黏结强度试验后的界面状态Figure 6Interface state between insulation panel and concreteMPa2023年第7期混凝土与水泥制品总第327期64-图8不同尾盘直径锚固件经反向拉拔力试验后的破坏形貌Figure 8Failure morphology of different tail plate diameters anchors after reverse drawing force test图7不同尾盘直径锚固件反向拉拔荷载-位移曲线Figure 7Stress-deformation curves of different tail plate diameters anchors in reverse drawing表5不同尾盘直径锚固件最大反向拉拔力Table 5Maximum reverse pull-out force of anchors with different tail plate diameters试样123456平均值HY-40HY-60HY-802 837.93 818.53 595.23 715.03 145.43 782.53 390.73 148.34 346.93 136.73 513.04 483.92 812.84 690.23 754.02 457.53 687.34 408.63 058.43 667.14 061.93结论（1）不同界面剂对保温板界面拉伸黏结强度的影响程度不同；粉体界面剂对保温板与聚合物砂浆拉伸黏结强度无明显影响，破坏面在保温板浅表层和找平砂浆与界面剂的界面处；乳液界面剂对保温板与聚合物砂浆拉伸黏结强度影响较大，提升幅度达到了85%，建议采用乳液界面剂提高聚合物砂浆与保温板的相容性。（2）保温板采用内部铺设双层钢丝网作为构造加强措施有利于提高保温板与混凝土的界面黏结强度。（3）锚固件的尾盘直径越大，保温板系统的最大反向拉拔力越大。参考文献：1李永,赵彦彦,李沫,等.外模板现浇混凝土保温与结构一体化系统热工性能研究J.建筑节能(中英文),2022,50(12):67-71.2张路祥,张彦威,王昆伦,等.装配式建筑新型保温结构一体化技术研究J.建筑结构,2021,51(增刊):1881-1884.3 PAN P,HE Z Z,WANG H S,et al.Experimental investigationof C-shaped glass-fiber-reinforced polymer connectors forsandwich insulation wall panelsJ.Engineering Structures,2022,250:113462.4 BRANDON C,PARKER S,MARCA M.Lumped GFRP starconnector system for partial composite action in insulatedprecast concrete sandwich panelsJ.Composite Structures,2019,229:789-803.5薛伟辰,胡翔.预制混凝土框架结构体系研究进展J.同济大学学报(自然科学版),2020,48(9):15-18.6薛伟辰,胡翔.预制混凝土剪力墙结构体系研究进展J.建筑结构学报,2019,40(2):44-55.7田海,陈以一.ALC拼合墙板受剪性能试验研究和有限元分析J.建筑结构学报,2009,30(2):85-91.8丁泓,恽燕春,夏锋.双面叠合夹心保温剪力墙体系及其性能研究J.建筑结构,2022,52(6):10-17.9郑旭,郑勇,刘海成,等.夹心保温外墙板用不锈钢拉结件抗剪承载力研究J.混凝土与水泥制品,2020(12):63-67.收稿日期：2023-04-21第一作者：陈宁（1983），男，正高级工程师。E-mail：（a）HY-40（b）HY-60（c）HY-80（a）HY-40（b）HY-60（c）HY-804 0003 5003 0002 5002 0001 5001 00050000204060 80 100 120 140 160位移/mm荷载/N5 0004 0003 0002 0001 0000荷载/N0204060 80 100 120 140 160位移/mm5 0004 0003 0002 0001 0000荷载/N020406080100位移/mm2315N46123456123456预制混凝土外墙保温板系统的连接性能研究陈宁，董庆广，王娟65-