岩棉板在超高层建筑中的应用

岩棉板在超高层建筑中的应用

近年来，南京中轴线国际广场、哈尔滨360双子兴大厦、济南亚运中心、北京新闻广播中心、上海胶州教师别墅、沈阳王朝万鑫大厦相继发生建筑外材料火灾，造成严重的人员破坏和财产损失。建筑的快速建成和可持续的外部材料已经成为一个新的火灾隐患，由此引发的火灾呈现出总体趋势。为深刻吸取火灾事故教训,公安部于2011年3月14日下文,自2011年3月15日起,民用建筑外保温材料采用燃烧性能为A级的材料。由此岩棉板作为无机不燃材料,具有导热系数小,保温性能高,透气性好等优点在全国各地外墙外保温工程中普遍使用。岩棉板作为外墙保温材料在欧洲20世纪70年代末、80年代初就已经被采用。在国外岩棉被称为“第五常规能源”,尤其是欧洲的建筑市场中大量使用岩棉制品,北欧人均消耗量在20kg以上,美国人均消耗量为5~10kg,前苏联人均消耗量也在5kg以上。但岩棉板也有自身的一些缺点,如:密度大,层状结构易变形翘曲,切块时易产生粉尘等,使得人们在使用中非常谨慎。同时,我国人多地少,民用建筑大多为中高层建筑,对外保温的耐久性与抗灾性能要求亦更高。岩棉板虽然在这两方面都具有突出优势,但岩棉板薄抹灰系统在我国还没有相关标准,其粘结性能、抗裂性能、防坠落措施等可借鉴的经验很少,尤其岩棉板薄抹灰系统在超高层建筑中使用还未见报道。岩棉板与其他保温材料在导热系数、防火性能、保温性能、保温系统与施工工艺特点等方面的比较如表1所示。从表1可知,岩棉板具有优良的保温、不燃等优异性能,已越来越受到建筑外墙外保温的关注。本文结合安徽省合肥市万达广场超高层建筑应用岩棉板薄抹灰系统的成功实例,分析和解决其抗风压、抗剪切、防坠落等措施,为类似工程提供借鉴。1外墙外保温设计根据合肥万达商业广场位于合肥市芜湖路与巢湖路交口,建筑地上47层,地下2层,其中地上1、2层为小型商业网点;建筑总高度150m,建筑工程等级一级,抗震设防烈度7度,设计使用年限50年。填充墙采用加气混凝土砌块,其他均为剪力墙,1~5层为干挂石材幕墙,其余为涂料饰面。外墙外保温设计为岩棉板薄抹灰系统,岩棉板厚度为40mm,导热系数不大于0.044W/(m·K),燃烧性能A级,干密度为180kg/m3,耐碱网格布为加强型,单位面积质量为300g/m2,单个锚钉的拉拔承载力不小于0.60kN,岩棉板外墙饰面为涂料。岩棉板外墙外保温系统构造示意见图1。2锚栓量的确定本工程建筑高度达到150m,风荷载作用非常大,如何确保在负风压作用下保温系统不会受拉脱落,在侧向风和自重作用下不会受剪切而破坏是保温系统的技术难点。本文先对保温系统所承受的风荷载进行理论计算,由此验算保温系统的粘结性能,确定不同高度所需的锚栓数量。根据材料特点和施工工艺确定锚栓位置,从系统的整体受力进行整体竖向抗剪验算,并采取不锈钢托架的有效构造措施,以保证外保温系统抗变形能力和安全性。2.1锚栓的数量确定对岩棉板所承受的风压大小进行理论计算,由此确定不同部位的锚栓数量;然后,考虑锚栓不参加工作、岩棉板吸水和考虑锚栓的作用这三种情况进行系统地抗风压和竖向抗剪验算。2.1.1锚栓抗拉力验算1)垂直于建筑物表面的风荷载标准值见式(1):式中:ωk为风荷载标准值,kN/m2;βz为高度Z处的风振系数;μs为风荷载体型系数;μz为风压高度变化系数;ω0为基本风压,kN/m2。本工程,地面粗糙度取C类,即指有密集建筑群的城市市区;离地面高度按50,100,150m三种高度计算;基本风压按100年一遇计算,对于合肥地区基本风压取0.40kN/m2。a.风压系数选取。依据GB50009—2001《建筑结构荷载规范》和本工程的特点、周边环境等选取风压系数,选取值如表2所示。b.风压值计算。安全系数取1.5,风压值等于安全系数乘以风荷载标准值,风压值计算结果见表3。2)单块岩棉板风压最大值。岩棉板按1.2m×0.6m板计算,每块板受风压最大值见表4。3)不考虑岩棉板与墙面粘结作用情况下的抗风压。根据本工程专家论证意见以及实验室试验,锚栓与混凝土基层和加气混凝土基层的抗拉承载力均不小于0.6kN,按每个锚栓抗拉力0.6kN计算。考虑岩棉板与墙面连接全部由锚栓作用,不考虑岩棉板与墙面的粘结,则单块板在不同基层下抗风压所需锚栓数量见表5。为了确保锚栓抗拉力达到0.6kN,由试验知,锚栓有效锚固深度对加气混凝土基层不小于50mm,对混凝土基层有效锚固深度不小于25mm即可。本工程统一采用长10cm的锚栓,扣除岩棉板和粘结层厚度,有效锚固深度完全能达到要求,尤其对于混凝土基层有效锚固深度也不小于50mm,则对于混凝土基层锚栓抗拉力远超过要求值。4)不考虑锚栓作用的抗风压。岩棉板通过粘结砂浆与墙面连接。本工程采用条粘法,每块板按60%粘结面积,粘结砂浆与墙面(水泥砂浆基层)之间的粘结力不小于0.4MPa;岩棉板与粘结砂浆之间的粘结力不小于10kPa;则粘结砂浆与墙面(水泥砂浆基层)之间单块板至少能承担的风荷载为1.2m×0.6m×0.4×60%×103=172.8kN≥2.72kN(最大负风压)。岩棉板与粘结砂浆之间单块板至少能承担的风荷载为1.2m×0.6m×10×60%=4.32kN≥2.72kN。因此,岩棉板与墙面连接,在不考虑锚栓作用的情况下,能够满足本地区抗风压要求。2.1.2锚栓抗剪强度本工程岩棉板密度180kg/m3,板厚4cm,岩棉板吸水率不大于500g/m2,锚栓抗剪安全系数取1.5,单块板吸水后质量为0.05544kN。由锚栓抗剪强度试验知,单个锚栓的抗剪切力不小于2.4kN,取0.75的折减系数,为1.8kN;按每块板最少2个锚栓计算,且不考虑板本身抗剪,则(2×1.8)/1.5=2.4kN>0.05544kN,满足抗剪要求。同时本系统每2层设置水平不锈钢托架也更进一步保证了岩棉板与墙面竖向抗剪的要求。2.2岩棉板外温温系统的困难和解决措施2.2.1网内、网外双层锚栓复合单层网格布的结构形式本工程除每块板按条不少于60%粘贴面积外,主要还采用了锚栓的合理布置和设置不锈钢水平托架,以防止保温系统坠落。1)锚栓数量与布置方式。考虑岩棉板的层状结构以及防止粘贴时板脱落,在岩棉板粘贴后安装锚固件,网格布铺贴后,在板面和板与板的交界处安装锚固件,形成网内、网外双层锚栓复合单层网格布的结构形式,板面50m以下网内、网外各1个,50~100m网内2个、网外1个,100m以上网内、网外各2个,阳台部位、门窗洞口及阴阳角部位加密锚栓,锚栓布置如图2所示。2)不锈钢托架设置。本工程由于建筑高度较高,且采用的外保温材料为厚40mm岩棉板(干密度为180kg/m3),虽然在锚栓单独作用下能满足岩棉板的竖向抗剪要求,但为确保外墙保温系统的质量和安全,本工程在实际施工中在粘贴岩棉板前,在100m以上每1层设置一道不锈钢托架,100m(30层)以下每2层设置一道不锈钢托架,托架规格为L35×35×1500,设在楼层标高-120mm混凝土梁处,采用锚栓固定。每根托架不少于3个锚栓,锚固有效深度不小于50mm,弹水平线使托架按水平方向布置。托架安装示意见图3。2.2.2下口、下口压力1)设置变形缝。为防止保温系统由于岩棉板的自身收缩和温度变形而开裂,本工程利用不锈钢托架作为自然的变形缝,具体措施是在已安装托架下口20mm处弹水平控制线,在托架上、下位置预埋翻包网格布后粘贴岩棉板,完成翻包网格布后填入聚乙烯条并用耐候性密封胶封缝。这样托架既能起到防坠落作用,也能起到调节变形的作用。2)满铺加强型耐碱玻纤网格布。为防止抗裂层开裂,本工程采用不小于300g/㎡的加强型耐碱玻纤网格布,其经向、纬向断裂强力(N/50mm)不小于2000N/50mm,抗裂层外为柔性耐水腻子和弹性涂料。2.2.3外保温系统阳角处理由于岩棉板是层状结构,在建筑外墙阳角处会因为外形突变而产生应力集中,表现为阳角翘曲。一方面阳角做不顺直,另一方面阳角也易开裂,造成质量和安全隐患,故外保温系统在阳角处必须进行特殊处理。在阳角部位采用25mm×30mm×2000mmPVC护角进行加强处理。阳角处理及PVC护角示意见图4、图5。3岩棉板薄抹灰外墙外保温系统性能检测保温系统在验收时委托安徽省建筑工程质量第二监督检测站对工程实体进行力学性能检测。经过对系统抗冲击性、岩棉板薄抹灰外墙保温系统抗拉强度和单个锚栓抗拉承载力这3个性能指标的严格检测表明,本工程所使用的托架式岩棉板薄抹灰外墙外保温系统具有良好的力学性能,能很好地满足设计要求和使用需要。工程实体检测情况见表6。经过各方验收,认为观感良好,未发现开裂和渗漏现象。通过近1年的使用,也未发生大的质量问题,效果良好。4外保温工程中的启示目前,国内保温行业对于岩棉板外保温系统的认识、应用尚处在初级阶段,国内也没有关于岩棉板类的外墙外保温系统的统一标准,故对于此类的无机不燃性外墙外保温材料在外保温工程,尤其是高层、