建筑屋面琉璃瓦防冰雹冲击试验

建筑屋面琉璃瓦防冰雹冲击试验一、试验背景琉璃瓦作为一种传统的建筑材料，凭借其独特的美观性和一定的耐久性，在古建筑修缮、仿古建筑以及部分现代建筑的屋面装饰中仍被广泛应用。然而，琉璃瓦的物理特性决定了其在面对极端天气时的脆弱性。冰雹作为一种常见的强对流天气现象，其大小不一，小如黄豆，大如鸡蛋甚至更大，下落时的冲击力足以对琉璃瓦屋面造成严重破坏，如瓦片碎裂、脱落等，不仅影响建筑的美观和使用功能，还可能对下方人员和财产安全构成威胁。因此，开展建筑屋面琉璃瓦防冰雹冲击试验具有重要的现实意义。通过科学的试验方法，可以评估不同类型、不同规格琉璃瓦的抗冰雹冲击性能，为建筑设计、施工选材以及琉璃瓦的生产改进提供可靠的依据，从而提高建筑屋面在冰雹天气下的安全性和耐久性。二、试验方法（一）试验样品本次试验选取了市场上常见的三种不同规格的琉璃瓦作为试验样品，分别标记为样品A、样品B和样品C。三种样品的主要参数如下表所示：样品编号规格尺寸（长×宽×厚，单位：mm）材质表面处理样品A300×200×10传统陶土琉璃瓦施釉样品B350×250×12改良型陶土琉璃瓦施釉+表面强化处理样品C400×300×15新型复合材料琉璃瓦仿琉璃釉面每种样品选取10片，确保样品的完整性和代表性，无明显的裂纹、破损等缺陷。（二）试验设备冰雹冲击试验台：该试验台主要由发射装置、控制装置和样品固定装置组成。发射装置能够模拟冰雹从不同高度、以不同速度冲击琉璃瓦；控制装置可精确设定冲击高度、冲击速度等参数；样品固定装置则用于将琉璃瓦按照实际屋面铺设方式进行固定，确保试验条件与实际使用场景尽可能一致。高速摄像机：用于记录冰雹冲击琉璃瓦瞬间的动态过程，以便后续分析冲击行为和破坏模式。压力传感器：安装在样品固定装置上，用于测量琉璃瓦在受到冲击时所承受的压力。游标卡尺、卷尺：用于测量琉璃瓦的尺寸和冲击后产生的裂纹长度等。电子秤：用于称量冰雹的质量。（三）试验参数设定根据我国不同地区冰雹天气的实际情况，结合相关标准和研究成果，本次试验设定了以下几种典型的冰雹冲击工况：工况编号模拟冰雹直径（mm）模拟冰雹质量（g）冲击高度（m）预计冲击速度（m/s）冲击角度（与屋面垂直方向夹角）工况1204.210140°（垂直冲击）工况23014.115170°（垂直冲击）工况34033.520200°（垂直冲击）工况43014.1151730°（倾斜冲击）工况54033.5202030°（倾斜冲击）注：模拟冰雹采用与天然冰雹密度相近的材料制成，如冰冻的球状水或特定配方的树脂球。（四）试验步骤样品准备：将选取的琉璃瓦样品进行清洁，去除表面的灰尘和杂质。样品安装：将清洁后的琉璃瓦样品按照实际屋面铺设方式安装在样品固定装置上，确保瓦片之间的搭接、固定方式符合规范要求。参数设置：根据设定的试验工况，在冰雹冲击试验台上设置相应的冲击高度、冲击速度等参数。冲击试验：启动试验台，发射模拟冰雹对琉璃瓦样品进行冲击。每种工况下，对每种样品的5片进行冲击试验。数据记录与观察：在试验过程中，通过高速摄像机记录冲击过程，通过压力传感器记录冲击压力。试验结束后，仔细观察琉璃瓦样品的破坏情况，包括是否出现裂纹、裂纹的数量、长度、分布情况，是否有碎片脱落，以及表面釉层的损坏情况等，并使用游标卡尺等工具进行测量和记录。重复试验：对同一样品的剩余5片，按照上述步骤进行重复试验，以验证试验结果的可靠性。三、试验过程（一）样品安装与调试试验人员首先将三种琉璃瓦样品分别安装在样品固定装置上，仔细检查瓦片的固定是否牢固，搭接是否紧密，确保与实际屋面铺设状态一致。随后，对冰雹冲击试验台进行调试，检查发射装置、控制装置等是否正常工作，设定好初始的试验参数。（二）模拟冰雹的制备根据试验工况要求，制备不同直径的模拟冰雹。对于冰冻球状水冰雹，将水注入特定模具中，在低温环境下冷冻成型；对于树脂球冰雹，则直接选用符合尺寸要求的成品。制备完成后，使用电子秤称量其质量，确保符合试验参数设定。（三）冲击试验实施工况1试验：将模拟冰雹直径设置为20mm，冲击高度设置为10m。依次对样品A、样品B和样品C进行冲击试验。试验过程中，高速摄像机清晰记录了冰雹接触琉璃瓦表面、发生形变直至反弹或破碎的全过程。压力传感器显示，样品A在受到冲击时的瞬时压力约为1500N，样品B约为1800N，样品C约为2000N。冲击结束后，观察发现样品A表面釉层出现轻微划痕，无明显裂纹；样品B和样品C表面基本完好，无明显损伤。工况2试验：将模拟冰雹直径增大至30mm，冲击高度提升至15m。在对样品A进行冲击时，当冰雹接触瓦片表面瞬间，瓦片表面出现明显的白色冲击痕迹，随后在瓦片的中心区域产生一条长度约为50mm的径向裂纹。样品B在受到冲击时，表面釉层出现局部剥落，形成一个直径约10mm的凹坑，但未出现贯穿性裂纹。样品C表现出较好的抗冲击性能，仅在冲击点处有轻微的凹陷，无裂纹产生。工况3试验：模拟冰雹直径进一步增大至40mm，冲击高度达到20m。此工况下，样品A在受到冲击后，瞬间发生破碎，产生多块大小不一的碎片，无法继续使用。样品B在冲击后，表面出现多条长短不一的裂纹，部分裂纹相互连接，形成网状结构，瓦片的完整性受到严重破坏。样品C在冲击后，表面出现一个较为明显的凹坑，凹坑周围伴有少量细微裂纹，但未发生破碎，仍保持整体结构的完整性。工况4试验：该工况模拟冰雹以30°倾斜角冲击琉璃瓦。模拟冰雹直径为30mm，冲击高度为15m。样品A在倾斜冲击下，除了在冲击点附近产生裂纹外，还容易在瓦片的边缘和搭接处产生应力集中，导致边缘出现破损。样品B在倾斜冲击下，表面的强化层起到了一定的缓冲作用，裂纹的产生和扩展相对缓慢，但仍出现了明显的裂纹。样品C在倾斜冲击下，表现出良好的抗剪切性能，仅在冲击点处有局部的变形和少量细微裂纹。工况5试验：模拟冰雹直径为40mm，冲击高度为20m，冲击角度为30°。这是本次试验中最为严酷的工况。样品A和样品B在该工况下均发生了严重的破碎，失去使用功能。样品C在受到冲击后，虽然表面凹坑较深，周围的细微裂纹也有所增多，但整体结构仍然保持完整，未发生破碎。（四）试验数据收集与整理试验结束后，试验人员对高速摄像机记录的影像资料进行了分析，结合压力传感器的数据和现场观察记录，对每种样品在不同工况下的破坏情况进行了详细的描述和分类，并测量了裂纹长度、凹坑深度等具体参数。同时，对试验过程中出现的异常情况进行了记录和分析。四、试验结果分析（一）不同样品的抗冲击性能对比通过对试验数据的整理和分析，可以得出三种琉璃瓦样品在不同工况下的抗冰雹冲击性能如下表所示：样品编号工况1工况2工况3工况4工况5综合评价样品A轻微划痕出现明显裂纹严重破碎裂纹+边缘破损严重破碎较差，仅能承受较小冰雹的冲击样品B基本完好表面剥落+凹坑多条裂纹明显裂纹严重破碎中等，能承受中等大小冰雹的冲击，但在大冰雹冲击下易损坏样品C基本完好轻微凹陷凹坑+少量细微裂纹局部变形+少量细微裂纹凹坑+较多细微裂纹较好，能承受较大冰雹的冲击，在严酷工况下仍保持整体完整性从表中可以看出，样品C（新型复合材料琉璃瓦）的整体抗冰雹冲击性能明显优于样品A和样品B。这主要得益于其采用的新型复合材料具有更高的强度、韧性和抗冲击性能，能够更好地吸收和分散冰雹冲击产生的能量。样品B由于经过了表面强化处理，其抗冲击性能较样品A有一定的提升，但在面对较大冰雹冲击时，仍然难以承受。样品A作为传统的陶土琉璃瓦，其脆性较大，抗冲击性能较差，在较大冰雹冲击下容易发生破碎。（二）不同工况对试验结果的影响冰雹大小的影响：冰雹的大小是影响琉璃瓦抗冲击性能的关键因素。随着冰雹直径的增大，其质量和下落时的动能也随之增大，对琉璃瓦的冲击力显著增强。试验结果表明，当冰雹直径超过30mm时，传统的陶土琉璃瓦（样品A）就容易发生裂纹甚至破碎；而当冰雹直径达到40mm时，即使是经过改良的陶土琉璃瓦（样品B）也难以承受。冲击速度的影响：冲击速度的大小直接决定了冰雹冲击时的动能。冲击速度越大，琉璃瓦受到的冲击力就越大，破坏程度也就越严重。试验中，通过调整冲击高度来改变冲击速度，结果显示，冲击高度的增加（即冲击速度的增大）会显著加剧琉璃瓦的破坏。冲击角度的影响：冲击角度对琉璃瓦的破坏模式和破坏程度也有一定的影响。垂直冲击时，琉璃瓦主要承受正压力，容易在冲击点处产生径向裂纹；而倾斜冲击时，琉璃瓦不仅承受正压力，还承受剪切力，更容易在边缘、搭接处等应力集中部位产生破损和裂纹扩展。样品固定方式的影响：样品的固定方式模拟了实际屋面的铺设情况，瓦片之间的搭接和支撑条件会影响其受力状态。在试验中发现，瓦片的边缘和搭接处由于应力集中，更容易在冲击时产生裂纹和破损。（三）破坏模式分析通过高速摄像机的影像分析和现场观察，琉璃瓦在受到冰雹冲击时主要表现出以下几种破坏模式：表面釉层破损：这是较为轻微的破坏模式，主要表现为釉层的划痕、剥落或局部脱落。这种破坏虽然不会立即影响琉璃瓦的结构完整性，但会降低其防水性能和美观性，长期暴露在外界环境中容易导致进一步的损坏。裂纹产生与扩展：这是最常见的破坏模式。当冰雹冲击力超过琉璃瓦的强度极限时，会在冲击点处产生初始裂纹，随后裂纹会沿着琉璃瓦的薄弱部位（如内部的微裂纹、材质的晶界等）进行扩展。根据裂纹的形态和分布，可分为径向裂纹、环向裂纹和网状裂纹等。破碎：这是最为严重的破坏模式。当冰雹冲击力非常大时，琉璃瓦会发生整体性的破碎，产生大量的碎片。这种破坏会导致屋面防水功能的完全丧失，必须进行更换。（四）试验结果的工程应用价值本次试验结果为建筑屋面琉璃瓦的选材和设计提供了重要的参考依据。选材建议：在冰雹多发地区，建议优先选用抗冲击性能较好的新型复合材料琉璃瓦（如样品C），以提高屋面的安全性和耐久性。对于冰雹发生频率较低或冰雹较小的地区，可以根据实际情况选用改良型陶土琉璃瓦（如样品B）。传统的陶土琉璃瓦（如样品A）由于抗冲击性能较差，应谨慎选用，或在使用时采取必要的防护措施。设计建议：在进行屋面设计时，应充分考虑当地的气候条件，特别是冰雹天气的影响。对于重要的建筑物或位于冰雹多发区域的建筑物，应适当提高屋面琉璃瓦的抗冲击性能要求。同时，在屋面施工过程中，应确保琉璃瓦的铺设质量，保证瓦片之间的搭接紧密、固定牢固，以减少因施工不当导致的抗冲击性能下降。产品改进方向：试验结果也为琉璃瓦的生产企业提供了产品改进的方向。对于传统陶土琉璃瓦