外墙外保温饰面层用塑料锚栓抗拉承载力影响因素研究

赵考重，魏方旭，刘梦璇

（1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东建大工程鉴定加固研究院，山东 济南 250013）

0 引言

建筑物的外墙外保温系统为安装在外墙外表面的非承重保温构造层的总称，由保温层、保护层和固定材料（胶粘剂、锚固件等）构成。锚栓作为外墙外保温系统的重要连接部件，其在基层墙体中的抗拉拔承载力对外墙外保温系统的连接安全性及耐久性影响较大。工程中建筑物保温层脱落现象时有发生，因此，对锚栓抗拔承载力进行研究具有十分重要意义。敲击式圆盘塑料锚栓由塑料膨胀套管和金属锚钉（钢钉）组成，构造简单。施工时先用电钻钻孔，后将塑料套管插入钻孔中，锚钉采用敲击的方式锚入，施工方便。

孙树荣[1]通过大量试验分析得到锚栓在不同基层墙体中的抗拉承载力标准值，为锚栓的施工和检验提供了帮助。张太亮和饶岩茹[2]介绍了如何确定外墙保温锚栓承载性能现场检测方法和判定依据，并就现场检测中的抽样原则提出了相应建议。杨春[3]通过案例对类似风荷载地区的外墙保温系统所受抗力和荷载效应展开论述，对外墙保温系统的安全系数随建筑高度的变化进行了验证并提出见解。梁晓辉和李娜[4]重点对目前塑料锚栓承载力现场检测过程中存在的不足和缺陷提出了一些针对性的建议和方法。杨虎[5]针对锚栓抗拉承载力评定中出现的问题，对现行标准和试验数据进行了分析，指出问题产生的原因，并提出了相应的评定建议。王学成等[6]通过对不同基层墙体、不同有效锚固深度和不同种类锚栓的试验得到了单个锚栓抗拉承载力标准值、平均值及单个值的差别，并对影响因素进行分析。

目前对外墙外保温系统用塑料锚栓的研究主要集中于锚栓的正确使用及检测，对锚栓抗拉承载力影响因素研究较少。现场拉拔试验表明，70%的常规锚栓锚固拉拔力不符合有关标准的限值要求，且离散性较大。为了提高外墙保温系统的连接安全性，本文通过大量试验分析了影响外墙外保温用敲击式塑料锚栓抗拉承载力的影响因素，研究了锚栓在加气混凝土砌块中的受力及破坏机理，可为锚栓的施工和检验提供参考。

1 试验

1.1 试件设计

针对目前加气混凝土砌块填充墙体应用较广泛的现状，本文主要研究了基层墙体材料为加气混凝土实心砌块，塑料锚栓采用敲击式圆盘锚栓，各种因素对塑料锚栓抗拉承载力的影响。试件设计时主要考虑了锚固深度、钻孔直径、施工顺序、孔洞处理方式和温度变化等因素。砌块为同批次材料，尺寸为600 mm×200 mm×250 mm，塑料锚栓均采用敲击式圆盘锚栓，圆盘直径为50 mm，膨胀套管直径为10 mm，膨胀套管总长162 mm。塑料膨胀套管和金属锚钉如图1所示。锚固深度考虑了5种（30、50、60、70、80 mm）；砌块上钻孔直径3种（8、10、12 mm）；根据调查施工顺序主要考虑先将塑料膨胀套管插入钻好的孔内然后再将钢钉打入塑料膨胀套管，或将塑料膨胀套管和钢钉一起打入砌块内；孔洞处理方式主要考虑是否加结构胶；温度因素主要考虑施工时和使用时的不同温差。本试验共设计了20组试件，每组15个锚栓。

图1 塑料膨胀套管和金属锚钉

1.2 试验测点布置

锚固点在砌块上的布置位置见图2。在同一个砌块上影响因素要考虑不同的工况，如在研究锚栓锚固深度对抗拉承载力影响时，同一砌块上布置了不同锚固深度的锚栓，以避免砌块材质差异对试验结果的影响。

图2 砌块锚固点布置示意

由于拉拔仪在操作过程中的距离要求，主面上的10个测点不能同时植入锚栓，要分成2批，第1批植入锚栓为1、2、5、6、9、10测点，第1批锚栓拔出后即可植入第2批锚栓为3、4、7、8测点，侧面5个测点可一次性植入5个锚栓。锚固后的锚栓布置如图3所示。

1.3 试验加载方案

本试验锚栓抗拉承载力采用HC-MD60高精度铆钉拉拔仪进行加载。试验过程中采用力加载模式，单向拉伸荷载施加在锚栓塑料套管上，如图4所示。加载时，拉拔仪与锚栓处于同一直线上，加载至拉拔仪显示荷载值不再变化即认为锚栓被拔出达到最大抗拉承载力。

图3 砌块实际锚栓布置

图4 试验加载装置

2 试验结果与分析

2.1 试验破坏特征

按照上述试验方案，对各组锚栓分别进行拉拔试验。锚栓的破坏有3种形式，如图5所示：

（1）锚栓整体被拉出[见图5（a）]：拉拔仪的拉力逐渐增大，当拉力达到锚栓与孔洞之间最大摩擦力时，锚栓被整体拉出，锚栓和孔洞均无明显破坏现象。

图5 锚栓破坏形式

（2）塑料锚盘破坏，金属锚钉未被拉出[见图5（b）]：随着拉拔仪的拉力增大，塑料膨胀套管逐渐被拉长，由于锚栓与孔洞之间最大摩擦力大于圆盘的极限承载力，套管与圆盘连接处被拉断，属于脆性破坏，锚钉留在套管中未被拉出。

（3）塑料膨胀套管被拉断，金属锚钉被拉出[见图5（c）]：随着拉拔仪的拉力增大，塑料膨胀套管逐渐被拉长，变形越来越明显，由于锚栓与孔洞之间最大摩擦力大于套管的极限承载力，当圆盘下方套管达到极限承载力时，发出“嘭”的一声，塑料套管被拉断，属于脆性破坏，锚钉同时被拉出。

表1 锚固深度对锚栓抗拉承载力的影响

2.2 试验结果分析

2.2.1 锚固深度对锚栓抗拉承载力的影响

本组所有锚栓施工顺序均为先植入塑料套管再敲入金属锚钉，锚固深度对锚栓抗拉承载力的影响见表1。

由表1可以看出，当锚栓材质相同，钻孔直径相同时，锚固深度越大，塑料膨胀套管与孔洞之间的有效摩擦力越大，单个锚栓的抗拉承载力越高，锚固深度每增加10 mm，锚栓的抗拉承载力约提高22.5%。当锚固深度为30 mm时，其锚固抗拉承载力很小。锚固深度大于50 mm时，抗拉承载力可达到0.3 kN以上，锚固深度达到80 mm时，抗拉承载力才能大于0.6kN。由此可见，要保证锚栓有一定抗拉承载力，必须满足一定的锚固深度。

本组试验中所有锚栓均被整体拔出，砌块孔洞基本没有被破坏，只有孔洞口有少许砌块材料被带出，未出现锥形破坏，如图6所示。

图6 锚栓及砌块破坏形式

2.2.2 钻孔直径对锚栓抗拉承载力的影响

本组所有锚栓施工顺序均为先植入塑料套管再敲入锚钉，钻孔直径对锚栓抗拉承载力的影响见表2。

由表2可以看出，当钻孔直径大于塑料锚栓直径时，与孔径和塑料锚栓相同的情况相比，无论锚固深度大小，锚栓的抗拉承载力都会大幅度降低，锚固深度不同锚栓的抗拉承载力降幅不同，其降幅为50%～70%，抗拉承载力均未超过0.2 kN。钻孔直径小于塑料锚栓直径时，其抗拉承载力大幅度提高，钻孔直径小于塑料锚栓直径2 mm时，锚栓的抗拉承载力提高130%左右。原因为钻孔直径小于套管外径时，锚栓与孔壁之间产生的膨胀挤压力增大，有效剪切摩擦力增大，因此单个锚栓的抗拉承载力提高。大部分锚栓的破坏形式为锚栓从砌块内拔出，个别锚栓塑料套管被拉断。另外要说明的是，由于砌块强度较低，钻孔直径小于塑料锚栓直径时，大部分锚栓可敲入孔内，但个别锚栓会出现塑料套管敲弯的现象，如图7所示。

表2 钻孔直径对锚栓抗拉承载力的影响

图7 锚栓变形

2.2.3 施工安装顺序对锚栓抗拉承载力的影响

常规施工安装顺序为先植入塑料套管再敲入锚钉，本组试验改变施工安装顺序，先在塑料套管中敲入钢钉，然后将塑料锚栓和钢钉一起敲入孔洞中。抗拉承载力试验结果见表3。

表3 施工安装顺序对锚栓抗拉承载力的影响

由表3可以看出，改变施工顺序对锚栓的抗拉承载力影响非常大。预先将锚钉敲入塑料膨胀套管时，套管前端已经胀开，整体敲入时出现扩孔现象，施工后锚栓与孔洞壁之间的有效摩擦长度变短，只有前端膨胀端部位有摩擦力，无膨胀挤压力作用，因此单个锚栓的抗拉承载力大幅降低，当锚固深度为60 mm，孔径与锚栓直径相同时，抗拉承载力降低了74.3%。

2.2.4 孔洞处理方式对锚栓抗拉承载力的影响

塑料锚栓在加气混凝土砌块砌体上的锚固力较小，在正常施工条件下，施工质量即使完全符合要求，当锚固深度为80 mm时，锚栓抗拉承载力才可达到0.6 kN的要求。在孔内注胶然后锚固锚栓，可提高锚栓的锚固作用，从而提高抗拉承载力。本组试验分3种情况，第1种是未进行处理，按一般施工程序进行施工；第2种是先在钻好的孔内注入结构胶，然后打入塑料锚栓和锚钉；第3种情况是在塑料锚栓表面涂覆结构胶，然后敲入钻好孔内，再将钢钉打入锚栓内，不同工况下锚栓试验结果见表4。

表4 孔洞处理方式对锚栓抗拉承载力的影响

由表4可以看出，采用第2、第3种处理方式，锚栓的抗拉承载力均得到大幅度提高，单个锚栓的抗拉承载力提高了4倍多，而且2种方式的抗拉承载力相差不大，原因是经过处理后，2种方式锚栓的破坏形式基本相同，除个别锚栓外，大部分锚栓均发生塑料锚栓或圆盘破坏，锚栓未被拔出，如图8所示。分析原因，注入结构结构胶后，锚栓的抗拔由两部分组成：锚栓与孔壁之间的摩擦力和锚栓与孔壁之间的粘结力。

图8 注胶锚栓的破坏形态

2.2.5 环境温度对锚栓抗拉承载力的影响（见表5）

表5 环境温度对锚栓抗拉承载力的影响

由表5可以看出：施工时温度为20℃，在试验环境温度温度为38℃时，锚栓抗拉承载力变化不大；但在高温环境条件下施工，当试验温度降低时锚栓的抗拉承载力将会降低，在-5℃时，抗拉承载力约降低了10%，原因是混凝土砌块与锚栓的热膨涨系数不同，温度变化会产生温度变形，锚栓与砌块之间的挤压力减小，抗拉承载力也降低。

3 结论

（1）敲击式塑料锚栓锚固深度越大，抗拉承载力越高，当基层为加气混凝土砌块，锚固深度大于50 mm时，抗拉承载力可达到0.3 kN以上，锚固深度为80 mm时，抗拉承载力方可达到0.6 kN以上。

（2）钻孔直径对锚栓抗拉承载力有较大影响，钻孔直径大于锚栓直径时，锚栓的抗拉承载力降低，钻孔直径小于锚栓直径时，锚栓的抗拉承载力大大提高，当钻孔直径大于锚栓直径2 mm时，抗拉承载力降低50%～70%，施工时应严格控制钻孔直径。

（3）施工工艺对锚栓的抗拉承载力产生较大影响，若锚栓与锚钉一起敲入孔内，锚固深度为60 mm时，抗拉承载力约降低了74%。

（4）采用在孔内注入结构胶或在塑料锚栓表面先涂覆结构胶再将锚栓插入孔内的方式施工，锚栓的抗拉承载力大幅度提高。

（5）季节性温度对锚栓的抗拉承载力也会产生一定影响，高温环境条件下施工的锚栓，处于低温环境条件时，锚栓的抗拉承载力会有所降低。