引言
近年来随着国家节能减排战略的实施及人民居住质量要求的提高，被动式低能耗建筑在我国得到了迅猛的发展。而岩棉以其良好的耐火性能也逐渐成为被动式低能耗建筑的主要保温材料。但目前岩棉保温系统在被动式低能耗建筑中的应用尚不成熟，相关研究也不完善，导致现阶段被动式低能耗建筑的岩棉保温系统施工做法众多，且部分施工做法存在安全隐患。本文就我国寒冷地区岩棉保温系统的常规做法进行了受力分析与试验研究。并对安全隐患部位提出了相应的安全和质量控制措施。
岩棉保温系统的构造
按照设计需求，寒冷地区被动式超低能耗建筑的岩棉层厚度约250mm~300mm。国内研究表明岩棉条或复合岩棉条应采用粘锚结合的方式进行固定，该岩棉系统的构造见表1。
表1 外保温岩棉系统构造
受力模型的建立与受力分析
通常情况下岩棉保温系统所承受的主要荷载为岩棉系统的自重和水平风荷载。其受力简图如图1所示。
图1 岩棉保温系统的受力简图
在上述两种荷载作用下，岩棉保温系统的安全隐患主要存在于以下三个部位：
（1）岩棉保温层与粘结砂浆之间的粘结界面；
（2）岩棉保温层自身；
（3）岩棉保温层与外侧抗裂砂浆之间的粘结界面。
1.岩棉保温层与粘结砂浆之间的粘结界面
该界面在重力荷载作用下的弯曲正应力分布为上部受拉下部受压的三角形分布，在施工过程中该界面的粘结率无法保证为100%，按粘结率为80%且粘结部位仅为中间区域的最不利情况考虑，则该界面的弯曲正应力和剪切应力分布分别如图2（a）、图2（b）所示。该界面在风荷载作用下的正应力分布如图3所示。岩棉的密度为125kg/m3~130kg/m3，厚度为300mm，抗裂砂浆层密度为1800kg/m3，厚度为8mm，岩棉系统单元的尺寸为600mm×375mm×300mm（宽×高×厚），粘结率为80%。
图2 岩棉保温层与粘结砂浆粘结界面在重力荷载作用下的应力分布
图3 岩棉保温层与粘结砂浆粘结界面在风荷载作用下的应力分布
表2 风荷载计算参数取值
2.岩棉保温层自身
岩棉保温层的薄弱部位存在于与粘结层的粘结部位，由上述分析可知，该部位的岩棉保温层自身抗拉强度不应低于粘结层与岩棉保温层粘结界面的粘结强度需求77.27kPa。
3.岩棉保温层与外侧抗裂砂浆层的粘结界面
该粘结界面主要承受由抗裂砂浆自重产生的剪切应力及风荷载所引起的拉伸应力。该部位的粘结率近似为100%，则其应力分布图如图4所示。
图4 岩棉保温层与抗裂砂浆粘结界面应力分布
安全隐患部位的安全性分析
国内现行标准中对于各界面粘结强度及材料的自身抗拉强度的要求见表3。
表3 国内现行标准对各界面和材料自身强度性能指标的规定
表3 表明岩棉保温层与粘结砂浆的粘结强度、岩棉条（带）自身的抗拉强度在标准允许范围内的最小值均为80kPa＞77.27kPa；岩棉条（带）与抗裂砂浆的粘结强度在标准允许范围内的最小值为80kPa＞42.1kPa，说明上述三个安全隐患部位的安全性满足要求。而岩棉板自身抗拉强度较低，不宜用于该保温系统。
1.岩棉保温系统重力荷载作用下的变形及刚度
考虑岩棉变形可能性，甚至自上而下呈现叠加效应，或当某块岩棉上部一块、两块甚至多块由于某些原因将重力荷载全部施加于该块岩棉时，岩棉保温层可能产生较大的变形，本文选择该系统三种做法进行了竖向加载试验。试样情况见表4。
表4 试样情况
试样尺寸为600mm×375mm×300mm（宽×高×厚），试验所考虑的极限荷载为该尺寸样块所承受的一个层高（3m）范围内的岩棉系统自重，大约70kg，试验采用每级增加10kg的逐级加载方式进行加载，该试验加载情况如图5所示。
图5 岩棉抗自重荷载压力变形试验
三种施工做法对应的试验数据结果分别见表5、表6、表7。其力位移数据拟合曲线分别如图6、图7、图8所示。将三组试验数据的力位移拟合曲线绘制于同一张图中，如图9所示。
表5 裸条无锚固钉变形试验数据（mm）
注：由于五组数据中有一组数据偏差较大，因此取其中四组进行分析。
图6 裸条无锚固钉力位移拟合曲线
表6 裸条双网加锚固钉变形试验数据（mm）
注：由于五组数据中有一组数据偏差较大，因此取其中四组进行分析。
图7 裸条双网加锚固钉力位移拟合曲线
表7 复合条加网加锚固钉变形试验数据（mm）
图8 复合条加网加锚固钉力位移拟合曲线
图9 试验数据拟合曲线图
表8 岩棉保温系统抵抗竖向变形的等效刚度
图9中各数据拟合曲线的斜率即为岩棉保温系统在该尺寸（600mm×375mm）下抵抗竖向荷载作用变形的刚度K，将刚度转换至单位面积上的等效刚度Ke，见表8。
图9和表8表明在极限荷载70kg（一个层高范围的上部岩棉块全部粘结失效，其全部重量作用于下部岩棉块）作用下，三种施工做法对应的下部岩棉块均不会发生破坏，且其变形量均较小。此外在相同的情况下，三种施工做法对应抵抗竖向变形的能力由大到小依次为复合条加网加锚固钉、裸条加网加锚固钉、裸条无锚固钉。
安全控制措施
（1）粘贴岩棉条（带）应采取满粘的施工措施。
（2）岩棉保温层与粘结砂浆的粘结强度、岩棉保温层自身抗拉强度、岩棉保温层与抗裂砂浆的抗拉强度均应满足现行国家标准的要求，即不低于80kPa。
（3）横丝岩棉板自身抗拉强度低不适宜作为保温层的主要材料，所以岩棉保温层的主要材料应为岩棉条（带）。
（4）对于抵抗竖向重力荷载的变形及刚度方面建议选择复合板加网加锚固钉的做法。
结论
（1）本文通过力学理论分析了被动式低能耗建筑岩棉保温系统样块在自重荷载和风荷载作用下的内部应力分布。对安全隐患部位的应力分析结果按照现行国家标准进行了安全性分析，分析结果表明按照现行国家标准进行设计和施工的以岩棉条为保温材料的保温系统的安全性能满足要求。
（2）横丝岩棉板自身抗拉强度较低，不宜作为被动式低能耗建筑岩棉保温系统的保温材料。
（3）试验结果表明岩棉保温系统在竖向极限荷载作用下，三种施工做法对应的岩棉块均不会发生破坏，且其变形量均较小。抵抗竖向变形的刚度大小顺序为：复合条加网加锚固钉＞裸条加网加锚固钉＞裸条无锚固钉。因此建议采用复合条加网加锚固钉的施工做法。
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