外墙保温体系面层裂缝产生原因及其控制技术文档格式.docx
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2裂缝的基本概念
裂缝是固体材料中的某种不连续现象,在学术上属于结构材料强度理论范畴。
通常把裂缝分为微观裂缝和宏观裂缝。
肉眼可见的裂缝范围一般以0.05mm为界,小于0.05mm的裂缝称为微观裂缝,大于等于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝,宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。
由于外保温体系是非承重复合墙面,其墙面裂缝的危害不至于影响结构安全而主要是对住户的审美和心理的影响以及由于裂缝存在有可能对保温体系造成的破坏(如水的渗透、冻融破坏等)。
从水的渗透看,水分子的直径约(0.3×
10-6mm)可穿过任何肉眼可见的裂缝,所以从理论上讲是不允许有裂缝的。
由于裂缝具有发展性,因此对裂缝的判定和分级应包含时间、裂缝宽度和长度、以及面积发生率。
拟定的外墙外保温面层有害裂缝和无害裂缝的评级标准见表1。
外墙外保温面层有害裂缝与无害裂缝评级标准表
等级
检验时间(月)
裂缝长度(含分格缝中发生的裂缝)(mm)
宽度(mm)
面积发生率
空鼓状况(处/40m2)
经一冬一夏保温墙面评定标准(升一级)
局部(条/40m2)
占总面积(%)
1优
3
0~19
不可见
---
优
2良
20~49
0.05~0.09
<
=5
=
1
〉
3中
50~99
0.1~0.19
2
良
>
中
4差
100~199
0.2~0.49
差
5劣
=200
=0.5
5
4
①本分级标准适用于内、外保温面层发生的裂缝等级评定。
②判定裂缝宽度应用带刻度的十倍放大镜观察,一般肉眼可见的裂缝缝宽约为0.03~0.05mm。
判定裂缝长度:
每条肉眼可观察的裂缝不论宽窄应按宽缝延续计算。
③裂缝宽度经一冬一夏后稳定后再评定。
④每处空鼓应不大于0.20mm×
0.20mm。
⑤外墙裂缝评估等级参照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)的规定提出。
⑥等级4、5应视为不合格。
3外墙保温体系面层裂缝产生的原因分析
3.1构造设计
由于外墙保温技术在我国还是一个新兴技术,保温市场良莠不齐,系统构造形式五花八门,各类保温墙面裂缝质量问题不断出现。
依靠市场本身优胜劣汰的淘汰机制发挥作用还需要相当长的使用和认识过程,而这必将造成更大的损失。
本课题从保温体系结构设计、节点设计上进行了调研、总结、分析、试验研究及验证,指出了一些设计方面引起裂缝的原因。
3.1.1外墙内保温构造设计存在的缺陷
内保温是将保温体系置于外墙内侧从而使内、外墙体分处于两个温度场,建筑物结构受热应力的影响而始终处于不稳定的状态,使结构寿命缩短。
在相同气候条件下做内保温不仅比做外保温、甚至比不做保温时,外墙与内部结构墙体的温差更大,受外界各种作用力的影响更直接。
外墙更易遭受温差应力的破坏。
在冬季采暖、夏季制冷的建筑中,室内温度随昼夜和季节的变化幅度通常不大(约为10℃左右),这种温度变化引起建筑物内墙和楼板的线性变形和体积变化也不大。
但是,外墙和屋面受室外温度和太阳辐射热的作用而引起的温度变化幅度较大(昼夜温差可达20~40℃,年温差可达80~100℃)。
当室外温度低于室内温度时,外墙收缩的幅度比内保温体系的速度快,当室外气温高于室内气温时,外墙膨胀的速度高于内保温体系,这种反复形变使内保温体系始终处于一种不稳定的墙体基础上。
根据资料和实测证明,6m开间的混凝土墙面在年温差80℃的变化条件下约发生4.8mm的形变。
这样的形变外墙保温体系面层裂缝产生原因及其控制技术应力反复作用不仅使外墙易遭受温差应力的破坏,也易造成内保温体系的空鼓开裂。
内保温的另一个明显的缺陷是:
结构冷(热)桥的存在使局部温差过大导致产生结露现象,而结露水的浸渍或冻融极易造成保温墙面发霉、开裂。
2002年1月采用红外热像检测技术对北京某内保温住宅进行实际测试,外墙与楼板交接处内表面温度仅仅4.0℃,与主体墙内表面温差达10℃以上,与室内空气温度差15,1℃。
从而造成结露。
目前许多住户在住进新房时,大多先进行装修。
在装修时、安装家具时房屋内保温层往往遭到破坏,破坏后自身不易修复。
正因为内保温固有的缺陷使内保温墙体出现裂缝成为普遍现象,而内保温裂缝时时刻刻处于住户的视野中,对住户的审美和心理也会产生长期和强烈的影响,成为投诉焦点。
因此,从构造设计上看,内保温使外墙、屋面和内墙处于不同的温度场,建筑体系始终处于不稳定的状态,建筑物的寿命因此而缩短,所以内保温具有自身先天的缺陷。
3.1.2外墙外保温构造设计存在的不足
外保温是将保温体系置于外墙外侧从而使主体结构所受温差作用大幅度下降,温度变形减小,对结构墙体起到保护作用并可有效阻断冷(热)桥,有利于结构寿命的延长。
因此从有利于结构稳定性方面来说,外保温具有明显的优势,在可选择的情况下应首选外保温。
但由于外保温体系被置于外墙外侧,直接承受来自自然界的各种因素影响,因此对外墙外保温体系提出了更高的要求。
就太阳辐射及环境温度变化对其影响来说,置于保温层之上的抗裂防护层只有3~20mm,且保温材料具有较大的热阻,因此在得热量相同的情况下,外保温抗裂防护层温度变化速度比无保温情况下主体外墙温度变化速度提高8~30倍。
因此,抗裂防护层的柔韧性和耐候性对外保温体系的抗裂性能起着关键的作用。
在外保温构造设计应充分考虑热应力、水、风、火及地震力的影响。
3.1.2.1聚苯板薄抹灰外保温构造设计存在的不足
这类外保温通常采用粘贴的方式(也有加锚栓辅助锚固的)固定在墙体的外侧,然后在保温板上抹抹面砂浆并将增强网铺压在抹面砂浆中。
目前,国内做聚苯板薄抹灰外保温工程的厂家有上千家,除了少部分企业的保温工程外,相当数量的工程在3个月时即出现了超过4级的裂缝。
而经过一年(一冬一夏)很多板缝处的裂缝超过1mm,该类体系从构造设计上分析有以下原因:
(1)从保温材料的因素来讲,膨胀聚苯板在自然环境中的自身收缩变形时间长达60天,试验证明在自然环境条伺:
下42天或60℃蒸气养护条件下5天的自身收缩变形已完成99%以上,因此要求膨胀聚苯板在自然环境条件下42天或60℃蒸气养护条件下5天后再上墙。
但在实际情况中很少有达到以上要求的。
一是膨胀聚苯板长时间的养护需要占用大量的场地。
二是生产企业由于资金占用、成本控制等因素通常是以销定产,有了定单后才生产,因此大量工程是膨胀聚苯板自然养护不到一个星期就已上了墙。
结果造成膨胀聚苯板上墙后继续收缩,而这种收缩应力均集中在板缝处,对粘附在膨胀聚苯板上的防护层产生拉应力而造成面层开裂。
另外膨胀聚苯板在昼夜及季节变化发生热胀冷缩、湿胀干缩时也会在板缝处集中产生变形应力,因此该类体系板缝处裂缝是比较常见的现象。
挤塑聚苯板比膨胀聚苯板密度大、强度高,由于自身变形及温差变形而产生的变形应力也大,与膨胀聚苯板相比更易造成板缝处开裂。
该体系通常采用纯点粘或框点粘,采用纯点粘时,该体系存在整体贯通的空腔。
即便是筐粘时由于必须留有排气孔,每块板的空腔通过排气孔及板缝仍是贯通的,当建筑物垂直度偏差通过粘结点粘结砂浆厚度来调整时,特别是墙体偏差较大时,空腔的大小是不确定的。
由于该体系存在整体贯通的空腔,正负风压对保温墙面进行挤或拉,而这些力的释放点均为板缝处,也易造成板缝处开裂。
极端情况下负风压甚至会将保温板掀掉。
(2)从抗裂防护层受热应力的因素上看,该体系聚苯板保温层外仅是3mm的抗裂砂浆复合网格布,膨胀聚苯板的导热系数为0.042W/(m·
K),而抗裂砂浆的导热系数为0.93W/(m·
K),两材料的导热系数相差22倍。
由于聚苯板保温层热阻很大从而使防护层的热量不易通过传导扩散,因此当受太阳直射时热量积聚在抗裂砂浆层,其表面温度将高达50~70℃,部分地区甚至可达80℃,遇突然降雨降温则温度会降至15℃左右,温差可达35-65℃,这样的温差变化以及受昼夜和季节室外气温的影响,对抹面砂浆的柔韧性和网格布的耐久性提出了相当高的要求。
另外一个应考虑的因素是当聚苯板的温度超过70℃时,聚苯板会产生不可逆热收缩变形造成较为严重的开裂变形,这种情况在高温干燥地区更为明显。
3.1.2.2现浇无网聚苯板外保温构造设计存在的不足
这类外保温体系通常采用聚苯板作为主体保温材料,放置于大模内侧通过与现浇混凝土整体一次浇筑的方式固定在基层墙体上。
其优点是实行复合浇筑材料一次成型,施工速度快。
但该类做法存在以下问题:
第一个采用该种做法的北京某设计院工程是将没有处理的聚苯板置于大模内侧与混凝土整体一次浇筑成型,体现了快速施工的优势。
但工程应用中发现存在以下不足:
(1)聚苯板与混凝土基墙结合力不够。
由于EPS板是一种有机绝热材料,与混凝土粘结强度不够,通过拉拔试验发现,粘结强度达不到0.1MPa,拉拔破坏部位是聚苯板与混凝土之间的界面。
(2)平整度和垂直度较难控制
由于现浇混凝土时是分层施工,现浇时混凝土下部的侧压力比上部大,因此每层聚苯板的下部受到的挤压力及压缩变形就比上部大,拆卸外侧模板后,聚苯板回弹时下部回弹比上部大,因此在各层聚苯板相接处均会出现上层聚苯板高出下层聚苯板的台阶,造成表面不整度差。
另外由于现浇施工表面平整度控制困难,工程通高垂直偏差较大,局部达到40~60mm。
(3)存在局部破损和污染
由于聚苯板表面强度低,在支护和拆卸外模板时,聚苯板表面不可避免受到损坏,如阳角和外侧板的下支撑架处及穿墙螺孔等部位,混凝土在浇筑时难以避免出现漏浆形成热桥。
3.1.2.3采用水泥砂浆厚抹灰钢丝网架保温板外保温构造设计存在的不足
这类外保温通常采用带有钢丝网架的聚苯板作为主体保温材料,分为钢丝网穿透聚苯板和不穿透聚苯板两种类型。
钢丝网穿透聚苯板的钢丝网架聚苯板施工时通过与现浇混凝土整体一次浇筑固定在基层墙体上,不穿透聚苯板的采用机械锚固的方式固定在基层墙体上,面层均采用20~30mm的普通水泥砂浆找平。
由于该类体系采用厚抹水泥砂浆做法,开裂现象较为普遍,原因如下:
(1)普通水泥砂浆自身易产生各种收缩变形,并且存在强度增长周期短(主要强度在10多个小时便已完成)体积收缩周期长(几个月甚至上百天,收缩率为8%~10%)的矛盾,在约束条件下,当体积收缩形成的拉应力超过水泥砂浆的抗拉强度时,就会出现裂缝。
处于保温层保护下的主体结构受温度变形影响较小,而20~30mm的找平砂浆处于热阻很大的聚苯板的外侧,因此受环境温度影响而产生较大变形。
聚苯板两侧的水泥材质受环境温差影响而产生较大相对变形差,引起开裂。
另外由于保温板平整度很难控制的十分正确,会造成找平抹灰厚度的不均,造成局部收缩和温差应力不均从而引起裂缝。
(2)配筋位置不合理引起裂缝钢丝网架在水泥砂浆中的位置相当于单面配筋方式,且靠近保温层。
而正负风压、热胀冷缩、气缩湿胀及地震等作用力都是双向或多向。
该种方式的配筋对靠近外饰面应力的分散作用很有限,起不到应有的抗裂作用。
四角钢网配筋对抵抗和分散与钢丝网网丝同向的应力具有良好的效果,但在网孔对角线方向无筋,因此对抵抗和分散网孔对角线方向的应力作用有限,从而易产生沿四角网对角线方向的裂缝。
另外,四角钢网的十字交叉处水泥砂浆不易完全充分握裹,使水泥砂浆与钢网不能成为一共同受力体。
(3)荷载过大产生挤压开裂
在钢丝网架聚苯板外保温实际工程中,由于平整度较差找平砂浆很厚,每平方米荷载可达80kg甚至100kg以上,在这样的荷载长期作用下聚苯板会产生徐变,使整个硬质面层产生重力挤压造成裂缝。
钢丝网不穿透聚苯板后锚固工艺的保温层承受荷载的能力较现浇的更差,面层的开裂、脱落更加严重。
3.1.2.4带防护层预制保温板材外保温构造设计存在的不足
这类外保温材料通常在工厂加工预制好带有涂料或面砖饰面的保温板材,在施工现场只需锚固安装上墙即可。
但目前市场上该类产品多在板缝处出现裂缝。
主要原因如下:
(1)预制保温板的收缩变形:
很多预制板在上墙后仍在收缩,将板缝拉开。
(2)预制保温板温湿变形:
预制板受温度及湿度变化会发生热胀冷缩、湿胀干缩现象,对板缝反复挤压造成板缝开裂。
(3)板缝处理难度大:
由于预制保温板的变形是必然要发生的,因此也就必须在板缝处留有相当的宽度并采用柔韧变形性及防水性良好的材料来嵌缝。
该类产品具有可在工厂连续生产,现场干作业等优点。
在较好地解决了板缝裂缝问题以后,大面积推广应用前景是很好的。
应该提出的是,当外保温面层采用预制GRC制品做线条时,GRC制品本身拼缝处及其与外保温墙面交接处易发生裂缝。
3.1.2.5膨胀珍珠岩及海泡石保温浆料外墙外保温体系设计存在的不足
在该类体系中,采用以膨胀珍珠岩及海泡石为主保温材料的浆料由于吸水率高、干缩变形及温湿变形大易开裂脱落,且保温性能较差,已被建设行业管理部门限制淘汰。
3.1.2.6胶粉聚苯颗粒预混合干拌保温材料外墙外保温体系设计存在的不足
该类做法从构造设计上充分考虑了热应力、水、火、风压及地震力的影响,采用无空腔和逐层渐变柔性释放应力的技术路线有效解决了抗裂难题。
但以下因素必须重点考虑:
(1)目前北方地区正在开展第三步建筑节能65%的试点工作,而在严寒地区采用单一胶粉聚苯颗粒外墙外保温体系,要达到这个目标已不具有经济合理性,因此,利用胶粉聚苯颗粒外墙外保温体系成熟、优良的综合性能与高性能保温材料复合,将是比较理想的模式,也是未来发展方向。
(2)胶粉聚苯颗粒外墙外保温体系技术路线的实施是靠各层材料的性能指标及严格的施工控制来实现的。
以下问题易引起开裂:
在该体系中不用柔性腻子而采用刚性腻子、不采用压折比小于3的抗裂砂浆而采用普通水泥砂浆或柔韧性不够的抹面砂浆、门窗洞口角未铺设45°
耐碱玻纤网、网布干搭接等。
3.1.2.7面砖饰面外墙外保温体系设计存在的缺陷
通过对保温墙面面砖饰面质量问题的研究发现,面砖饰面破坏通常有三个破坏部位两个断裂尾面砖掉落现象通常是成片发生,或者是一掉一趟,往往发生在墙面边缘和顶层建筑女儿墙沿屋面板的底部,以及墙面中间大面积空鼓部位(见图13)。
这是因为,保温体系受温度影响在发生胀缩时,产生的累加变形应力将边缘部分面砖挤掉或中间部分挤成空鼓,特别是当面砖粘结砂浆为刚性不能有效释放温度应力时,这种现象更加普遍。
当面砖粘结砂浆强度较高时通常有两个破坏层:
基层为粘土砖吼面砖与粘结砂浆同时脱落,破坏层发生在粘土砖基层;
基层为混凝土墙时,面砖自身脱落,破坏部分发生在粘结面砖的砂浆层表面。
墙体饰面砖层出现脱落和开裂主要有以下原因:
①温度变形:
不同季节,白天黑夜,墙体内外由于温差的变化,饰面砖会受到三维力·
向温度应力的影响,在饰面层会产生局部应力集中,如在纵横墙体交接处;
墙或屋面与墙体连接处;
大面积墙中部等位置应力集中,饰面层开裂引起面砖脱落,也有相邻面砖局部挤压变形引起面砖脱落。
②反复冻融循环,造成面砖粘接层破坏,引起面砖脱落。
③外力引起的面砖脱落:
如组合荷载作用、地基不均匀沉降等引起结构物墙体变形、错位造成墙体严重开裂、面砖脱落。
以上这些问题正是我们应该从面砖饰面外保温构造设计上应该认真加以考虑的。
目前在外保温外饰面粘贴面砖的做法主要有胶粉聚苯颗粒外墙外保温体系和钢丝网架聚苯板外墙外保温体系,也有直接在玻纤网布复合抹面砂浆的无网聚苯板外保温外饰面粘贴面砖的。
由于外饰面粘贴面砖质量问题不仅仅是对心理和保温性能的影响而且涉及到人身安全,因此保证构造设计的合理性就更为重要。
(1)从构造设计上看,直接在玻纤网布复合抹面砂浆的无网聚苯板外保温外饰面粘贴面砖是不合理的,应加以限制。
原因如下:
①从受力状况看,应用于外保温的聚苯板通常采用点粘法,粘结面积35%,而聚苯板本身具有受力变形性,由聚苯板来直接承受30kg/m2面砖饰面层(含粘结砂浆)荷载,必然会发生徐变,短期或许不会发生严重事故,但长期变形将导致受力失衡从而引发开裂甚至脱落。
整个面砖层是粘贴在抹面砂浆复合玻纤网形成的抗裂层上,而与基层没有任何连接。
整个系统形成两张皮,面砖荷载不能传到结构上,存在面砖层及抗裂层整体脱落的危险。
从拉拔试验看:
以玻纤网格布增强的抗裂防护层,断面层均在网格布层,耐候试验后拉拔强度达不到《建筑工程饰面砖粘结强度检验标准》(JGJ110-1997)标准规定的要求。
这是因为涂塑玻纤网布与砂浆握裹力不够,形成隔离层。
以钢丝网增强(通过试验认为孔径12.7mm、丝径0.9mm的钢丝网增强效果最好)的抗裂防护层,拉拔试验后断面层均在抗裂砂浆中,拉拔强度大于0.4MPa,达到《建筑工程饰面砖粘结强度检验标准》(JGJ110-1997)规定的要求。
②从抗风压性上看,粘贴聚苯板外保温体系存在空腔,抗风压尤其是抗负风压的性能差,即使在聚苯板上采用锚固措施负风压也会把聚苯板掀落。
图17是北京某小区发生大风刮落聚苯板的照片,若再在其上粘贴面砖则整个保温体系的安全性将更无法得到保障。
③从防火性上看,体系本身就存在整体连通的空气层,火灾时很快形成"
引火风道"
使火灾迅速蔓延。
聚苯板外墙外保温体系在高温辐射下很快收缩、熔结,在明火状态下发生燃烧,也就是说在火灾发生时(有明火或较高的热辐射),聚苯板外墙外保温体系将很快遭到破坏。
从这个意义上说在聚苯板外保温体系面层粘贴面砖的做法是非常危险的,火灾状态下聚苯板在受热后严重变形,使面砖饰面层丧失依托,引起面砖层整体脱落造成人员伤害,这种教训已有发生。
(2)钢丝网架聚苯板外墙外保温外饰面粘贴面砖体系
从构造设计上看,钢丝网架聚苯板外饰面粘贴面砖做法要比直接在薄抹灰无网聚苯板外保温外饰面粘贴面砖安全,但20~30mm厚的水泥砂浆找平层的开裂及自重,大大降低了该体系的整体安全性。
采用该体系满足第三步节能时,由于需大大增加保温层厚度,从而使力矩成倍增加,增加了体系的不安全性。
①由于水泥砂浆收缩或厚度不均,温差应力不均容易引起裂缝和面砖脱落。
图18为内蒙某钢丝网架聚苯板外墙外保温粘贴面砖工程面层裂缝和面砖脱落的照片,该工程于2001年竣工,仅3年的时间墙面就大面积开裂,部分面砖脱落。
内蒙某钢丝网架聚苯板外墙外保温粘贴面砖工程面层裂缝和面砖脱落照片
②单面钢丝网架构造设计不合理引起裂缝
正负风压、热胀冷缩、湿胀干缩、正弦拍波地震力等均产生两个方向的作用力,单面钢丝网架在水泥砂浆叫:
,的位置见图19。
该种方式的配筋对抵抗和分散"
方向的应力具有良好的效果,但对抵抗和分散b、c、d三个方向的应力作用十分有限,从而产生裂缝。
由于水泥砂浆的收缩以及钢丝网架在水泥砂浆中位置的不一致等原因,造成水泥砂浆找平层开裂,此类现象十分普遍。
由于砂浆层产生裂缝处变形应力较大易引起此处面砖勾缝胶产生裂缝甚至连面砖也被拉裂。
如果水从裂缝处渗入会直接对钢丝网产生锈蚀。
③荷载过大产生挤压裂缝且对抗震安全产生不利影响
经抗震试验发现,当采用50mm厚的钢丝网架聚苯板,整个硬质面层(找平砂浆层+粘结砂浆层+面砖勾缝胶及面砖层)荷载为41.5kg/m2,当试验进行到加速度达到0.5g时传出钢丝网斜插丝切割聚苯板的声音,表明整个硬质面层发生了位移。
即在粘贴瓷砖时,必须保证聚苯板面层的荷载要小于40kg/m2。
依据力矩=面层荷载X重力加速度X力臂,50mm厚的聚苯板面层荷载要求小于40kg/m2,力矩为40×
10×
0.05=20N·
m,即:
力矩必须小于20N·
m。
在北京地区,要达到三步建筑节能要求,则需外墙平均传热系数不大于0.6W/(m2·
K)。
对于基层为200mm厚的钢筋混凝土墙体,根据热工计算,采用有网聚苯板进行外保温,用20mm厚的水泥砂浆进行找平时,则需有网聚苯板的厚度为90mm。
有网聚苯板变厚,穿透聚苯板的斜插丝加长,力矩增大为32.4N·
m,超过安全力矩要求。
从以上分析可看出来,钢丝网架聚苯板外保温体系靠水泥粘贴面砖来解决开裂问题是存在安全隐患的。
如果要满足第三步节能65%要求,就要增加保温层厚度,此时采用同样的插丝由于力矩的加长,变形将增大,那么以上问题(保温材料徐变、荷载重力挤压、抗震安全性等)将变得更加突出。
如果再考虑钢丝网的锈蚀问题则整个体系