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石材蜂窝板及其应用

2023-04-07 来源:爱站旅游
导读石材蜂窝板及其应用
石材蜂窝板及其应用 杜继予 包 毅 窦铁波 周 萱 深圳市新山幕墙技术咨询有限公司 摘要:本文简要介绍了石材蜂窝板的品种、结构、特点、应用范围及工程实例,并针对石材蜂窝板在应用中普遍存在的疑 虑心理和主要技术问题,如耐久性、板型凹凸、安装连接、弯曲强度和物理力学性能等,提出了相应的见解和注意事项。 关键词:石材;蜂窝板;耐久性;弯曲强度 Abstract:This text brief introduced variety、structure、trait、apply range and instance used at engineering project of stone honeycomb composite panel,in accordance with doubtful mentality and main technical problem which universal exist at used of stone honeycomb composite panel,such as durable property、plane concave and convex、installation and connection、bending strength and physics mechanics property etc..advanced relevant opinion and notice item. Key word:stone,stone honeycomb composite panel,durable property,bending strength 1产品结构及特点 目前,石材蜂窝板基本可分为石材铝蜂窝板、 石材蜂窝板是由天然石材薄板与蜂窝板经胶 石材钢蜂窝板、石材玻钎蜂窝板等。石材蜂窝板的 粘剂粘接复合而成的高科技产品。其饰面石材薄板 饰面石材的厚度,亚光面和镜面板一般为3mm一 几乎可以是任何品种的石材,如花岗岩、大理石、砂 5mm,粗面板一般为5ram~8mm。蜂窝板的厚度可根 岩和石灰石等。蜂窝板主要包括了采用铝蜂窝作为 据不同的用途和设计要求确定。用作外墙板时,厚 芯材的铝蜂窝板、钢蜂窝板、玻纤蜂窝板等。石材蜂 度通常在15ram以上。由于饰面石材厚度的减薄,加 窝板的结构见图1和图2。 上蜂窝板结构自身具有重量轻、强度高、刚度好等 2 优点,使得石材蜂窝板既具有石材的表面效果,又 具有一般石材不可能具有的性能。和传统的石材相 比,石材蜂窝板具有下列优点: a)重量轻:石材蜂窝板的平均重量约为16kg/m2, 几乎比同样厚度的实心石材轻80%。此重量的减轻 可以极大地减少建筑物的重量荷载,降低劳动强 I——石材;2——蜂窝板面板(铝板、镀铝锌钢板或玻纤 度,节省建设成本; 板);3——铝蜂窝芯; 胶粘剂层。 b)强度高:平面抗拉、层间抗剪、弯曲刚度等 图1 石材蜂窝板示意图 力学性能指标值高。抗变形、抗冲击方面,20mm的石 材蜂窝板的抗冲击强度约为30mm厚石材的10倍 以上: c)安全性好:受强力冲击或超荷载的弯曲变形 后,石材表面只是局部破裂,不会产生辐射性裂纹, 更不会整体破裂、脱落; d)加工简便:可使用普通加工工具在现场对需 要修整的成型产品进行切割、安装,能制成各种不 图2石材玻纤蜂窝板 同类型的造型,线条流畅、美观大方; 201 1.08 01 圃删 e)经济美观:可以根据建筑需要,选择国内、外 任意的石材面料,特别是强度低、品种稀缺的石材 进行复合,既能保持天然石材的主要性能指标,提 高耐用年限,又可大大提高石材的利用率,节约天 然资源; f)节能环保:普通实心石材导热系数为3.5W/ (m・K)~1.3W/(m・K),而石材铝蜂窝板导热系数为 0.104w/(m・K)~0.130W/(m・K),其数值已在热绝缘 材料的范围中。由此可见,石材铝蜂窝板是一种隔 热节能的材料,同时还具有隔音降噪的功能。 图4佛山环球国际广场 2工程应用实例 石材蜂窝板起源于上世纪的欧洲,由于它克服 了传统石材重量重、强度低、脆性大的缺点,经过在 欧洲和北美的发展,已成为一种重要的绿色、新型 复合建筑装饰材料。自上世纪九十年代传人我国 后,经过不懈的努力,我国的石材蜂窝板产品质量 已有极大提高,应用技术也得到飞速发展,目前除 已用于内外建筑装饰外,同时也应用到家具、电梯、 车辆和轮船等领域,每年还有部分产品出口到欧美 等地。 图5巴克利大厦(Barclay 1ower) 巴克利大厦(Barclay Tower)位于美国纽约曼哈 顿金融中心区,是美国遭受911破坏后,于2008年 春天重建完工的豪华、高端、现代化的57层商住大 ■■ 厦。建筑幕墙采用石材环氧玻纤蜂窝复合板,面积 约为5100m。,板块尺寸为1.5mx1.5m和0.3mx0.3m, 见图5。 3工程应用中存在的问题 石材蜂窝板虽然在我国以及世界各地的建筑 图3陕西电信网管大厦 外墙上得到应用,但作为一种新型的建筑材料,其 石材蜂窝板在我国建筑幕墙上的应用已有十 在应用中还有很多问题需要去探讨和关注。如胶粘 年以上的历史。陕西电信网管大厦是我国首座采用 剂老化性能对产品耐久性的影响、不同材料间热膨 石材蜂窝板作为幕墙外装饰材料的的超高层建筑, 胀系数对板材变形的影响、安装连接方法、不对称 完工于2001年,楼高160m,石材蜂窝板幕墙面积约 复合板饰面石材的弯曲强度计算以及石材蜂窝板 20000m ,蜂窝板为铝蜂窝板,见图3。佛山52层的 的主要性能要求和质量控制等。 环球国际广场,楼高208m,石材蜂窝板幕墙面积约 3.1产品耐久性 为12000m ,完工时问为2006年,见图4。其它还有 将石材蜂窝板作为一种建筑外墙材料,在使用 常州市市民中心、杭州东部国际商务中心、杭州市 过程中石材面板是否会因胶粘剂的老化而产生开 市民中心、无锡市市民中心、杭州天工艺苑等众多 裂或脱落,其安全性和耐久性是最为人们关注的主 幕墙工程项目。 要问题和疑虑。其实,影响石材蜂窝板使用耐久性 02 20]1.08 的关键是胶粘剂环境老化性能的问题。众所周知, 胶粘剂是一种高分子材料,有着优异的结构粘接性 能,在建筑、航天航空、海洋运输、汽车、医疗卫生、 光学、电子等领域都有广泛应用。但在不同使用环 境条件作用下,其性能的下降和老化,甚至失效是 不可忽视的。我国目前对胶粘剂环境老化性能的研 究水平,远远未达到与材料实际应用相适应的水 平。这种研究与应用的差距,导致了对胶粘剂环境 0 20 40 60 80 老化性能认识的不足,进而产生怀疑和不信任,极 大地限制了胶粘剂新材料的开发与应用。对石材蜂 水煮时间,h 图6胶粘剂耐热水性能试验结果 3_2板面变形 窝板耐久性的关注,也正是这种差距的反映。参照 应用于建筑结构加固的胶粘剂,影响胶粘剂环境老 化性能主要有两方面的因素,一是紫外线的照射, 随着建筑装饰发展的需要,石材蜂窝板的应用 越来越趋向于大板块发展,板块面积为2.5rn2以上 的大板在工程中已常有应用。但石材蜂窝板是由多 种材料经胶粘剂粘接而成,它们之间的热膨胀系数 (见表1)互有差异,在环境温度变化较大的情况下, 特别是极端寒冷气候环境条件下,可能由于各种材 料的不同变形量而导致石材面板产生整板凹凸的 变形现象,影响到建筑的美观。同时也会在石材面 板与蜂窝板的粘接层间形成附加的剪切应力,影响 石材蜂窝板的正常使用。为防止上述现象的产生, 在工程设计和使用中应控制板块单边长度和最大 面积。通常板块单边长度不宜大于2.Ore,最大面积 不宜大于2.Om 。 表1 材料的线膨胀系数o【(1/℃) 材料 oc 二是高温湿热环境的影响。根据石材蜂窝板的使用 状况,紫外线照射对石材蜂窝板的使用耐久性并不 ∞ 加 m 5 O 会产生影响,因为胶粘剂并不暴露在日光下,所以 产生影响的主要原因是长期高温湿热环境。胶粘剂 Bd乏 想 靛 在长期高温湿热条件下粘接性能会有所下降,这是 不可避免的事实。 国内外众多的试验和研究结果表明,尽管胶粘 剂的品种和添加剂不同,但它们都有大致相同的性 能老化过程,并在老化衰减到一定程度后稳定下 来,且保持相对稳定的粘接承载能力。从图6中可 以看出,在水煮过程中,部分胶粘剂剪切强度先呈 快速上升(下降)趋势,但随着时间的延长,粘接力 开始趋于稳定。为此,只要我们选择合适的、经过耐 湿热老化性检测的胶粘剂,并控制平面拉应力处于 钢材 1.20xl0 胶粘剂老化衰减后的稳定状态范围内且小于其抗 一 一 . 一 拉承载力,就可解决产品的长期使用而不致产生剥 离的问题。使用胶粘剂进行建筑结构加固处理,也 铝合金型材 玻璃纤维板 花岗石板 2.35x 10 0.846x 10-5 0.80x10-5 采用了类似的方法。在产品的使用过程中,要防止 因外部雨水直接浸泡胶粘剂而加速胶粘剂的性能 老化问题的。因此,采用石材蜂窝板的建筑幕墙宜 采用封闭式系统,当采用开放式系统时,石材蜂窝 板周边应采用封边处理。同时,要根据板材尺寸和 不同饰面石材的抗弯强度,风荷载及其它作用的大 小,计算石材蜂窝板饰面石材的弯曲应力,确保饰 面石材在荷载作用下不产生因弯曲应力过大而导 圈 胶粘剂 6.OxlO-5-10.OxlO4 玻璃纤维板与石材板块的热膨胀系数非常接 近,同时具有很好的力学性能,其模压板的弯曲强 度可达740MPa以上。因此,采用玻璃纤维蜂窝板与 石材复合而成的石材蜂窝板可有效地防止板块的 变形问题,并已在国外建筑上得到推广应用,如前 述的巴克利大厦,同时它将有可能成为今后石材铝 致饰面石材存在细小裂纹甚至断裂。饰面石材上的 细小裂纹将会导致雨水渗透到粘接层的胶粘剂,在 长久的使用过程中,将可能降低胶粘剂的粘接强 度,从而影响石材蜂窝板的耐久性能。 蜂窝板的一个发展方向。但由于玻纤蜂窝板相对铝 蜂窝板和钢蜂窝板的脆性较大,弯曲刚度较小,受 载时产生的变形较大,所以在确定其面板尺寸的大 小时应更加慎重。 20]1.08 03 。 3.3安装连接 裂,饰面石材断裂后蜂窝板仍然可继续承受更大的 荷载直到蜂窝芯产生失稳或整板断裂等现象而导 致整板的弯曲破坏。由此可见,石材蜂窝板最先产 生弯曲破坏的最薄弱环节是饰面石材裂缝和断裂。 尽管饰面石材断裂后的石材蜂窝板,此时并没有即 目前,石材蜂窝板通常采用四点支承的安装连 接方法。安装连接件为特制的异形螺母,并通过胶 粘剂固化于石材蜂窝板中。通过国家建材检测中心 对单个异形螺母的抗拉极限承载能力的检测,当铝 蜂窝芯厚度为14mm,两边铝合金板厚度为0.5ram 时出现丧失使用功能的状况或有任何危险的安全 问题,但如前所述,由于石材细小裂纹的存在,使水 分容易渗透到粘接层的胶粘剂,在长久的使用过程 时,其最大抗拉拔力为4.263kN,最小抗拉拔力为 3.4o0kN,平均抗拉拔力为3.706kN;当铝蜂窝芯厚 度为19ram,两边铝合金板厚度为0.5ram时,其平均 抗拉拔力为6.250kN。由于安装连接件的承载能力 中,将可能降低胶粘剂的粘接强度,从而影响石材 蜂窝板的耐久性能。因而应将石材开始产生细小裂 缝时的荷载值作为石材蜂窝板弯曲破坏的极限荷 是石材蜂窝板安全应用的关键之一,所以安装连接 件的加工和固定均应在工厂中按照一定的工艺要 求和质量控制程序来完成,不得在现场临时埋设, 出厂前还应经过产品出厂检验。 3.4弯曲强度 载值,而不是将整板所能承受的最大值作为石材蜂 窝板弯曲破坏的极限荷载值。在考虑石材蜂窝板的 承载能力时,应以石材的弯曲强度标准值作为石材 蜂窝板的弯曲强度标准值。从表2中还可看到,石 弯曲强度是石材蜂窝板抗弯能力的主要性能 材蜂窝板在弯曲变形时,在饰面石材处于弯曲受压 状态下,饰面石材与整板几乎可承受相同的荷载, 而在饰面石材处于弯曲受拉状态下,在很小的荷载 作用下饰面石材就已经产生断裂。这表明,当石材 蜂窝板用作幕墙板时,其抗负风荷载的能力要低于 抗正风荷载的能力。 指标,也是工程设计的主要参数和依据。要计算石 材蜂窝板的弯曲强度,首先应该确定石材蜂窝板弯 曲破坏的判定形式。通过对石材蜂窝板的大量弯曲 试验结果证明(见表2),当石材蜂窝板弯曲变形时, 通常为饰面石材先行产生细小裂纹后随之产生断 表2石材蜂窝板弯曲试验结果 样品规格 最大破坏载荷 最小破坏荷载和形式 石材面板受力状态 及编号 1 2 3 4 5ram花岗岩+15mm铝蜂 窝板 蜂窝芯规格(0.5+6x0.05 ̄ 13+0.5) P,.dN 2732 2574 2533 2623 支辊处石材断 支辊处石材断 支辊处石材断 支辊处石材断 石材先断,此时挠度2.39,载荷1268,最后上 压辊处屈服。 石材面 受压 5 6 1822 l7l6 石材先断,此时挠度3.26,载荷1447,最后上 压辊处屈服。 石材面 受拉 石材先断,此时挠度4.37,载荷1711,最后上 压辊处屈服。 7 l73O 8 1657 石材先断,此时挠度2.52,载荷1231,最后上 压辊处屈服。 由于石材蜂窝板是由不同材料、多层次经胶粘 剂粘接固化而成,沿板面厚度方向为非对称结构的 板材,其弯曲强度的计算不同于一般的蜂窝板和实 心板材。特别是它的弯曲破坏主要表现在饰面石材 的破坏,所以计算石材蜂窝板的弯曲强度,实际上 是对石材蜂窝板受弯时饰面石材内产生的弯曲应 力的计算。经推算,饰面石材弯曲应力可采用公式 (1)计算: =逝4D (1) 式中: 201 1.08 ——弯曲应力,MPa; 时横截面保持平面,复合层之问不产生相对移动的 假设,在计算过程中忽略了层间剪切应力的影响所 p——最大荷载,N; Z——支点间距,mm; E——石材弹性模量,MPa; yr中性轴到石材面板的距离,mm; 造成的。所以采用公式(2)计算出的弯曲刚度值,然 后代人公式(1)计算出的饰面石材弯曲应力有可能 要小于实际弯曲应力。从使用安全的角度出发,同时 D——石材蜂窝板弯曲刚度,N・mrrl2。 采用公式(1)进行计算时,石材蜂窝板弯曲刚 度(D)可根据GB/T 1456--2005《夹层结构弯曲性 考虑到不同材料的组合,以及不同生产工艺和过程 对产品质量的影响,在工程设计和应用中宜采用实 测的弯曲剐度(D)对饰面石材的弯曲应力进行验算。 能试验方法》中9.4条所规定的方法经试验取得,也 3.5产品主要性能要求 可通过公式(2)计算取得。 石材蜂窝板在应用中,还有很多重要的性能需 D=訾 (f3蚴争 ) +鲁 z +争 要我们去关注,如平拉粘接强度、滚筒剥离强度、耐 热水性和耐温差性等对产品的质量和应用都有着 ) +警+El3( ̄--yo)。 (2) 重要的意义和影响。表4为石材蜂窝板的主要物理 和力学性能要求。 公式中各代号含义见图7。 表4石材蜂窝板的主要物理和力学性能要求 技术要求 项目 外装饰类 内装饰类 耐沾污性 无明显残余污染痕迹 抗落球冲击 无开胶、脱落破坏 抗柔重物体冲击 无开胶、脱落破坏 平面剪切强度/MPa O.5 0.4 1——背板外面板,厚度为t ,弹性模量El; 平面剪切弹性模量 ̄>/MPa 4.O 3.O 2——铝蜂窝芯,厚度为 ,弹性模量Ec 滚筒剥离强度 平均值≥ 5O 40 3——与石材面板粘接的背板内面板,厚度为tz,弹性模量E:; 石材面板,厚度为t3,弹性模量E3。 ,[(N’mm)/mm】 最小值≥ 40 3O 图7石材蜂窝板层间代号 平拉粘接强度 平均值≥ 1.0 O.6 /MPa 最小值≥ O.6 O.4 表3弯曲刚度D值比对 弯曲强度(标准 花岗石≥ 8.O 石材蜂窝板规格 检测值/(N・mm) 计算值【N・mm) 值)/MPa 砂岩、灰石≥ 大理石、石 4.0 5mm花岗岩,15mm 铝蜂窝板≥ 1.0 ̄109 铝蜂窝板,蜂窝芯 1.454lxl0 1.8473xl07 /(弯曲刚度 N・mm ) 钢蜂窝板≥ 1.O×1 o9 1.0xl08 (0.5+6 ̄0.05 ̄13+0.5) 玻纤蜂窝板≥ 1.5x10 5mrn花岗岩,15mm 剪切刚度≥/N 1.0 ̄10 1.0 ̄104 钢蜂窝板,蜂窝芯 2外观 无异常 .0D0l0 ̄107 3.2010 ̄1 07 (0.35+6 ̄0.05 ̄14-3+ 耐热水性 平拉粘接强度平 均值下降率≤/% l5 0.35) 外观 无异常 5mm花岗岩,15mm 耐温差性 弯曲强度下降率 玻钎蜂窝板,蜂窝芯 1.7201×106 5.9780 ̄106 20 ≤/% (0.5+6 ̄0.05 ̄13+0.5) 外观 无异常 抗冻性 平拉粘接强度平 15 根据产品的检测结果与计算结果的比对(表3) 均值下降率/% 表明,石材蜂窝板弯曲刚度(D)检测值通常小于计 注:弯曲刚度单位为单位面积弯曲刚度,按照GB,r 算值。这是由于公式(2)基于石材蜂窝板弯曲变形 1456--2005经检测和计算所得。 201 1.08 4结论 济性能优势,确保我国石材蜂窝板材料行业沿着健 康的道路发展。 在我国,与石材蜂窝板相关的产品标准和设计 规范目前还处于完善和编制过程中,国外也尚未有 参考文献: 【1】倪晓雪,李晓刚,张三平,邱大健.胶粘剂环境老化行为的研 完整的规范体系,各种研究和探讨还在进行中。但 近年来,石材蜂窝板在我国建筑装饰中的应用正呈 现出不断发展的良好势头,板材生产企业和规模不 断的增加和扩大。从我们收集到的上千个国产产品 究现状及展望[J],材料保护,2007(2). [2】Beak—Suleeaa,Tatsuo Motoyamab&Kenji Ichikawab,et a1. Polymer Degradation and Stability 1999;66(2):271-278. 的检测结果表明,产品的各项物理力学性能检测值 离散性较大,这反映出产品生产工艺和质量还有待 进一步的提高。因此,当采用石材蜂窝板作为建筑 外装饰墙板时,应以科学的态度对板材质量进行严 [3】益小苏,杜善义,张立同.复合材料手册【M】,北京:化学工业 出版社,2009 [41晏石林,杨学忠,刘雄亚,庄英.复合材料建筑结构及其应用 【M】,北京:化学工业出版社,2006. 格的检测并取得真实的物理力学性能指标,才能为 工程设计提供可靠的技术参数。并从安全使用的角 度出发,对外墙系统进行全面的评估和设计,使得 石材蜂窝板在使用过程中真正发挥它的技术和经 【5]王文军,李红旭,张首文.建筑结构胶的耐湿热老化性能研 究,粘接,2006.27(1). [6】谢业明,潘荣,彭勃.不同固体化体系下环氧结构胶的耐湿 热老化性能研究[Jlm程与建设,2009(1). 德国ift Rosenheim测试中心凯利博士参观郑州中原公司——密封胶欧洲标准技术交流 德国ift Rosenheim测试中心是国际性科学服务机构,可以对玻璃幕墙、门窗等相关产品进行质量检测,检测标准非常 严格,代表着国际上先进的技术水平。郑州中原应用技术研究开发有限公司作为国内最早从事建筑密封胶研究、生产和销售 的高新技术企业,产品涉及到硅酮密封胶、聚硫密封肢、以及丁基密封胶等产品,其倡议并主导制定了我国硅酮结构密封胶 国家标准GB 16776(建筑用硅酮结构密封胶》,是该标准的负责起草单位之一。 目前,郑州中原应用技术研究开发有限公司邀请德国ift Rosenheim检测中心的凯利博士来到郑州中原公司进行技术 交流。主要包括欧洲标准ETAG 002(结构密封胶装配系统技术审核指南》以及EN 1279(中空玻璃标准》等标准或规范中相 关密封胶的检测问题。 凯利博士达到郑州中原公司后,立即到研究室进行指导工作。对密封胶的每一项检测要求都与技术人员进行了详细的 探讨,解答了有关密封胶的检测过程中出现的问题。同时对技术人员的测试方法进行了肯定,并对部分检测设备和测试仪器 非常感兴趣,赞叹了对密封胶检测方面的严格要求,指出了操作过程中出现的一些问题,肯定了对密封胶的测试结果。技术 人员在随后的技术交流过程中,提出了许多有关密封胶的问题,凯利博士都进行了详细的回答。 郑州中原应用技术研究开发有限公司邀请了国内众多的行业内专家来到郑州,由ift Rosenheim的凯利博士讲解欧洲 标准时密封胶的检测、中空玻璃检测中对密封胶的要求。以此来学习先进国家对密封胶的最新要求。同时也将促使我国建筑 幕墙和中空玻璃的水平不断的提高。 凯利博士首先介绍了ift Rosenheim检测中心的有关历史及其发展情况,能够对很多材料进行标准检测。该检测中心代 表着欧洲最先进的标准检测。其后,凯利博士对ETAG 002中对密封胶的检测要求以及判定方法进行讲解,检测项目非常 多,达到十多项内容。通过讲解知道了ETAG 002是欧洲的一项法规,必须通过ETAG 002检测的材料才能够进入市场使 用。同时,还对EN 1279(中空玻璃标准》中的第二项、第三项、第四项进行了讲解,指出了他们对样品的检测要求及相关方 法。随后,与会的专家们与凯利博士进行了热烈的讨论。包括国内硅酮密封胶常见的问题在国外如何处理,以及国外如何控 制密封胶企业产品的质量、认证等等相关问题。 通过本次郑州中原应用技术研究开发有限公司邀请凯利博士来郑州的技术交流,与会人员对欧洲标准中有关硅酮密封 胶的检测有了更加清晰的认识,同时也将提高我们时密封胶产品质量稳定性方面的控制,将促使中原公司和国内相关企业 的密封胶产品能够快速进入欧洲市场。通过邀请国内众多的行业内专家参会,将有利于国内硅酮结构密封胶标准的提高。解 决目前国内密封胶市场中常见的问题,也有利于国内密封胶行业在国际市场中地位的提升。 201 1.08 

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