建筑屋面琉璃瓦防冰雹沖擊試驗一、試驗背景琉璃瓦作為一種傳統(tǒng)的建筑材料，憑借其獨特的美觀性和一定的耐久性，在古建筑修繕、仿古建筑以及部分現代建筑的屋面裝飾中仍被廣泛應用。然而，琉璃瓦的物理特性決定了其在面對極端天氣時的脆弱性。冰雹作為一種常見的強對流天氣現象，其大小不一，小如黃豆，大如雞蛋甚至更大，下落時的沖擊力足以對琉璃瓦屋面造成嚴重破壞，如瓦片碎裂、脫落等，不僅影響建筑的美觀和使用功能，還可能對下方人員和財產安全構成威脅。因此，開展建筑屋面琉璃瓦防冰雹沖擊試驗具有重要的現實意義。通過科學的試驗方法，可以評估不同類型、不同規(guī)格琉璃瓦的抗冰雹沖擊性能，為建筑設計、施工選材以及琉璃瓦的生產改進提供可靠的依據，從而提高建筑屋面在冰雹天氣下的安全性和耐久性。二、試驗方法（一）試驗樣品本次試驗選取了市場上常見的三種不同規(guī)格的琉璃瓦作為試驗樣品，分別標記為樣品A、樣品B和樣品C。三種樣品的主要參數如下表所示：樣品編號規(guī)格尺寸（長×寬×厚，單位：mm）材質表面處理樣品A300×200×10傳統(tǒng)陶土琉璃瓦施釉樣品B350×250×12改良型陶土琉璃瓦施釉+表面強化處理樣品C400×300×15新型復合材料琉璃瓦仿琉璃釉面每種樣品選取10片，確保樣品的完整性和代表性，無明顯的裂紋、破損等缺陷。（二）試驗設備冰雹沖擊試驗臺：該試驗臺主要由發(fā)射裝置、控制裝置和樣品固定裝置組成。發(fā)射裝置能夠模擬冰雹從不同高度、以不同速度沖擊琉璃瓦；控制裝置可精確設定沖擊高度、沖擊速度等參數；樣品固定裝置則用于將琉璃瓦按照實際屋面鋪設方式進行固定，確保試驗條件與實際使用場景盡可能一致。高速攝像機：用于記錄冰雹沖擊琉璃瓦瞬間的動態(tài)過程，以便后續(xù)分析沖擊行為和破壞模式。壓力傳感器：安裝在樣品固定裝置上，用于測量琉璃瓦在受到沖擊時所承受的壓力。游標卡尺、卷尺：用于測量琉璃瓦的尺寸和沖擊后產生的裂紋長度等。電子秤：用于稱量冰雹的質量。（三）試驗參數設定根據我國不同地區(qū)冰雹天氣的實際情況，結合相關標準和研究成果，本次試驗設定了以下幾種典型的冰雹沖擊工況：工況編號模擬冰雹直徑（mm）模擬冰雹質量（g）沖擊高度（m）預計沖擊速度（m/s）沖擊角度（與屋面垂直方向夾角）工況1204.210140°（垂直沖擊）工況23014.115170°（垂直沖擊）工況34033.520200°（垂直沖擊）工況43014.1151730°（傾斜沖擊）工況54033.5202030°（傾斜沖擊）注：模擬冰雹采用與天然冰雹密度相近的材料制成，如冰凍的球狀水或特定配方的樹脂球。（四）試驗步驟樣品準備：將選取的琉璃瓦樣品進行清潔，去除表面的灰塵和雜質。樣品安裝：將清潔后的琉璃瓦樣品按照實際屋面鋪設方式安裝在樣品固定裝置上，確保瓦片之間的搭接、固定方式符合規(guī)范要求。參數設置：根據設定的試驗工況，在冰雹沖擊試驗臺上設置相應的沖擊高度、沖擊速度等參數。沖擊試驗：啟動試驗臺，發(fā)射模擬冰雹對琉璃瓦樣品進行沖擊。每種工況下，對每種樣品的5片進行沖擊試驗。數據記錄與觀察：在試驗過程中，通過高速攝像機記錄沖擊過程，通過壓力傳感器記錄沖擊壓力。試驗結束后，仔細觀察琉璃瓦樣品的破壞情況，包括是否出現裂紋、裂紋的數量、長度、分布情況，是否有碎片脫落，以及表面釉層的損壞情況等，并使用游標卡尺等工具進行測量和記錄。重復試驗：對同一樣品的剩余5片，按照上述步驟進行重復試驗，以驗證試驗結果的可靠性。三、試驗過程（一）樣品安裝與調試試驗人員首先將三種琉璃瓦樣品分別安裝在樣品固定裝置上，仔細檢查瓦片的固定是否牢固，搭接是否緊密，確保與實際屋面鋪設狀態(tài)一致。隨后，對冰雹沖擊試驗臺進行調試，檢查發(fā)射裝置、控制裝置等是否正常工作，設定好初始的試驗參數。（二）模擬冰雹的制備根據試驗工況要求，制備不同直徑的模擬冰雹。對于冰凍球狀水冰雹，將水注入特定模具中，在低溫環(huán)境下冷凍成型；對于樹脂球冰雹，則直接選用符合尺寸要求的成品。制備完成后，使用電子秤稱量其質量，確保符合試驗參數設定。（三）沖擊試驗實施工況1試驗：將模擬冰雹直徑設置為20mm，沖擊高度設置為10m。依次對樣品A、樣品B和樣品C進行沖擊試驗。試驗過程中，高速攝像機清晰記錄了冰雹接觸琉璃瓦表面、發(fā)生形變直至反彈或破碎的全過程。壓力傳感器顯示，樣品A在受到沖擊時的瞬時壓力約為1500N，樣品B約為1800N，樣品C約為2000N。沖擊結束后，觀察發(fā)現樣品A表面釉層出現輕微劃痕，無明顯裂紋；樣品B和樣品C表面基本完好，無明顯損傷。工況2試驗：將模擬冰雹直徑增大至30mm，沖擊高度提升至15m。在對樣品A進行沖擊時，當冰雹接觸瓦片表面瞬間，瓦片表面出現明顯的白色沖擊痕跡，隨后在瓦片的中心區(qū)域產生一條長度約為50mm的徑向裂紋。樣品B在受到沖擊時，表面釉層出現局部剝落，形成一個直徑約10mm的凹坑，但未出現貫穿性裂紋。樣品C表現出較好的抗沖擊性能，僅在沖擊點處有輕微的凹陷，無裂紋產生。工況3試驗：模擬冰雹直徑進一步增大至40mm，沖擊高度達到20m。此工況下，樣品A在受到沖擊后，瞬間發(fā)生破碎，產生多塊大小不一的碎片，無法繼續(xù)使用。樣品B在沖擊后，表面出現多條長短不一的裂紋，部分裂紋相互連接，形成網狀結構，瓦片的完整性受到嚴重破壞。樣品C在沖擊后，表面出現一個較為明顯的凹坑，凹坑周圍伴有少量細微裂紋，但未發(fā)生破碎，仍保持整體結構的完整性。工況4試驗：該工況模擬冰雹以30°傾斜角沖擊琉璃瓦。模擬冰雹直徑為30mm，沖擊高度為15m。樣品A在傾斜沖擊下，除了在沖擊點附近產生裂紋外，還容易在瓦片的邊緣和搭接處產生應力集中，導致邊緣出現破損。樣品B在傾斜沖擊下，表面的強化層起到了一定的緩沖作用，裂紋的產生和擴展相對緩慢，但仍出現了明顯的裂紋。樣品C在傾斜沖擊下，表現出良好的抗剪切性能，僅在沖擊點處有局部的變形和少量細微裂紋。工況5試驗：模擬冰雹直徑為40mm，沖擊高度為20m，沖擊角度為30°。這是本次試驗中最為嚴酷的工況。樣品A和樣品B在該工況下均發(fā)生了嚴重的破碎，失去使用功能。樣品C在受到沖擊后，雖然表面凹坑較深，周圍的細微裂紋也有所增多，但整體結構仍然保持完整，未發(fā)生破碎。（四）試驗數據收集與整理試驗結束后，試驗人員對高速攝像機記錄的影像資料進行了分析，結合壓力傳感器的數據和現場觀察記錄，對每種樣品在不同工況下的破壞情況進行了詳細的描述和分類，并測量了裂紋長度、凹坑深度等具體參數。同時，對試驗過程中出現的異常情況進行了記錄和分析。四、試驗結果分析（一）不同樣品的抗沖擊性能對比通過對試驗數據的整理和分析，可以得出三種琉璃瓦樣品在不同工況下的抗冰雹沖擊性能如下表所示：樣品編號工況1工況2工況3工況4工況5綜合評價樣品A輕微劃痕出現明顯裂紋嚴重破碎裂紋+邊緣破損嚴重破碎較差，僅能承受較小冰雹的沖擊樣品B基本完好表面剝落+凹坑多條裂紋明顯裂紋嚴重破碎中等，能承受中等大小冰雹的沖擊，但在大冰雹沖擊下易損壞樣品C基本完好輕微凹陷凹坑+少量細微裂紋局部變形+少量細微裂紋凹坑+較多細微裂紋較好，能承受較大冰雹的沖擊，在嚴酷工況下仍保持整體完整性從表中可以看出，樣品C（新型復合材料琉璃瓦）的整體抗冰雹沖擊性能明顯優(yōu)于樣品A和樣品B。這主要得益于其采用的新型復合材料具有更高的強度、韌性和抗沖擊性能，能夠更好地吸收和分散冰雹沖擊產生的能量。樣品B由于經過了表面強化處理，其抗沖擊性能較樣品A有一定的提升，但在面對較大冰雹沖擊時，仍然難以承受。樣品A作為傳統(tǒng)的陶土琉璃瓦，其脆性較大，抗沖擊性能較差，在較大冰雹沖擊下容易發(fā)生破碎。（二）不同工況對試驗結果的影響冰雹大小的影響：冰雹的大小是影響琉璃瓦抗沖擊性能的關鍵因素。隨著冰雹直徑的增大，其質量和下落時的動能也隨之增大，對琉璃瓦的沖擊力顯著增強。試驗結果表明，當冰雹直徑超過30mm時，傳統(tǒng)的陶土琉璃瓦（樣品A）就容易發(fā)生裂紋甚至破碎；而當冰雹直徑達到40mm時，即使是經過改良的陶土琉璃瓦（樣品B）也難以承受。沖擊速度的影響：沖擊速度的大小直接決定了冰雹沖擊時的動能。沖擊速度越大，琉璃瓦受到的沖擊力就越大，破壞程度也就越嚴重。試驗中，通過調整沖擊高度來改變沖擊速度，結果顯示，沖擊高度的增加（即沖擊速度的增大）會顯著加劇琉璃瓦的破壞。沖擊角度的影響：沖擊角度對琉璃瓦的破壞模式和破壞程度也有一定的影響。垂直沖擊時，琉璃瓦主要承受正壓力，容易在沖擊點處產生徑向裂紋；而傾斜沖擊時，琉璃瓦不僅承受正壓力，還承受剪切力，更容易在邊緣、搭接處等應力集中部位產生破損和裂紋擴展。樣品固定方式的影響：樣品的固定方式模擬了實際屋面的鋪設情況，瓦片之間的搭接和支撐條件會影響其受力狀態(tài)。在試驗中發(fā)現，瓦片的邊緣和搭接處由于應力集中，更容易在沖擊時產生裂紋和破損。（三）破壞模式分析通過高速攝像機的影像分析和現場觀察，琉璃瓦在受到冰雹沖擊時主要表現出以下幾種破壞模式：表面釉層破損：這是較為輕微的破壞模式，主要表現為釉層的劃痕、剝落或局部脫落。這種破壞雖然不會立即影響琉璃瓦的結構完整性，但會降低其防水性能和美觀性，長期暴露在外界環(huán)境中容易導致進一步的損壞。裂紋產生與擴展：這是最常見的破壞模式。當冰雹沖擊力超過琉璃瓦的強度極限時，會在沖擊點處產生初始裂紋，隨后裂紋會沿著琉璃瓦的薄弱部位（如內部的微裂紋、材質的晶界等）進行擴展。根據裂紋的形態(tài)和分布，可分為徑向裂紋、環(huán)向裂紋和網狀裂紋等。破碎：這是最為嚴重的破壞模式。當冰雹沖擊力非常大時，琉璃瓦會發(fā)生整體性的破碎，產生大量的碎片。這種破壞會導致屋面防水功能的完全喪失，必須進行更換。（四）試驗結果的工程應用價值本次試驗結果為建筑屋面琉璃瓦的選材和設計提供了重要的參考依據。選材建議：在冰雹多發(fā)地區(qū)，建議優(yōu)先選用抗沖擊性能較好的新型復合材料琉璃瓦（如樣品C），以提高屋面的安全性和耐久性。對于冰雹發(fā)生頻率較低或冰雹較小的地區(qū)，可以根據實際情況選用改良型陶土琉璃瓦（如樣品B）。傳統(tǒng)的陶土琉璃瓦（如樣品A）由于抗沖擊性能較差，應謹慎選用，或在使用時采取必要的防護措施。設計建議：在進行屋面設計時，應充分考慮當地的氣候條件，特別是冰雹天氣的影響。對于重要的建筑物或位于冰雹多發(fā)區(qū)域的建筑物，應適當提高屋面琉璃瓦的抗沖擊性能要求。同時，在屋面施工過程中，應確保琉璃瓦的鋪設質量，保證瓦片之間的搭接緊密、固定牢固，以減少因施工不當導致的抗沖擊性能下降。產品改進方向：試驗結果也為琉璃瓦的生產企業(yè)提供了產品改進的方向。對于傳統(tǒng)陶土琉璃瓦