建筑絕熱復合材料連接器的探討

張 彬 王 勝 羅本福

（1.西華大學能源與環(huán)境學院，四川成都 610039）

（2.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司水資源事業(yè)部，重慶 400013）

近幾年，絕熱預制混凝土墻板由于其高熱能效和快速建筑循環(huán)時間的特征，開始被政府和房地產(chǎn)開發(fā)商重視并重點采用，建筑材料正在逐步使用制式的建筑絕熱系統(tǒng)[1-3]．本文主要調(diào)研了一種比較新穎的復合材料連接器，探討了其在預制混凝土建筑系統(tǒng)中的應用以及將來可能的生產(chǎn)方法．

1 建筑絕熱系統(tǒng)簡介

建筑絕熱系統(tǒng)由絕熱組分和結(jié)構(gòu)組分組成，一般情況下以整體系統(tǒng)進行出售供應，各部件一般不會分開出售．結(jié)構(gòu)部件是穿過絕熱層上的孔從而連結(jié)混凝土兩層的連接器．非結(jié)構(gòu)部分是能夠起到絕熱能力的核心部件——各種厚度的擠塑聚苯板剛性板，該板被澆筑在內(nèi)外混凝土層之間．擠塑聚苯板剛性板在提供給建筑絕熱板制造商時，需要有預先熱形成的孔排列成標準結(jié)構(gòu)．孔間距需要在使用之前根據(jù)服役時的載荷范圍進行確定，從而為每個連接器確定相等固定的附屬荷載范圍，同時這些孔還能夠用于保證工人在現(xiàn)場工作時連接器的準確位置．建筑絕熱系統(tǒng)的制作流程見圖1[5]．

圖1 建筑絕熱系統(tǒng)預制件的制作流程Fig.1 Precast production process of the building insulation system

此結(jié)構(gòu)做成的建筑絕熱系統(tǒng)，能夠大大增大建筑物的建造速度，增強建筑物的絕熱效果．方法靈活，既可以制成預制件，也可以在建筑工地上直接進行澆注，避免了外加保溫材料造成的二次施工和保溫層容易脫落的技術(shù)難題．

圖2為采用夾芯結(jié)構(gòu)的方法制作的建筑絕熱系統(tǒng)預制件，在鋼筋混凝土內(nèi)部使用熱傳導率極低的XPS（聚苯乙烯擠塑板）泡沫，即內(nèi)部的白色泡沫部分．

圖2 建筑絕熱夾芯結(jié)構(gòu)Fig.2 Building insulation sandwich structure

2 建筑絕熱系統(tǒng)的市場前景及應用情況

2.1 市場前景

隨著綠色建筑在世界范圍內(nèi)的興起，建筑保溫材料正朝著精細化的方向發(fā)展．絕熱性能和力學性能優(yōu)異的復合材料連接器是目前保溫墻所用鋼釘?shù)淖顑?yōu)替代產(chǎn)品，并且已經(jīng)得到應用，其發(fā)展前景會越來越被受到重視．

2.2 應用情況調(diào)查

2.2.1 境外應用情況

澳大利亞公司 Composite Global Solutions（CGS），在澳大利亞、迪拜、新加坡和香港均有業(yè)務，他們向預制制造商供應綜合絕熱系統(tǒng)來制造預制混凝土夾心板，即整體的建筑絕熱系統(tǒng)．CGS公司的產(chǎn)品在澳大利亞、新西蘭和中東已經(jīng)應用于住宅、倉庫（特別是冷藏庫）、清潔制造設備、大學和其他教育機構(gòu)以及監(jiān)獄設施，使用規(guī)模正在擴大．

2.2.2 在國內(nèi)的應用情況

北京特邁斯建筑科技有限公司（TMS）是在北京市工商局注冊登記的外資企業(yè)，其母公司是澳大利亞注冊公司Composite Global Solutions（CGS），目前此公司主要與萬科進行合作，提供建筑絕熱系統(tǒng)預制件，是目前國內(nèi)唯一有記錄的制造商家．

目前國內(nèi)有三個重大的正在建筑或接近尾聲的實驗項目使用這種建筑絕熱工藝，在建的項目有[5]：

（1）使用6 500平米的建筑絕熱墻板，天津東麗湖閱湖園項目中3座11層建筑，49-51號樓（圖3）．

（2）萬科預制研究和發(fā)展研究所在北京豐臺的建筑，使用了500平米的建筑絕熱墻板．

（3）北京朝陽區(qū)亮馬橋3號和4號樓，使用2 000平米建筑絕熱墻板．建筑絕熱系統(tǒng)的墻板授權(quán)制造商為北京豐臺榆樹莊構(gòu)件廠．

圖3 萬科東麗湖試驗項目，墻板正在立板Fig.3 Dongli Lake pilot project of Wanke, the wall panels are rising

3 建筑絕熱系統(tǒng)復合材料連接器介紹

復合材料連接器（圖 4，圖 5）是建筑絕熱系統(tǒng)中的重要結(jié)構(gòu)件，連接器是由纖維合成材料構(gòu)成，而纖維合成材料由連續(xù)玻璃纖維和乙烯基酯聚合體樹脂組成．纖維通過熱固樹脂溶液和溫度控制沖模進行拉伸，加熱樹脂從而引起化學反應將纖維結(jié)合在一起．在另一過程中，在連接器裸棒周圍注模形成聚合體套，從而適應絕熱板上孔的摩擦，并且通過套邊緣保證在濕混凝土中正確的嵌入深度[5-6]．

連接器必須在各個方面與混凝土兼容，這表示使用的材料必須抗堿腐蝕，不親水，并且和混凝土有同樣的熱膨脹系數(shù)，非兼容材料會導致表層爆裂，可能造成結(jié)構(gòu)能力的損失．

連接器在濕混凝土中通過有槽口的梁腋的嵌入而形成結(jié)合作用．實際嵌入后的連接器在養(yǎng)護好的混凝土中的拉拔強度是普通荷載條件下，如風吸力（即便是臺風區(qū)域）以及脫版時受力的二十多倍（圖5）．

纖維合成連接器開發(fā)之前，整體混凝土建筑唯一的混凝土層之間的結(jié)構(gòu)連接器的選擇為銷（也叫栓），材料為低碳鋼或不銹鋼．與低碳鋼相比，連接器出色的剪切能力消除了鋼銷或固體混凝土澆筑穿過絕熱板的結(jié)構(gòu)需要．整體建筑最近的類型由于溫度差別和變化造成的兩混凝土層之間存在的大量不獨立的運動約束，會造成開裂．

連接器的纖維合成材料擁有1.0 W/M.K的熱傳導率，其他相關材料的數(shù)值為[5]：

不銹鋼 26.25 W/K.M

低碳鋼 52.64 W/K.M

混凝土 1.80 W/K.M

擠塑聚苯板 0.028 W/K.M

纖維合成連接器的使用保留了實際潛能，或者說“購買了”墻板絕熱的R值．第三方監(jiān)視的熱箱測試（ASTM C236）顯示，建筑絕熱系統(tǒng)達到了墻板絕熱所要求的效率，高達99%．

連接器已經(jīng)經(jīng)過如下試驗：拉伸強度、抗壓強度、剪切強度、疲勞和循環(huán)（地震）加載、低溫壓力、防火、彎曲、蠕動等．

圖4 復合材料連接器Fig.4 Connectors of composite materials

圖5 復合材料連接器使用示意圖Fig.5 Composite connectors using schematic

4 復合材料連接器的技術(shù)改進措施探討

4.1 傳統(tǒng)的制作方法

從目前的資料能夠看出，建筑絕熱系統(tǒng)用的復合材料連接器的傳統(tǒng)制作工藝是采用拉擠成型后續(xù)機械加工的方式進行生產(chǎn)．這種工藝在生產(chǎn)規(guī)則形狀的產(chǎn)品時效率非常高，但對于建筑絕熱連接器而言，由于連接器的兩端形狀不規(guī)則，需要進行二次機械加工，這樣就會造成復合材料中的纖維遭到部分破壞，而且纖維增強復合材料的機械加工難度大，對工人的技能要求較高．

4.2 改進的制作方法

如何避免后續(xù)的機械加工是制作建筑絕熱連接器的改進方向和核心內(nèi)容．具體改進措施可以考慮采用以下兩種方式：

（1）真空灌注成型、間歇式生產(chǎn)的方法，在模具中保證復合材料連接器的外型，使用單向纖維在模具中進行填充，然后進行真空灌注，但其缺點是對單向布的填充過程要求比較高，可能會有部分的彎曲纖維產(chǎn)生；

（2）采用真空輔助成型和拉擠成型相結(jié)合的方式，進行二次成型，拉伸成型工藝用于生產(chǎn)連接器中的中心部分，然后將其放置在真空輔助成型的模具中，真空輔助成型用于原來需要進行后續(xù)加工的部分，這樣能夠避免復合材料在成型過程中的破壞，而且避免了后續(xù)的機械加工造成復合材料加工缺陷．

4.3 需要克服的技術(shù)難題

復合材料連接器必須在各個方面與混凝土兼容，這就要求使用的材料必須符合以下幾個方面的要求：

（1）抗堿腐蝕，不親水；

（2）復合材料連接器要和混凝土有同樣的熱膨脹系數(shù)．非兼容材料會導致表層爆裂，可能造成結(jié)構(gòu)能力的損失．

針對這些技術(shù)難度，可以首先考慮樹脂與混凝土的膨脹系數(shù)匹配性，尋找與混凝土具有相同膨脹系數(shù)的樹脂，主要是不飽和樹脂；其次是采用具有不同膨脹系數(shù)的不飽和樹脂來改變混合比例，從而研制出符合要求的樹脂配方體系．

5 開展本新產(chǎn)品研究的意義

絕熱復合材料連接器作為一種新型技術(shù)，目前技術(shù)還不夠成熟，因此，加強對其開發(fā)應用的探討有利于該技術(shù)的更新完善，從而使得該技術(shù)能更快應用到我國建筑業(yè)領域．

[1]張大厚，王繼輝.復合材料在建筑領域的使用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].武漢理工大學學報，2009，31（4）：63-66.

[2]趙永花.淺談絕熱、吸聲材料在房屋建筑節(jié)能中的應用[J].工業(yè)建筑，2005，35（zl）：38-40.

[3]胡小媛，許琳.我國建筑絕熱材料的應用現(xiàn)狀及其前景[J].建筑技術(shù)，2000，31（10）：690-691.

[4]鄭其俊.絕熱材料的發(fā)展與應用[J].新型建筑材料，2002（6）：44-47.

[5]John Morgan. THERMOMASS?建筑絕熱系統(tǒng)在中國[C].第五屆中國預應力會議，昆明，2008.

[6]Kim Seeber, PE, F.PCI.THERMOMASS?墻板的結(jié)構(gòu)分析和設計以及標準考慮[C].第五屆中國預應力會議，昆明，2008.