玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的保溫性能和力學性能研究

封雷，封葉，王慶華（.吉林大學建設工程學院，吉林長春　3006；.遼寧省石油化工規(guī)劃設計院有限公司，遼寧沈陽　0000）

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玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的保溫性能和力學性能研究

封雷1，封葉2，王慶華1
（1.吉林大學建設工程學院，吉林長春130061；2.遼寧省石油化工規(guī)劃設計院有限公司，遼寧沈陽110000）

摘要：對玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板進行了抗彎和抗壓性能試驗研究，得到了其受力變形和破壞特點，以及極限抗彎、抗壓承載力；此外，對墻板的保溫性能進行了測試。研究表明：墻板的保溫性能符合GB 50176—93《民用建筑熱工設計規(guī)范》標準；墻板在橫向抗彎和軸向荷載的作用下具有良好的力學性能，與不加纖維網(wǎng)的墻板相比，極限荷載平均值提高了14.98%，跨中所能承受的最大彎矩平均值提高了8.06%，墻板的抗壓強度為4.29 MPa，符合JG/T 169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》規(guī)定的非承重墻板抗壓強度要求。

關鍵詞：玻璃纖維網(wǎng)格布；復合保溫墻板；保溫性能；抗彎性能；抗壓性能

0 引言

為響應可持續(xù)發(fā)展觀，節(jié)能綠色保溫建材的應用勢在必行。目前我國正在大力開展建筑節(jié)能保溫方面的科學研究［1］。而發(fā)展新型墻體材料是建筑節(jié)能最有效的途徑之一，如今墻體發(fā)展的總體要求是由黏土質(zhì)向非黏土質(zhì)、由實心向空心、由小塊向大塊、由重質(zhì)向輕質(zhì)、由低強向高強、由耗能高向耗能低、由單功能向多功能發(fā)展?？梢?，研發(fā)新型墻體材料同時是改善建筑功能、提高資源利用率和保護環(huán)境的重要措施。

前期工作中研發(fā)了一種聚苯乙烯（EPS）顆粒與聚苯乙烯發(fā)泡板相結合的復合保溫墻板［2］，該墻板具有良好的力學性能，傳熱系數(shù)、保溫性能等均符合吉林省地方標準DB22/T450—2007《居住建筑節(jié)能設計標準》及DB22/T 436—2006《公共建筑節(jié)能設計標準》的要求［3］，但是在橫向荷載作用下，墻板開裂后，裂縫迅速擴展形成通縫，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特點。因此，在該墻板基礎上，加入了纖維網(wǎng)，以改善其脆性性質(zhì)，進而提高其力學性能。

本文對玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的保溫和力學性能進行研究，為該墻體在實際工程中的應用與推廣提供依據(jù)。

1 玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的組成及構造

玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的主要組成材料有：普通硅酸鹽水泥、EPS顆粒、EPS板、粉煤灰、玻璃纖維網(wǎng)格布、玻璃纖維及各種添加劑等。墻板主要由防水砂漿層、保溫砂漿層、EPS板層等組成，玻璃纖維網(wǎng)格布布置在防水砂漿層與保溫砂漿層之間，墻板的構造及試件實物如圖1、圖2所示。

圖1 復合墻板構造示意

圖2 復合墻板試件

2 玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的保溫性能

復合墻板主要由保溫砂漿和聚苯乙烯發(fā)泡板組成。評價材料保溫性能最主要的參數(shù)為導熱系數(shù)等，因此依據(jù)JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法》測試保溫砂漿的導熱系數(shù)等熱物性參數(shù)。

圖3 保溫砂漿試塊熱物性參數(shù)測試

制作3個60 mm×60 mm×30 mm試塊，在標準條件下進行養(yǎng)護。利用瑞典Hotdisk熱常數(shù)分析儀采用雙面法測試試塊的熱物性參數(shù)，如圖3所示，以評價保溫墻板的保溫性能。保溫砂漿試塊熱物性測試的結果見表1。

表1 保溫砂漿的保溫性能測試結果

保溫材料一般是指導熱系數(shù)≤0.2 W/（m·K）的材料。由表1可以看出，保溫砂漿的導熱系數(shù)滿足保溫材料的基本條件，同時墻板中又加入100 mm厚的聚苯乙烯泡沫板，進一步降低了墻板的導熱系數(shù)，符合GB 50176—93《民用建筑熱工設計規(guī)范》標準要求。

3 玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的抗彎性能

3.1 試件及試驗設備

用于抗彎試驗的墻板尺寸為1200 mm×400 mm×180 mm，共3塊，編號為W1～W3。墻板的加載方式如圖4所示，即利用八分點集中力加載來模擬均布荷載［4］。在跨中及兩端支座處布置位移計，用以測量支座沉降和跨中撓度［5］。試驗采用DNS300型電子萬能試驗機進行加載，利用IMC測試系統(tǒng)采集荷載及位移數(shù)據(jù)，試驗加載裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 抗彎試驗加載方式示意

圖5 抗彎試驗加載裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

3.2 試驗結果及分析

各墻板試件的極限荷載、跨中最大撓度等試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 抗彎試驗結果

由表2可知，纖維增強復合保溫墻板的極限荷載平均值為7634.9 N，跨中彎矩平均值為987.5 N·m，與不加玻璃纖維網(wǎng)格布的墻板［2］相比分別提高了14.98%和8.06%，因此，加入玻璃纖維網(wǎng)格布后明顯提高了墻板的承載能力，抗彎性能也得到明顯改善。

此外，本墻板自重為43 kg，抗彎極限荷載為7634.9 N，為墻板自重的17.8倍，參考JG/T 169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》的規(guī)定，非承重墻板的最小抗彎極限荷載不小于1.5倍的自重，因此，本復合墻板的抗彎極限荷載滿足要求。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制的荷載-撓度曲線如圖6所示。

圖6 抗彎試件的荷載-撓度曲線

由圖6可以看出，3個試件的荷載-撓度曲線的變化趨勢相似，大致可分為5個階段：（1）OA段：荷載與撓度接近于直線變化，隨著荷載增加，撓度增加的幅度不大，在此階段墻板表面無顯著變化，近似處于彈性階段；（2）AB段：當加載到A點，即3個試件分別達到各自極限荷載的72%、75%、77%時，撓度增加幅度變大，曲線斜率逐漸減小，開始出現(xiàn)明顯塑性變形；加載過A點不久，荷載分別達到極限荷載的75%、78%、80%時，墻板的下表面開始出現(xiàn)細小裂縫；（3）BC段：加載到B點，即荷載達到各自極限荷載的92%、90%、96%時，曲線突然下降，墻板承載能力開始降低，降至C點后，墻板下側的防水砂漿層已經(jīng)開裂，此時荷載為極限荷載的75%、73%、78%；（4）CD段：此階段曲線又呈現(xiàn)上升的趨勢，說明防水砂漿層與保溫砂漿層之間的玻璃纖維網(wǎng)格布承受拉力，墻板承載能力有所回升，但復合墻板的抗彎剛度仍繼續(xù)降低，撓度顯著增大；（5）DE段：到峰值D點后，曲線開始再次下降，此時纖維網(wǎng)開始屈服，最后可以聽到墻板內(nèi)傳來噼啪聲，表明玻璃纖維網(wǎng)格布被拉斷，但沒有觀察到其與砂漿層剝離的現(xiàn)象，仍可以和墻板共同工作，到達E點后，墻板已經(jīng)完全破壞，不能再承受荷載，裂縫貫通（見圖7）。峰值D點荷載即為墻板的極限荷載，對應此時的跨中撓度分別為10.21、10.39、8.26 mm，分別為極限撓度的56%、51%、44%?？傮w來看，玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合墻板在水平均布荷載作用下的破壞機理類似于適筋梁的抗彎破壞。

圖7 復合墻板試件抗彎破壞

3.3 復合墻板等效抗彎剛度的計算

當復合墻板作為一般建筑物的外墻時，需考慮風荷載和地震作用的影響。由于墻板由多種材料復合而成，需要計算等效抗彎剛度［6-7］：

式中：f——跨中撓度，取跨中極限撓度平均值9.62 mm；

q——等效線荷載，6.53 N/mm，等效為P/l0，P為極限荷載平均值，取7634.9 N；

l0——計算跨度，1100 mm；

EI——等效抗彎剛度，N·mm2。

根據(jù)式（1）求得本復合墻板的等效抗彎剛度EI=1.36×1010N·mm2。

由試驗結果可知，墻板沿長度方向的開裂彎矩M0=M/b= 2.47 kN·m，其中M為跨中彎矩平均值987.5 N·m，b為墻板的寬度400 mm。當墻板作為外墻時，假設建筑物層高為3.3 m，每層墻板的上下端與主體結構鉸接，則根據(jù)公式M0=ql2/8可得到玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合墻板所能承擔的最大平均風荷載q為1.81 kN/m2。以長春地區(qū)高度小于30 m的建筑物為例，查GB 50009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》，基本風壓ω0取0.55 kN/m2，風振系數(shù)βz取1.0，風荷載體型系數(shù)μs取0.8，風壓高度變化系數(shù)μz取1.39，可得風荷載標準值ωk=0.61 kN/m2，遠小于墻板可承擔的最大風荷載，因此，本玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合墻板具有足夠的抗風荷載能力。

4 玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的抗壓性能

4.1 試件及試驗設備

制作3塊墻板試件，其尺寸與抗彎試驗的相同，編號分別為Z1、Z2、Z3。試驗時，使用YAW-2000型電液伺服壓力機對墻板進行軸向加載。試件在壓力機上進行幾何對中后，開始對其進行預加載。試驗采用單調(diào)豎向加載法，以每級荷載20 kN加載，每一級荷載加載完畢，維持5 min左右，然后進行下一級加載，直到試件破壞。

4.2 試驗結果及分析

軸向抗壓試驗測得的極限荷載及墻板中部側向變形如表3所示。試件及加載破壞情況如圖8所示。

表3 抗壓極限荷載及跨中極限變形

圖8 墻板軸壓破壞照片

由表3和圖8可知：該墻板的抗壓極限荷載平均值為180.2 kN；極限變形平均值為4.59 mm。試驗過程中，當3個試件所施加荷載分別達到極限荷載的65%、58%、63%時，墻板的底部和頂部首先出現(xiàn)寬度0.05 mm左右、長度為30～50 mm的裂縫，此時，變形分別達到2.01、1.78、2.28 mm；隨著荷載的增加，墻體的側面也相繼出現(xiàn)少量的斜向裂縫。伴隨荷載的不斷加大，裂縫逐漸發(fā)展，并沿著墻板的寬度方向延伸。當分別達到極限荷載的80%、68%、75%時，側面的橫向裂縫基本貫通，試件的跨中側向變形顯著增加，最大可達4～5 mm。直至達到極限荷載時，水泥砂漿層和保溫砂漿層之間的粘結力基本喪失，墻板表面出現(xiàn)通縫，此時墻板破壞。

4.3 墻板的抗壓強度

根據(jù)JG/T 169—2005，非承重墻板的抗壓強度計算公式為：

式中：R——抗壓強度，MPa；

P——軸向壓力，取極限荷載平均值180.2 kN；

l——受壓面長度，mm；

b——受壓面寬度，mm。

根據(jù)式（2）求得本復合墻板的抗壓強度R=4.29 MPa，符合JG/T 169—2005中非承重墻板的抗壓強度不小于3.5 MPa的要求。

5 結語

（1）復合保溫墻板中保溫砂漿的導熱系數(shù)平均值為0.1447 W/（m·K），符合GB 50176—93標準要求。

（2）在均布荷載作用下，復合墻板能承受的極限荷載為

7634.9 N，跨中最大撓度平均值為18.92 mm；軸壓試驗中，該復合墻板的抗壓極限荷載平均值為180.2 kN；極限變形平均值為4.59 mm。

（3）復合墻板在橫向荷載作用下，荷載-撓度曲線呈現(xiàn)明顯的5個階段，當荷載達到極限荷載的70%之前，一直近似處于彈性階段；當荷載達到極限荷載的75%左右時，開始進入彈塑性階段，接近極限荷載的80%時，墻板出現(xiàn)裂縫；達到極限荷載的90%以上時，墻板的防水砂漿層完全開裂，直至達到極限荷載，玻纖網(wǎng)被拉斷，墻板完全破壞。通過試驗可以看出，玻璃纖維網(wǎng)格布可以與墻板很好地共同承受荷載，從而改善墻板的脆性。

（4）玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的等效抗彎剛度為1.36×1010N·mm2，所能承擔的最大平均風荷載為1.81 kN/m2，符合GB 50009—2012中的抗風壓要求。此外，本墻板抗彎極限荷載為自重的17.8倍，符合JG/T 169—2005中非承重墻板最小抗彎極限荷載不小于1.5倍自重的規(guī)定。

（5）玻璃纖維網(wǎng)格布增強復合保溫墻板的抗壓強度為4.29 MPa，符合JG/T 169—2005規(guī)定的非承重墻板抗壓強度要求。墻板在橫向受彎和軸向荷載的作用下均表現(xiàn)出良好的力學性能。

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Study on insulation and mechanical properties of the composite insulation wallboard reinforced by fiberglass mesh

FENG Lei1，F(xiàn)ENG Ye2，WANg Qinghua1
（1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130061，China；2.Liaoning Province Petroleum-Chemical Industry Planning & Designing Institute Co. Ltd.，Shenyang 110000，China）

Abstract：The glass fiber mesh-reinforced composite insulation wallboard was conducted with bending and compression properties experimental studies，and its deformation and damage characteristics and ultimate flexural，compressive bearing capacity were obtained；In addition，wallboard insulation properties were tested. Studies have shown that：thermal insulation properties of the wall board were in line with GB 50176—93 "Code for thermal design of civil building"，wallboard has good mechanical properties in the lateral bending and axial load effect，compared to the wallboard with and without fiber mesh，average ultimate load of wallboard increased 14.98%，and the mean value of greatest moment suffered by the middle of span improved 8.06%，the compressive strength of wallboard was 4.29 MPa，in line with the compressive strength requirements of non-load-bearing wallboard as specified in standard JG/T 169—2005 "Light board for building partition wall".

Key words：fiberglass mesh，composite insulation wallboard，insulation property，bending property，compressive property

中圖分類號：TU52

文獻標識碼：A

文章編號：1001-702X（2016）03-0073-04

基金項目：吉林省科技發(fā)展計劃項目（20130206064NY）

收稿日期：2015-10-23；

修訂日期：2015-12-04

作者簡介：封雷，男，1992年生，河南南陽人，碩士研究生。