方管增強型GFRP夾芯屋面板的傳熱性能

蘇 波, 陳家樂, 張 摶, 尹丹寧

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

方管增強型玻璃纖維(glass-fiber reinforced plastic, GFRP)夾芯板是以玻璃纖維及其制品為增強材料和基體材料,通過一定的成型工藝復(fù)合而成的一種材料,具有強度高、重量輕及耐久性好的特點[1],目前被廣泛應(yīng)用于航空航天、機械和化工等行業(yè).在土木工程領(lǐng)域,隨著復(fù)合材料技術(shù)的成熟,近幾年來增強型GFRP夾芯板已作為橋面板應(yīng)用于橋梁領(lǐng)域[2].增強型GFRP夾芯板結(jié)構(gòu)簡單,組裝方便,并具有較好的力學(xué)性能[3].此外,與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土板相比,GFRP夾芯板具有輕質(zhì)、高強和自防水等優(yōu)點[4],可作為裝配式結(jié)構(gòu),用于建筑屋面板,但其熱工性能應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求.為此，已有學(xué)者對復(fù)合材料夾芯板熱工性能進行了研究.R. T. SWANN等[5]建立了蜂窩夾心板等效導(dǎo)熱模型,提出了計算該類型夾芯板導(dǎo)熱系數(shù)的半經(jīng)驗公式.張銳等[6]提出一種復(fù)合材料熱傳導(dǎo)系數(shù)均勻化計算的方程,該方程可用以計算金屬蜂窩夾芯板的等效熱傳導(dǎo)系數(shù).鄭吉良等[7]建立了玻璃鋼蜂窩板流體與固體耦合傳熱平面模型,通過試驗和模擬研究了等腰梯形蜂窩芯玻璃鋼夾芯板的傳熱機制.上述夾芯板熱工性能的研究主要集中于航空航天領(lǐng)域,且主要針對蜂窩芯夾芯板,而對土木工程領(lǐng)域中常用的方管增強型GFRP夾芯板傳熱性能的研究尚未見報道.

為此,以夏熱冬冷地區(qū)為例,基于等效傳熱理論,分析方管增強型GFRP夾芯板的傳熱路徑,研究其傳熱系數(shù)計算方法和計算公式,并采用穩(wěn)態(tài)熱傳遞防護熱箱試驗,對無填充材料及填充工程中常用的玻璃棉、擠塑聚苯板和聚氨酯等3種材料的方管增強型夾芯板熱工性能進行試驗研究,最后在理論和試驗基礎(chǔ)上,對方管增強型GFRP夾芯板的熱工性能進行評價.

1 方管增強型GFRP夾芯板結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.1 構(gòu) 造

圖1為方管增強型GFRP夾芯保溫板構(gòu)造及截面尺寸.方管增強型GFRP夾芯板由上下面板、增強方管和保溫填充材料組成.間隔布置增強方管可有效提高夾芯板的抗剪切能力,降低結(jié)構(gòu)的撓度.夾層板截面整體厚度為70.0 mm,其中上下面板的厚度為4.0 mm,增強方管高62.0 mm,增強方管壁厚為4.0 mm.

圖1 方管增強型GFRP夾芯保溫板構(gòu)造及截面尺寸

考慮試驗室IMWT-1515型智能穩(wěn)態(tài)熱傳遞測定系統(tǒng)的洞口尺寸,方管增強型GFRP夾芯板的平板尺寸設(shè)計為1 500 mm×1 500 mm×70 mm.圖2為制作過程中及完成后的方管增強型GFRP夾芯板.其面板及支撐管材料密度為1 950 kg·m-3,材料均由河北科力集團有限公司提供.

圖2 制作完成前后的夾芯板試件

1.2 填充材料

選取3種工程中常見的保溫材料(玻璃棉、擠塑聚苯乙烯和聚氨酯),作為方管增強型GFRP夾芯板的填充材料.3種材料均由鎮(zhèn)江智輝保溫材料有限公司提供.圖3為填充保溫材料照片.填充材料相關(guān)物理性能見表1.

圖3 填充保溫材料照片

表1 填充保溫材料性能表

填充材料吸水率/%密度/(kg·m-3)導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)玻璃棉≤180≤0.048擠塑聚苯乙烯≤138≤0.028聚氨酯≤332≤0.024

2 方管增強型GPRP夾芯板傳熱理論

方管增強型GFRP夾芯板的傳熱主要有3種路徑:路徑1為面板-方管側(cè)壁-面板;路徑2為面板-方管上壁-填充材料-方管下壁-面板;路徑3為面板-填充材料-面板.圖4為方管增強型夾芯板3種傳熱路徑示意圖.圖中h1為上、下面板厚度;h2為方管上、下壁厚度;h3為方管內(nèi)部凈高.

圖4 方管增強型夾芯板3種傳熱路徑示意圖

根據(jù)熱傳導(dǎo)的疊加原理,可計算出方管增強型GPRP夾芯板在上述3種路徑下的熱阻,再算出夾芯板的總熱阻,進一步得到其熱阻系數(shù).

假定3種傳熱路徑的等效熱阻分別為R1,R2和R3.根據(jù)熱傳導(dǎo)的疊加原理,假設(shè)GFRP夾芯板的等效熱阻為

R=γ1R1+γ2R2+γ3R3,

(1)

式中:γ1,γ2和γ3分別為3種傳熱路徑下的體積與整塊夾芯板體積的比值.

根據(jù)傳熱學(xué)經(jīng)典公式[8],熱阻為

(2)

式中:Ri為傳熱路徑i的熱阻;hi為傳熱路徑i的材料厚度;λi為傳熱路徑i的材料導(dǎo)熱系數(shù)；i為傳熱路徑，i=1,2,3.

路徑1的熱阻為

(3)

式中:λg為GFRP導(dǎo)熱系數(shù).

路徑2的熱阻為

(4)

式中:λc為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù).

路徑3的熱阻為

(5)

為此,填充保溫材料的方管增強夾芯板熱阻可寫為

(6)

根據(jù)熱阻與傳熱系數(shù)之間的關(guān)系,夾芯板的傳熱系數(shù)[8]為

(7)

根據(jù)式(6)和(7),當(dāng)填充材料采用玻璃棉、擠塑聚苯板和聚氨酯泡沫板時,方管增強型GFRP夾芯板的理論傳熱系數(shù)分別為0.641 0,0.468 8和0.396 3 W·m-2·K-1.

3 試驗研究

3.1 試驗裝置及原理

試驗裝置為IMWT-1515型智能穩(wěn)態(tài)熱傳遞測定系統(tǒng),由貝英爾(天津)測控設(shè)備有限公司生產(chǎn).該系統(tǒng)主要由試件架、冷箱、熱箱、采集系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)等組成(見圖5).

圖5 智能穩(wěn)態(tài)熱傳遞測定系統(tǒng)

冷箱的溫度控制范圍為環(huán)境溫度至-20 ℃,熱箱溫度控制范圍為環(huán)境溫度至50 ℃.根據(jù)GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的要求,冷熱箱溫度差應(yīng)為40 ℃,試驗設(shè)定冷箱溫度為-10 ℃,熱箱溫度為30 ℃.

依據(jù)GB/T 13475—2008《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測定標(biāo)定和防護熱箱法》,試驗采用穩(wěn)態(tài)熱傳遞防護熱箱法.計算公式為

q=kΔt/d,

(8)

式中:q為單位時間內(nèi)通過夾芯板的熱流密度;Δt為平板兩側(cè)溫差;k為平板的導(dǎo)熱率;d為平板的厚度.

根據(jù)式(8),在已知平板兩側(cè)的溫差和厚度的情況下,通過檢測平板的熱流密度可以計算出平板的導(dǎo)熱率 .

3.2 試驗方法

試驗構(gòu)件被安放于試件架上,試件尺寸均為1.5 m×1.5 m,構(gòu)件與試件架之間的縫隙通過發(fā)泡聚氨酯填充.在完成構(gòu)件安裝后,關(guān)閉箱體,打開儀器進行試驗.試驗分成預(yù)熱階段和平衡階段.當(dāng)系統(tǒng)輸出功率達到平衡后,儀器進行數(shù)據(jù)采集,并輸出構(gòu)件的傳熱系數(shù).

由于裝置自帶溫度檢測探頭,因此本試驗無需外接溫度傳感器,僅需用鋁箔將箱內(nèi)自帶的溫度傳感探頭粘于板體表面,儀器每個箱體內(nèi)有10個傳感器探頭,3個用以檢測箱體內(nèi)溫度,其余7個用于檢測構(gòu)件表面不同位置的溫度變化.

試件表面測點布置如圖6所示.其中測點2和4用于監(jiān)測增強方管邊緣,即容易產(chǎn)生熱橋效應(yīng)處的溫度變化;測點3和7用于監(jiān)測增強方管中部溫度變化;測點1,5和6用于監(jiān)測其他空腔位置溫度變化.圖6b為完成測點布置的構(gòu)件情況.

圖6 試件表面測點布置

3.3 試驗結(jié)果

通過試驗得到4種工況下的傳熱系數(shù),如表2所示.

表2 4種工況下的傳熱系數(shù)

根據(jù)GB 50189—2015的相關(guān)要求,夏熱冬冷地區(qū)屋面的傳熱系數(shù)應(yīng)小于等于0.7 W·m-2·K-1.因此,對于工況1,無填充的GFRP夾芯板不滿足規(guī)范要求,填充3種保溫材料的GFRP夾芯板滿足規(guī)范要求,可在夏熱冬冷地區(qū)作為屋面板使用.

圖7為不同工況下GFRP夾芯保溫板溫度-時間曲線.圖7中點t1,t2,t3和t4分別代表不同工況下冷、熱箱內(nèi)溫度達到穩(wěn)定時的溫度.工況1,2,3和4條件下,熱箱內(nèi)溫度達到穩(wěn)定的時間分別為321.63,238.51,190.52和179.03 min,冷箱內(nèi)溫度達到穩(wěn)定的時間分別為308.67,229.4,192.71和158.79 min.可見,工況4的冷、熱箱內(nèi)溫度較其余3種工況更容易達到穩(wěn)定,且溫度-時間曲線更為平緩,未產(chǎn)生大幅度波動.因此,工況4的試件(填充聚氨酯)較其余3種工況的試件熱穩(wěn)定性更好.

圖7 不同工況下的溫度-時間曲線

4 試驗結(jié)果分析

4.1 理論值與試驗值的對比

根據(jù)方管增強型GFRP夾芯板傳熱系數(shù)的理論值與試驗值,可以計算出其相對誤差.相對誤差計算公式為

(9)

式中:E為相對誤差;Kc為理論傳熱系數(shù);Ke為試驗得到的傳熱系數(shù).結(jié)果見表3.

表3 傳熱系數(shù)的理論值與試驗值對比

由表3可知:對于有填充材料的夾芯板,當(dāng)填充物為擠塑聚苯板和聚氨酯時,理論值與試驗值相對誤差分別為0.47%和4.87%,吻合度較高;填充物為玻璃棉時,相對誤差為9.05%,誤差較大.由于玻璃棉內(nèi)部纖維蓬松交錯,導(dǎo)致此種結(jié)構(gòu)具有可壓縮性[9],在試件制作時,由于玻璃棉可以擠壓,導(dǎo)致實際填充進去的玻璃棉比理論計算的要多,明顯提升了材料熱阻.因此,誤差產(chǎn)生的原因與玻璃棉的材料性質(zhì)有關(guān),試件制作中應(yīng)對填充材料密實度進行有效控制.

4.2 熱橋效應(yīng)分析

由于圍護結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點,一些部位的傳熱系數(shù)比相鄰部位大得多,這種情況產(chǎn)生的熱傳遞物理效應(yīng)被稱為熱橋效應(yīng)[10].在圍護結(jié)構(gòu)中,熱橋效應(yīng)是一種十分常見的現(xiàn)象,常出現(xiàn)于預(yù)制保溫板的肋條、夾心保溫墻的拉結(jié)件等構(gòu)造部位.

為了研究方管增強型GFRP夾芯板的表面溫度分布狀況,選取熱平衡階段冷、熱箱內(nèi)試件表面各測點的溫度曲線進行分析,如圖8所示.

圖8 熱平衡階段不同測點的溫度變化曲線

由圖8可知:測點2和4溫度損失要高于其他點,即在方管邊緣處存在明顯熱橋效應(yīng);無填充材料的工況1時,熱橋效應(yīng)比較明顯;工況2和3時,由于夾芯板存在填充保溫材料,熱橋效應(yīng)得到改善;采用聚氨酯作為填充保溫材料的工況4時,熱橋效應(yīng)最低.

5 結(jié) 論

1) 根據(jù)對傳熱理論和傳熱路徑的分析,有填充材料的方管增強型GFRP夾芯板傳熱系數(shù)的計算值與試驗值較為吻合,可用于工程上類似結(jié)構(gòu)的傳熱分析.

2) 試驗結(jié)果表明:所研究的無任何填充材料的方管增強型GFRP夾芯板的傳熱系數(shù)為1.372 W·m-2·K-1,不符合GB 50189—2015對夏熱冬冷地區(qū)屋面的熱工性能要求;填充3種材料(玻璃棉、擠塑聚苯板、聚氨酯)的GFRP夾芯板均符合GB 50189—2015對夏熱冬冷地區(qū)屋面熱工性能要求，其傳熱系數(shù)分別為0.553,0.471和0.377 W·m-2·K-1.

3) 根據(jù)試驗結(jié)果,方管增強型GFRP夾芯保溫板均存在一定的熱橋效應(yīng),其中以聚氨酯為填充材料的GFRP夾芯保溫板熱橋效應(yīng)最小,更適合用于建筑屋面板.