新型聚氨酯夾芯板墻體材料剪切試驗(yàn)*

黃志強(qiáng)， 王晏靈， 施 維， 江荷曲

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110870)

近些年來(lái)，隨著居民生活水平的提高和改善，人們對(duì)建筑的要求越來(lái)越高.中國(guó)的墻體建材產(chǎn)業(yè)逐步邁上前進(jìn)的步伐，從最初的基于塊板的墻體材料系統(tǒng)，如砼空心砌塊、紙質(zhì)石膏板、纖維水泥夾芯板等到目前各種保溫、防火的墻體材料.然而，目前市場(chǎng)墻壁材料的各類(lèi)輕質(zhì)板和復(fù)合板的比例仍然較小，不足總墻壁建材的1%，和其他國(guó)家比較仍有較大的距離[1].重夾芯板是一種集承重、防水、保溫、輕質(zhì)、耐用性能好且可以重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)的一種新型板材，其優(yōu)良性能取決于兩個(gè)金屬面層與硬質(zhì)泡沫芯層共同工作的組合構(gòu)件[2].聚氨酯硬泡體是一種具有保溫與防水功能的新型合成材料，其導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為0.022～0.033 W/(m·Κ)，相當(dāng)于擠塑板的一半，為目前所有保溫材料中導(dǎo)熱系數(shù)最低，它是一種較好的保溫、防水建筑物外墻體材料.而水泥纖維板在添加了纖維之后可以更為有效地提高其延性和韌性并且提高了水泥基體系強(qiáng)度，從而能更好地解決載荷作用引起的變形或開(kāi)裂[3-4].國(guó)外目前已經(jīng)研究出了超高韌性水泥基復(fù)合材料，這更加體現(xiàn)了水泥基復(fù)合材料的可行性[5-7].氯氧鎂水泥是一種輕質(zhì)建筑材料，其優(yōu)點(diǎn)為保溫隔熱、防護(hù)防潮，并且玻鎂板(即氯氧鎂水泥板)具有良好的延性[8].因此，本文采用以上三種材料設(shè)計(jì)了一種新型的墻體材料，為了促進(jìn)該材料在工程中的應(yīng)用，需要對(duì)其剪切性能進(jìn)行研究，為實(shí)際中的工程應(yīng)用提供一定參考.雙面剪切試驗(yàn)可以保證試件橫截面上的應(yīng)力和應(yīng)變分布相對(duì)較均勻，是鑒別復(fù)合材料并表征其獨(dú)特力學(xué)性能的最直接、最客觀、最有效的試驗(yàn)方法[9-11].

1 雙面剪切試驗(yàn)

1.1 試件制作

聚氨酯發(fā)泡外墻是由水泥纖維板、聚氨酯發(fā)泡、玻鎂板粘結(jié)組合而成的復(fù)合材料.從制作工藝及加載方式上分析，聚氨酯發(fā)泡外墻板受到剪切后，其潛在的破壞面主要有三個(gè)，即水泥纖維板與聚氨酯粘結(jié)面的破壞、玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)面的破壞和聚氨酯發(fā)泡破壞.在試件設(shè)計(jì)上，為了在試驗(yàn)中對(duì)三個(gè)潛在的破壞面進(jìn)行檢測(cè)，將四個(gè)斷面為85 mm×85 mm聚氨酯發(fā)泡外墻板豎向粘接在一起，形成有效尺寸為85 mm×85 mm×340 mm的長(zhǎng)方體試件.將試件編號(hào)為1～27.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方案

雙面剪切試驗(yàn)分為三組，分別對(duì)水泥纖維板與聚氨酯的粘結(jié)面、玻鎂板與聚氨酯的粘結(jié)面、聚氨酯本體進(jìn)行了剪切測(cè)試，試件數(shù)目為27件.試驗(yàn)過(guò)程如下：1)加載面的修正.用打磨機(jī)將加載面打磨平整，以防止加載時(shí)引起應(yīng)力集中.2)尺寸測(cè)量.采用游標(biāo)卡尺對(duì)試件的剪切面進(jìn)行測(cè)量.3)試件加載.將加載塊對(duì)準(zhǔn)欲剪切面進(jìn)行試加載，加載到0.05 kN，持載20 s后卸載，以調(diào)整試驗(yàn)機(jī)加載板平面，保證加載塊與試件受載面充分接觸，卸載60 s后，重新進(jìn)行加載，加載采用位移控制，將加載速度保持在0.1 mm/min，直至試件發(fā)生剪切破壞，記錄加載全過(guò)程的荷載和位移變化情況.

四個(gè)聚氨酯本體試塊由不同材料粘結(jié)而成.圖1為對(duì)第二個(gè)與第三個(gè)，第三個(gè)與第四個(gè)試塊的由水泥纖維板與聚氨酯粘結(jié)而成的粘結(jié)面進(jìn)行剪切破壞.圖2為對(duì)第一個(gè)與第二個(gè)，第二個(gè)與第三個(gè)試塊的由玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)而成的粘結(jié)面進(jìn)行剪切破壞.圖3為對(duì)第三個(gè)聚氨酯本體試塊進(jìn)行剪切破壞.

圖1 水泥纖維板與聚氨酯粘結(jié)面剪切破壞Fig.1 Shearing failure of bonding surface between cement fiberboard and polyurethane

圖2 玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)面剪切破壞Fig.2 Shearing failure of bonding surface between glass magnesium board and polyurethane

圖3 聚氨酯剪切破壞Fig.3 Shearing failure of polyurethane

2 試件破壞形態(tài)

水泥纖維板與聚氨酯粘結(jié)面隨著加載的進(jìn)行，沿著粘結(jié)面的剪切裂縫出現(xiàn)較早，隨著加載的持續(xù)進(jìn)行，裂縫破壞速度比較快，形成兩個(gè)平直剪切面，相鄰的聚氨酯壓縮變形較小，有的試件基本沒(méi)有變形.

玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)面隨著加載的進(jìn)行，主要有以下幾種情況：1)相鄰的聚氨酯首先發(fā)生局部壓縮變形，隨著聚氨酯變形的增大，引起聚氨酯與玻鎂板粘結(jié)面出現(xiàn)剪切裂縫，隨著加載的繼續(xù)，裂縫逐漸變寬，裂縫長(zhǎng)度增長(zhǎng)較慢；2)在部分試件中，聚氨酯變形持續(xù)增大，引起聚氨酯與水泥纖維板粘結(jié)面出現(xiàn)拉伸裂縫；3)當(dāng)聚氨酯變形達(dá)到約20～30 mm，或者聚氨酯與水泥纖維板粘結(jié)面出現(xiàn)較長(zhǎng)的拉伸裂縫時(shí)，視為試件發(fā)生失穩(wěn)破壞.

由于聚氨酯是由眾多細(xì)微泡沫黏合組成，聚氨酯剪切試件的剪切變形量較大，基本不會(huì)發(fā)生剪切破壞.試驗(yàn)過(guò)程以及破壞形態(tài)如圖4～5所示.

圖4 試驗(yàn)過(guò)程Fig.4 Experiment procedure

圖5 破壞形態(tài)Fig.5 Failure mode

3 試驗(yàn)結(jié)果及剪切曲線(xiàn)分析

水泥纖維板與聚氨酯粘結(jié)面破壞、聚氨酯發(fā)泡破壞、玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)面破壞等三種破壞面的代表性剪切曲線(xiàn)如圖6～8所示.

圖6 水泥纖維板與聚氨酯粘結(jié)面破壞Fig.6 Failure of bonding surface between cement fiberboard and polyurethane

圖7 聚氨酯發(fā)泡破壞Fig.7 Failure of polyurethane foam

圖8 玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)面破壞Fig.8 Failure of bonding surface between glass magnesium board and polyurethane

從剪切曲線(xiàn)來(lái)看，玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)面所承受的剪切荷載較大，產(chǎn)生的剪切變形較大，達(dá)到峰值后，其殘余變形很大.對(duì)于雙面剪切試驗(yàn)，其剪切強(qiáng)度計(jì)算公式為

(1)

水泥纖維板與聚氨酯粘結(jié)面發(fā)生破壞的試件編號(hào)為：1、15、17、4、20、23、24、25、26，這一組最終算得τb的平均值為0.085 MPa；玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)面發(fā)生破壞的試件編號(hào)為：10、11、12、13、18、19、21、22、27、2、3，這一組最終算得τb的平均值為0.111 MPa；聚氨酯發(fā)泡發(fā)生破壞的試件編號(hào)為：5、6、7、8、9、14、16，這一組最終算得τb的平均值為0.036 MPa.各個(gè)試件的具體數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 各個(gè)試件的試驗(yàn)指標(biāo)Tab.1 Test indexes of each specimen

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)面的剪切強(qiáng)度比水泥纖維板與聚氨酯粘結(jié)面的剪切強(qiáng)度平均大20%～30%，玻鎂板與聚氨酯粘結(jié)面的剪切極限位移比水泥纖維板與聚氨酯粘結(jié)面的剪切極限位移平均大40%～60%，顯示出玻鎂板與聚氨酯良好的抗剪粘結(jié)性能.

對(duì)于水泥纖維板與聚氨酯的粘結(jié)面、玻鎂板與聚氨酯的粘結(jié)面達(dá)到能承受的最大荷載時(shí)的平均位移分別為8.16、9.18 mm，即這兩個(gè)粘結(jié)面均不會(huì)產(chǎn)生脆性破壞.而在試驗(yàn)結(jié)果中很明顯有一些數(shù)據(jù)是需要舍去的，可能是由于粘結(jié)面粘得不均勻或者聚氨酯發(fā)泡的質(zhì)量不夠造成的.

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論：

1) 聚氨酯發(fā)泡外墻板的變形是三種材料的共同變形；聚氨酯發(fā)泡的變形制約著水泥纖維板和玻鎂板的變形，玻鎂板的變形要大于水泥纖維板的變形，聚氨酯發(fā)泡外墻板的延性主要由玻鎂板和聚氨酯共同提供；聚氨酯發(fā)泡變形量要大于水泥纖維板，當(dāng)變形量差達(dá)到一定值后，由于聚氨酯發(fā)泡變形過(guò)大，也可以導(dǎo)致粘結(jié)面破壞，而且這種破壞比較突然，破壞面比較平直.

2) 玻鎂板與聚氨酯的粘結(jié)性能要好于水泥纖維板與聚氨酯的粘結(jié)性能.當(dāng)水泥纖維板與聚氨酯發(fā)泡粘結(jié)面強(qiáng)度不足時(shí)，易發(fā)生二者粘結(jié)面斷裂破壞，破壞沿著粘結(jié)面發(fā)展；當(dāng)水泥纖維板與聚氨酯發(fā)泡粘結(jié)面強(qiáng)度較高時(shí)，破壞沿著粘結(jié)面發(fā)展，最終斷裂在聚氨酯發(fā)泡.

3) 提高水泥纖維板與聚氨酯發(fā)泡的粘結(jié)強(qiáng)度，可以提高聚氨酯發(fā)泡外墻板的整體抗剪強(qiáng)度，預(yù)計(jì)可提高15%～20%.可以通過(guò)改善聚氨酯發(fā)泡材料等手段達(dá)到提高聚氨酯發(fā)泡外墻板整體抗剪強(qiáng)度的目的.

4) 由于聚氨酯發(fā)泡延性較好，聚氨酯發(fā)泡外墻板在受到外力作用時(shí)，不易發(fā)生聚氨酯發(fā)泡破壞斷裂.試驗(yàn)中所發(fā)生的聚氨酯發(fā)泡均是由于聚氨酯發(fā)泡沒(méi)有做好造成的，如提高發(fā)泡質(zhì)量，可以避免這種破壞的產(chǎn)生.