裝配式活動房復(fù)合夾芯保溫墻板綜述

徐瀏清 王立彬 蔣凱迪 李鐸 汪昕

摘 要：裝配式活動房屋已逐漸成為日常建筑生活中的必備設(shè)施之一。作為活動房主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)的復(fù)合夾芯板，其各項(xiàng)性能均對活動房屋的性能指標(biāo)產(chǎn)生影響。常見的三明治型復(fù)合夾芯板性能又主要由組成結(jié)構(gòu)的面層以及芯層材料決定。本文主要介紹了裝配式活動房復(fù)合夾芯板，以及市面上常用的的面層材料、芯層材料。

關(guān)鍵詞：夾芯板; 面層材料; 芯層材料; 活動房; 裝配式

中圖分類號：TU323.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）12-069-003

活動房，是指組裝拆卸簡單、方便、快速、能夠重復(fù)使用并且便于運(yùn)輸?shù)姆莻鹘y(tǒng)建筑?；顒臃孔钤缬诙兰o(jì)四十年代出現(xiàn)，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)在歐美等國家已經(jīng)具有了較高的行業(yè)集中度。在我國，隨著當(dāng)今城市化的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)活動房屋已經(jīng)成為建設(shè)工地上必備的建筑設(shè)施之一。僅在2017年，從事活動房相關(guān)產(chǎn)業(yè)人員就已接近27萬，相關(guān)營業(yè)收入超150億，與前三年相比，年均增長率已達(dá)到15%[1]。此外，活動房屋具有便于運(yùn)輸、拆裝便捷等特點(diǎn)。自然災(zāi)害發(fā)生之后，活動房屋能夠快速搭建，為幸存者提供臨時(shí)避難場所，恢復(fù)正常生活狀態(tài)[2]。因此，基于以上原因，活動房在我國的應(yīng)用需求和產(chǎn)業(yè)前景十分廣闊。本文主要對裝配式活動房使用的復(fù)合夾芯墻板、面層材料以及芯層材料進(jìn)行綜述。

1.面層材料

目前市面上應(yīng)用最廣泛的面層材料是彩涂鋼板、鋁板、FRP板及其他板材。通常來說，由于面層材料需要長時(shí)間暴露在自然環(huán)境中，因此除滿足夾芯板正常力學(xué)性能的同時(shí)需要具有一定的耐腐蝕性能。表1為復(fù)合夾芯板常見面層材料性能特點(diǎn)。

1.1彩涂鋼板

鋼材作為最為常用面層材料，具有出色的力學(xué)性能（200MPa～550MPa屈服強(qiáng)度，300MPa～560MPa極限抗拉強(qiáng)度，210GPa彈性模量），同時(shí)由于易工業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)使得價(jià)格低廉，因此適宜作為復(fù)合夾芯板的面層材料[3]。但因其自身材料特性，沒有經(jīng)過表面防腐處理的鋼板在大氣潮濕環(huán)境中容易發(fā)生腐蝕生銹[4]。因此，有必要采用熱浸鍍鋅處理以及噴涂有機(jī)涂層對鋼板進(jìn)行防腐加工，加工后的彩涂鋼板才能被用于制作夾芯板。這些處理措施能夠有效減緩雨水對面層鋼板的侵蝕作用，同時(shí)彩色涂層對鋼板起到美化作用。通常情況下，鋼板的表面處理也并非只有一兩種，具體處理措施需要根據(jù)使用地具體的氣候環(huán)境來達(dá)到預(yù)期既定的防腐效果。我國現(xiàn)行的《金屬面絕熱夾芯板技術(shù)規(guī)程》[5]和《建筑用金屬面絕熱夾芯板》[6]中規(guī)定，鋼材面板厚度不得小于0.5mm。

1.2鋁板

對于有特殊衛(wèi)生或者耐腐蝕要求的環(huán)境一般采用鋁材面層板[7]。通常來說，鋁錳合金板的屈服強(qiáng)度不高于200MPa，抗拉強(qiáng)度為200MPa～250MPa，其彈性模量大約70GPa，僅為鋼材的1/3，鋁材面板密度同樣為鋼材面板的1/3。在一般的海洋環(huán)境和城市環(huán)境中，鋁的表面不需要涂上鍍鋅鋼等有機(jī)層，其本身的表面可以自發(fā)形成一層氧化膜，能夠防止PH值在5到8之間的潮濕腐蝕[8]。但當(dāng)腐蝕環(huán)境PH值超過8時(shí)，鋁的表面也需要涂上有機(jī)涂層，以防止腐蝕發(fā)生。通常使用的鋁板出于美觀的要求，具有不同的顏色。我國CECS規(guī)程[6]中規(guī)定鋁板厚度最小為0.7mm。因此市場上鋁面夾芯板面層厚度一般為0.7mm～1.2mm。

1.3? FRP面層板

FRP是由連續(xù)/短切纖維通過混合一定的樹脂，經(jīng)過一系列的成型工藝而成的的結(jié)構(gòu)材料。FRP面層板具有輕重量，高強(qiáng)度，耐腐蝕的特點(diǎn)，在保持強(qiáng)度不變的前提下，結(jié)構(gòu)自重可以大大減輕[9]。此外，它們還具有良好的透波性和可設(shè)計(jì)能力[10]。然而，由于其價(jià)格昂貴，目前FRP材料在航空航天和高速鐵路領(lǐng)域中應(yīng)用較多。根據(jù)具體使用纖維原材料不同，F(xiàn)RP可細(xì)分為GFRP（玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）、CFRP（Glass Fiber Reinforced Polymer，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）、BFRP（玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）等。土木工程領(lǐng)域中常用的為GFRP以及BFRP纖維增強(qiáng)復(fù)合材料面板。目前國內(nèi)外均有生產(chǎn)廠家生產(chǎn)GFRP復(fù)合夾芯板，這種夾芯板不僅可以應(yīng)用于墻板，屋面板等建筑區(qū)域，也可應(yīng)用于冷凍保溫車廂、軍隊(duì)營房、活動板房等[11]。作為我國重點(diǎn)發(fā)展四大纖維之一的玄武巖纖維，進(jìn)過幾十年的快速發(fā)展，已經(jīng)具備了工業(yè)化連續(xù)生產(chǎn)工藝。而我國又有著豐富的玄武巖礦產(chǎn)資源，并且玄武巖纖維具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕性能，在制備過程中無有害氣體排放，因此玄武巖纖維有著較為廣闊的發(fā)展前景。通過真空袋輔助成型方法，可以將BFRP短切原絲氈以及BFRP單、多軸向纖維布制成BFRP板，具體制備流程如圖1所示。

1.4其他類型面板

不銹鋼或銅同樣可以作為高質(zhì)量和免維護(hù)的面板原材料，這些面板也具有優(yōu)異的耐腐蝕性。上世紀(jì)七八十年代，國外大力發(fā)展歐松板，歐松板為采用木材刨片通過干燥、加膠、定向鋪設(shè)以及熱壓而成的定向纖維板。這種板材除了具有可回收利用，健康環(huán)保的特點(diǎn)以外，其結(jié)構(gòu)性能同樣十分優(yōu)良。與此同時(shí)，歐松板獨(dú)特的紋理能夠增加它的美感。在我國，秸稈等農(nóng)作物采用熱壓工藝被制成秸稈板，具有保溫能力強(qiáng)、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，尤其適宜應(yīng)用墻板結(jié)構(gòu)。

2.芯層材料

作為夾芯板的重要組成部分，從結(jié)構(gòu)角度而言，芯層材料需要有足夠的剪切剛度來承受大部分剪力荷載以及支撐面層材料。硬質(zhì)泡沫材料或無機(jī)纖維材料通常被選擇作為芯層材料。對于硬質(zhì)泡沫材料而言，芯層材料的力學(xué)性能通常與它們自身的密度有關(guān)。但無機(jī)纖維材料的力學(xué)性能不僅與其自身的密度有關(guān)，而且還受到生產(chǎn)方法和纖維方向的影響。一般來說，芯層材料需要滿足具體使用中的高保溫、耐濕、防火、隔音等需要。表2為常用建筑復(fù)合夾芯板芯層材料性能表。

2.1 XPS擠塑聚苯乙烯

XPS擠塑聚苯乙烯為聚苯乙烯樹脂與催化劑混合加熱后通過擠塑壓出成型，為具有高密度、硬度高，閉孔結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)的泡沫塑料[12]。正是由于XPS其獨(dú)特的生產(chǎn)方式，絕大多數(shù)產(chǎn)品為板材結(jié)構(gòu)，無法像PU聚氨酯等材料自然發(fā)泡成型，限制了其應(yīng)用場景。與EPS材料相比，XPS抗壓強(qiáng)度更高，也是目前建筑工程領(lǐng)域中力學(xué)性能最優(yōu)異的硬質(zhì)泡沐材料之一，究其原因，XPS內(nèi)部結(jié)構(gòu)為致密的細(xì)微蜂窩狀。但由于同屬于泡沫塑料，雖然其阻燃性優(yōu)于EPS材料，但在生產(chǎn)過程中也需要無機(jī)阻燃劑的加入來延緩泡沫燃燒過程。因此，只有經(jīng)阻燃劑添加達(dá)到B1級難燃防火等級的XPS芯材才能被應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域。

2.2 PU聚氨酯

異氰酸酯和羥基化合物在室溫下通過熱固性泡沫塑料聚合發(fā)泡膨脹混合，根據(jù)其硬度可分為軟、硬兩類，根據(jù)其開口可分為開、閉孔結(jié)構(gòu)。對于閉孔結(jié)構(gòu)PU而言，主要有三大優(yōu)點(diǎn)。其一，由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)構(gòu)造，低于普通空氣導(dǎo)熱系數(shù)的氣體填充了泡沫的孔隙，氣體無法正常流動，熱對流現(xiàn)象因此受到阻礙。宏觀表現(xiàn)為整體材料導(dǎo)熱系數(shù)低，僅為0.02W/（m·k），在硬質(zhì)泡沫塑料中最低。其二，PU材料的阻燃性優(yōu)良，在不添加阻燃劑的情況下也不會發(fā)生燃燒。相比于EPS與XPS材料，PU聚氨酯在達(dá)到120℃后仍具有較好的熱穩(wěn)定性，只有當(dāng)溫度到達(dá)300℃后才會燃燒。第三，由于PU采用發(fā)泡成型工藝，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠、現(xiàn)場兩地生產(chǎn)[13]。工廠生產(chǎn)可以作為預(yù)制產(chǎn)品現(xiàn)場直接使用;現(xiàn)場發(fā)泡則可以自由生成不同形狀的構(gòu)件。但與一般材料相比，PU價(jià)格稍高，因此多用于軍事用途如軍用營房等，民用、商用較少。

2.3 巖棉

巖棉是一種人造無機(jī)纖維板材，主要原料為玄武巖等天然礦石，經(jīng)高溫熔融成纖維，加入粘結(jié)劑后固化而成[14]。無機(jī)纖維板材最顯著的特點(diǎn)是其耐高溫和耐濕。其本身是不燃的，只有在高溫下才會發(fā)生融化。正因如此，考慮到其優(yōu)良的耐火性，無機(jī)纖維板材主要用于在房屋建筑中設(shè)置防火帶。與泡沫材料相比，無機(jī)纖維板的開孔結(jié)構(gòu)更多，降低了其保溫性能的同時(shí)也易于吸水。通過添加劑可以改善其吸水性能，但開孔結(jié)構(gòu)具有良好的隔音性能。同時(shí)，巖棉還具有良好的耐久性和化學(xué)穩(wěn)定性。巖棉的力學(xué)性能不僅受到自身密度的影響，而且與內(nèi)部纖維具體排列方向有關(guān)。由于巖棉板由連續(xù)長絲纖維組成，纖維方向通常與巖棉板的方向平行。為了提高垂直纖維方向的拉壓性能，常沿纖維長度方向?qū)迩谐伤鑼挾鹊木匦伍L條，旋轉(zhuǎn)90°后粘結(jié)，使纖維方向與板的方向垂直。最后在與上下面板相連，復(fù)合形成夾芯板。

2.4 玻璃棉

玻璃棉板主要采用離心工藝制備，通過將玻璃熔融、離心、纖維化后通過添加樹脂固化而成。從纖維長度上看，玻璃棉中纖維較巖棉更長，其結(jié)構(gòu)蓬松交錯(cuò)，孔隙密集。通常用作天花板、隔音板等，用于減少噪聲[15]。然而，棉狀纖維通常很容易對人體的皮膚、呼吸道和其他器官造成損害。因此，將玻璃棉被用作保溫材料時(shí)，主要用做管道等不易接觸到的結(jié)構(gòu)。

2.5其他芯材

除以上常用芯材以外，酚醛泡沫材料，作為防火性能最優(yōu)異的泡沫材料，集隔音、隔熱、輕質(zhì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)于一身。在受到高溫灼燒時(shí)，酚醛泡沫材料表面被碳化進(jìn)而阻止燃燒的進(jìn)一步發(fā)生。目前主要應(yīng)用于花卉泥、絕熱以及防火三大方面。作為我國最輕的木材之一，泡桐木的氣干密度僅為250～300kg/m3，抗壓強(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)小并且燃點(diǎn)高達(dá)425℃，是較為理想的絕緣、保溫材料[16]。更為重要的是，泡桐木生長周期短，僅需3年即可成林，5年就可成材。但其在工程領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用一直受較低的強(qiáng)度所制約，因此將其作為芯層材料，與強(qiáng)度較高的面板材料復(fù)合，達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ)，有利于在泡桐木在工程應(yīng)用中的推廣。

3.復(fù)合夾芯墻板

在具體工程應(yīng)用中，復(fù)合夾芯墻板大體可以分為復(fù)合式墻板、部分復(fù)合式墻板以及獨(dú)立式墻板。

3.1復(fù)合式墻板

復(fù)合式墻板通常采用穿過保溫芯材的剪力鍵，將芯材兩側(cè)的面層材料連接起來。作為連接復(fù)合墻板內(nèi)面層與芯層的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，剪力鍵主要提供結(jié)構(gòu)的抗剪切能力，起到抵抗面皮間的層間剪切作用。進(jìn)而限制不同面層材料間的相對位移，使得夾芯板滿足平截面假定。在同等厚度情況下，復(fù)合式墻板與傳統(tǒng)墻板力學(xué)性能基本相同。

3.2部分復(fù)合式墻板

部分復(fù)合式墻板是將墻板沿長度方向進(jìn)行非連續(xù)性布置，并且在保溫芯材不連續(xù)處進(jìn)行處理，達(dá)到與兩側(cè)面層材料相互連接的目的。其中，保溫芯材的非連續(xù)區(qū)域通常布置在墻板的上下兩端，起到限制兩側(cè)墻體相對滑動的目的。在同等厚度情況下，部分復(fù)合式墻板的力學(xué)性能處于獨(dú)立式與復(fù)合式墻板之間。

3.3獨(dú)立式墻板

獨(dú)立式墻板中常使用柔性剪力鍵或粘結(jié)劑，兩側(cè)面層獨(dú)立承擔(dān)水平與豎向荷載。在同等厚度情況下，獨(dú)立式墻板的強(qiáng)度大致等于兩側(cè)面層材料的強(qiáng)度之和。由于其制作簡單，施工方便，因此受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛重視。2008年加拿大相關(guān)學(xué)者首次對應(yīng)用于維護(hù)結(jié)構(gòu)的CFRP-PU夾芯板彎曲性能進(jìn)行研究并與普通混凝土墻板進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在同等強(qiáng)度時(shí)，CFRP-PU夾芯板重量僅為普通混凝土墻板的1/14。徐樹信等[17]最早于2006年提出采用GFRP—XPS材料制成復(fù)合夾芯板，通過力學(xué)性能試驗(yàn)得出采用XPS芯材力學(xué)性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PU芯材。李鐸[10]研究了不同原材料、設(shè)計(jì)方式對BFRP面板影響，并將所得到的BFRP面板與各種芯材復(fù)合，研究不同加載方式下其抗彎性能，獲得同時(shí)能夠滿足使用、結(jié)構(gòu)以及耐久性能的夾芯結(jié)構(gòu)，為后續(xù)BFRP復(fù)合夾芯板具體應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

4.結(jié)論及發(fā)展趨勢

隨著裝配式活動房屋在我國的應(yīng)用愈加廣泛，有必要對起到主要支撐結(jié)構(gòu)的復(fù)合夾芯保溫墻板進(jìn)一步研究。兼具高耐久、保溫、隔熱、耐火、自傳感、自發(fā)熱以及結(jié)構(gòu)一體化等功能，將成為復(fù)合夾芯保溫墻板今后主要應(yīng)用推廣的方向。

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