4種結(jié)構(gòu)用熱斷橋材料基本力學(xué)與熱工性能試驗(yàn)*

龔 超 侯兆新 梁梓豪 吳兆旗 梁偉橋 方五軍

(1.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；2.中冶建筑研究總院(深圳)有限公司，廣東深圳 518055；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)土木與環(huán)境工程學(xué)院，廣東深圳 518055；4.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350108)

建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的一些部位，在室內(nèi)外溫差的作用下，形成熱流相對(duì)密集、內(nèi)表面溫度較低的區(qū)域。這些部位成為傳熱較多的橋梁，稱為熱橋。建筑結(jié)構(gòu)的熱橋會(huì)造成建筑物內(nèi)外熱量的傳遞，導(dǎo)致建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能的下降。因此可采取一定的措施來(lái)切斷熱橋(簡(jiǎn)稱“斷橋”)，減小建筑物內(nèi)外熱量傳遞[1-3]。

鋼結(jié)構(gòu)梁柱部位、節(jié)點(diǎn)部位、陽(yáng)臺(tái)雨棚挑梁部位等都極易形成熱橋[4]。目前國(guó)內(nèi)通常采用外墻外保溫的方式來(lái)解決熱橋問(wèn)題，然而目前常用的建筑外保溫做法普遍存在耐久性差、保溫層易脫落傷人、不能適應(yīng)建筑外立面變化等不足。因此，研究更為安全可靠的熱斷橋技術(shù)對(duì)節(jié)能建筑的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

文獻(xiàn)[5-7]研究了在外伸部分與室內(nèi)主體連接部位添加“熱斷橋連接”來(lái)減少或阻斷室內(nèi)外的熱量交換，從而達(dá)到建筑保溫的目的。文獻(xiàn)[8-10]提出用FRP筋來(lái)代替貫通室內(nèi)與陽(yáng)臺(tái)懸挑部分的鋼筋來(lái)減少熱量的傳遞。

國(guó)外許多公司推出了“熱斷橋連接”的商業(yè)產(chǎn)品，如Fabreeka、Armadillo、Schock、Farrat和Insula等公司的產(chǎn)品，而目前國(guó)內(nèi)關(guān)于“熱斷橋連接”研究尚處空白。熱斷橋材料的選擇是熱斷橋連接技術(shù)的核心，更是國(guó)外各企業(yè)的商業(yè)秘密，需要同時(shí)具有導(dǎo)熱系數(shù)低、受力性能好、價(jià)格低等特征。我國(guó)目前常用的建筑保溫材料如模塑聚苯乙烯板(EPS)、擠塑聚苯乙烯板(XPS)、改性聚氨酯板(PIR)、酚醛泡沫板(PF)等[11-12]有機(jī)保溫材料，玻化微珠、巖棉、玻璃棉板、發(fā)泡水泥板等[13-16]無(wú)機(jī)保溫材料雖然導(dǎo)熱系數(shù)較低且價(jià)格實(shí)惠，但是強(qiáng)度和彈性模量較低，不能滿足熱斷橋材料對(duì)力學(xué)性能的要求。

針對(duì)熱斷橋材料低導(dǎo)熱系數(shù)和高力學(xué)性能的要求，通過(guò)大量調(diào)研，篩選出以下4種復(fù)合材料作為備選材料：1)尼龍6(PA6)，成型加工簡(jiǎn)便，可用于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料；2)聚氯乙烯(PVC)，耐腐蝕、牢固耐用，全球使用量在各種合成材料中高居第二；3)FR-4是一種耐燃材料等級(jí)的代號(hào)，但是FR-4板材(FR4)一般指的是環(huán)氧樹脂與玻璃纖維的復(fù)合材料，有良好的機(jī)械加工性能和隔熱性能，成本低，加工便利；4)聚醚醚酮(PEEK)，有著耐高溫的物理特性，可與玻璃纖維或碳纖維復(fù)合制備增強(qiáng)材料，在工業(yè)領(lǐng)域有著大量的運(yùn)用。

對(duì)以上4種材料的試件進(jìn)行壓縮性能試驗(yàn)和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，分別設(shè)計(jì)制作40，12個(gè)試件，測(cè)試各材料的基本力學(xué)性能和熱工性能指標(biāo)，擬合材料受壓本構(gòu)模型，并分析4種材料作為熱斷橋材料的適應(yīng)性。

1 試驗(yàn)研究

對(duì)PA6、PVC、FR4和PEEK進(jìn)行抗壓性能試驗(yàn)和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)，以獲得材料的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)等基本力學(xué)性能和熱工性能指標(biāo)?？箟盒阅茉囼?yàn)按GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》[17]和GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》[18]進(jìn)行，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)按照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》[19]進(jìn)行。

1.1 試件規(guī)格

PA6、PVC、PEEK采用德國(guó)蓋爾公司的產(chǎn)品，F(xiàn)R4采用安徽依索拉公司的產(chǎn)品。其中，PA6和PEEK摻入30%玻璃纖維。材料規(guī)格型號(hào)如表1所示。

表1 材料規(guī)格Table 1 Material specifications

按照文獻(xiàn)[18]，抗壓性能試驗(yàn)中試件尺寸為30 mm×10 mm×10 mm；按照文獻(xiàn)[19]，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)中試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm。

1.2 抗壓性能試驗(yàn)

1.2.1試驗(yàn)過(guò)程

抗壓性能試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下進(jìn)行，所用試驗(yàn)儀器為萬(wàn)測(cè)504C-TS微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

抗壓性能試驗(yàn)為靜態(tài)試驗(yàn)，以2 mm/min恒定速率對(duì)試件進(jìn)行壓縮。由抗壓性能試驗(yàn)后對(duì)各試件破壞模式進(jìn)行對(duì)比可知，4種材料試件除FR4試件為脆性分層破壞外，其余3種材料的試件均為延性破壞，兩種破壞模式如圖1所示。

a—延性破壞；b—脆性分層破壞。圖1 試件破壞模式Fig.1 Failure modes of specimens

1.2.2試驗(yàn)結(jié)果

40個(gè)受壓試件的測(cè)試結(jié)果如表2及圖2所示。材料壓縮模量根據(jù)GB/T 1448—2005的規(guī)定計(jì)算，計(jì)算式如下：

表2 壓縮強(qiáng)度和壓縮彈性模量Table 2 Compressive strength and compressive moduli of elasticity

(1)

式中：Ec為壓縮彈性模量；σ0.0025為0.002 5應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力；σ0.0005為0.000 5應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

試件編號(hào)中間的30表示試件長(zhǎng)度為30 mm。

a—PA6；b—PVC；c—FR4；d—PEEK。圖2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves

1.3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)

導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)采用雙試件裝置方法，該方法的試驗(yàn)原理為在試件之間建立均勻的一維熱流密度，測(cè)量通過(guò)試件的熱流大小以及試件的溫度變化來(lái)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。采用沈陽(yáng)合興牌的智能化導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀DRCD-3030進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量，導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果Table 3 Measured thermal conductivity coefficients W/(m·K)

2 材料壓縮本構(gòu)關(guān)系

2.1 屈服點(diǎn)

馮鵬等提出了一種屈服點(diǎn)定義的簡(jiǎn)化方法：“最遠(yuǎn)點(diǎn)法”[20]，即曲線上距離原點(diǎn)和峰值點(diǎn)連線最遠(yuǎn)的點(diǎn)為屈服點(diǎn)，如圖3所示。鄭休寧等建議采用Coplan法來(lái)確定PVC-U管材的屈服點(diǎn)[21]，認(rèn)為Coplan法更接近ISO 527-1∶1993中對(duì)于屈服點(diǎn)的定義。Coplan法(圖4)規(guī)定，平行于原點(diǎn)與峰值點(diǎn)連線的直線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線相切，其切點(diǎn)為屈服點(diǎn)[22]?！白钸h(yuǎn)點(diǎn)法”跟Coplan法雖然表述不同，但是兩種方法所確定的屈服點(diǎn)基本相同。

圖3 確定構(gòu)件屈服強(qiáng)度的最遠(yuǎn)點(diǎn)法[20]Fig.3 The Farthest Point Method to determine the yield strength of members

圖4 Coplan法[22]Fig.4 The Coplan Method

試件編號(hào)中間的300表示試件長(zhǎng)度為300 mm。

PA6、PVC和PEEK為延性材料，按“最遠(yuǎn)點(diǎn)法”確定的各試件屈服點(diǎn)如表4所示。FR4屬于線彈性材料，不存在屈服點(diǎn)。

表4 測(cè)試得到的各試件材料屈服點(diǎn)Table 4 Tested yielding points of specimens

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合

(2)

式中:σ、ε分別為名義應(yīng)力和名義應(yīng)變；E為壓縮彈性模量；ε0為屈服應(yīng)變；εc為壓縮強(qiáng)度應(yīng)變；a、b、ai均為待定參數(shù)。

FR4為線彈性材料，應(yīng)力-應(yīng)變曲線全階段按σ=Eaεb進(jìn)行擬合。

對(duì)于待定系數(shù)，運(yùn)用Matlab軟件，采用最小二乘法進(jìn)行擬合。理論上，n值越大，曲線擬合精度越高，但為了提高擬合效率，擬定n的取值為4，擬合結(jié)果如圖5和表5所示。圖5中的數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)分別為屈服點(diǎn)和壓縮強(qiáng)度點(diǎn)，每段擬合曲線的擬合優(yōu)度R2和均方根誤差σ′。

表5 參數(shù)擬合結(jié)果Table 5 Parameters determined by fitting

由圖5可知：屈服點(diǎn)前，各曲線段擬合優(yōu)度都超過(guò)0.95，擬合效果良好；屈服點(diǎn)后，由于試件生產(chǎn)批次等原因，導(dǎo)致同一材料不同試件之間有較大差距，屈服點(diǎn)后擬合優(yōu)度偏低，但各曲線的均方根誤差值在3以內(nèi)，擬合結(jié)果仍具有參考性。相關(guān)擬合結(jié)果分析如表6所示。

表6 擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 6 Comparisons between fitting results and testing data

3 熱斷橋材料適應(yīng)性分析

4種材料基本力學(xué)和熱工性能試驗(yàn)結(jié)果以及材料成本匯總于表7。

表7 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 7 Comparisons of experiment results

對(duì)PA6、PVC、FR4三種材料的綜合性能進(jìn)行定量分析。

定量分析采用以下模型：

(3)

式中：ηc、ηλ、ηP分別為抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)和成本的控制因子；σ、λ、P分別為不同材料的壓縮強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)及成本；σ0、λ0、P0分別為壓縮強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)及成本的基準(zhǔn)值，其取值為PA6材料的各項(xiàng)指標(biāo)值。

a—PA6；b—PVC；c—FR4；d—PEEK。圖5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合結(jié)果Fig.5 Stress-strain curves obtained by fitting

不同材料定量分析的結(jié)果如圖6所示。可見(jiàn)：FR4的綜合性能最高，PA6次之，PVC最低。不過(guò)，該模型抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、成本對(duì)綜合性能的權(quán)重都為1，實(shí)際工程應(yīng)用可能會(huì)與之不符。因此上述對(duì)比結(jié)果僅供參考，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合具體情況具體分析。

圖6 不同材料綜合性能對(duì)比Fig.6 Comparisons of comprehensive performances between different materials

4 結(jié)束語(yǔ)

遴選出PA6、PVC、FR4和PEEK 4種材料用于結(jié)構(gòu)斷橋連接，并對(duì)4種材料的基本力學(xué)性能和熱工性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，包括40個(gè)試件的壓縮性能試驗(yàn)和12個(gè)試件的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析得到以下主要結(jié)論：

1)PA6、PVC和PEEK材料呈延性破壞模式，F(xiàn)R4材料呈脆性分層破壞模式；利用“最遠(yuǎn)點(diǎn)法”得到了PA6、PVC和PEEK材料的屈服強(qiáng)度分別為60.1，50.4，125.8 MPa。采用Sherwood-Frost本構(gòu)模型擬合得到了4種材料的受壓應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。

2)試驗(yàn)測(cè)得PA6、PVC和FR4 3種材料的導(dǎo)熱系數(shù)值分別為0.175 5，0.142 4，0.231 8 W/(m·K)。

3)PEEK材料由于成本過(guò)高，不適宜作為熱斷橋材料應(yīng)用；對(duì)PA6、PVC和FR4的力學(xué)、熱工性能、成本三方面的綜合性能η進(jìn)行定量分析，表明FR4的綜合性能最好，PA6次之，PVC最低。