建筑復合墻板結(jié)構(gòu)組成及試驗方法研究綜述

孫洪軍, 趙騰飛

(遼寧工業(yè)大學土木建筑工程學院, 錦州 121001)

隨著社會的發(fā)展,單一墻板已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代建筑的相關(guān)要求,尤其是建筑節(jié)能方面。因此,為滿足建筑節(jié)能的需要,在單一板材的基礎上,采用一定的技術(shù),將其與一些保溫絕緣材料相復合,形成系統(tǒng),共同工作,來達到既定的節(jié)能目標,這便是所謂的復合墻板[1]。復合墻板通常由高強度的面板與厚得多、密度小、強度弱的芯材結(jié)合而成[2]。它具有厚度薄、重量輕、成本低、保溫性能好、隔音隔熱等諸多優(yōu)點[3]。目前市場上的建筑復合墻板大多為鋼筋混凝土夾層保溫板,內(nèi)外隔墻采用混凝土制作,中間層為硬質(zhì)泡沫塑料等保溫板,結(jié)構(gòu)類型比較單一[4]。近年來在復合墻板設計中出現(xiàn)了相當大的創(chuàng)新,使用新型高性能混凝土[5],采用新穎的加固方法,使混凝土更輕更薄。另外,許多新型纖維增強聚合物連接器已被開發(fā)和測試,可促進剪切載荷在層間的傳遞,同時最大限度地減少局部熱損失。

現(xiàn)對這些已發(fā)表的論文進行回顧,并對該應用的最新進展進行全面的討論。本綜述的結(jié)構(gòu)可以概括如下:首先對復合墻板的行業(yè)和技術(shù)進行概括,在此基礎上,介紹了復合墻板的性能和類型的定義方法,分別對面板、內(nèi)芯、剪切連接器三個方面進行分析總結(jié);詳細回顧了近五年關(guān)于復合墻板各種試驗研究。最后,基于目前的文獻,對復合墻板行業(yè)未來工作方向提出建議。

1 墻板結(jié)構(gòu)組成

1.1 面板

對于復合墻板面板,通常是采用鋼筋混凝土和金屬板。根據(jù)目前市場上出現(xiàn)的復合墻板來看,具體分類如圖1所示。但由于普通混凝土自重大、導熱系數(shù)高,可回收性差[6],以普通混凝土為主要材料的普通墻板將導致建筑能耗高,環(huán)境污染嚴重[7]。因此,目前研究以新型高性能混凝土為主。

綜合近幾年的研究來看,泡沫混凝土(foam concrete,FC)、自密實混凝土(self compact concrete,SCC)、高性能混凝土(high performance concrete,HPC)、高性能纖維增強混凝土(high performance fiber reinforced concrete,HPFRC)、玻璃增強混凝土(glass reinforced concrete,GRC)、活性粉末混凝土(reactive powder concrete,RPC)和超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)均已用于復合墻板。不同類型混凝土特性如表1所示。低密度的泡沫混凝土雖然具有良好的保溫性能,但其強度較低,難以實際應用。將泡沫混凝土與其他材料復合,制成復合墻體材料,可使之既具有良好的保溫性能,又具有良好的力學性能,是目前研究的熱點和方向[8]。更重要的是,豐富的孔隙改善了固體混凝土的熱、聲和防火性能,從而使多孔結(jié)構(gòu)具有應對不同氣候條件的能力[9]。Amran等[10]對六個不同的預制泡沫混凝土夾芯板(precast foam concrete sandwich panel,PFCSP)進行抗彎試驗,分析了夾芯板的極限抗彎強度能力、彎矩-豎向撓度剖面、荷載-應變關(guān)系、應變隨板深的變化、長寬比的影響、開裂模式和破壞時的極限抗彎荷載等方面進行了討論。并與有限元模型數(shù)據(jù)進行了比較,得到了較好的精度。說明PFCSP板已經(jīng)可以作為建筑中普通混凝土板系統(tǒng)的替代品。

除此之外,陶?；炷磷鳛橐环N綠色建筑材料,可回收再利用,同時具有重量輕、強度高、保溫性能好、導熱系數(shù)低、泌水性能好等優(yōu)點[11]。Ma[12]提出了一種采用U形鋼筋連接方式的新型陶?；炷翉秃蠅Π宓腡形節(jié)點構(gòu)件。并對這種新型保溫墻板的連接方法進行了補充,為這種新型保溫墻板在實際施工中的應用提供了可靠的依據(jù)。在此基礎上,Ma[13]又在陶?；炷林屑尤肽蛪A玻璃纖維,耐堿玻璃纖維具有較高的抗拉、抗彎、抗裂、抗沖擊和耐堿性能,因此在混凝土中添加耐堿玻璃纖維可以提高混凝土的強度、韌性、抗裂和耐腐蝕性能。這種墻板的使用大大減少了污染,縮短了施工周期,提高了施工效率,從而通過裝配式系統(tǒng)將建筑、結(jié)構(gòu)和裝飾元素融為一體。

值得一提的是,相變材料(phase change material,PCM)作為一種節(jié)能環(huán)保的高性能材料,已經(jīng)開始應用于建筑領(lǐng)域。PCM是一種在相變過程中可以儲存和釋放大量潛熱的物質(zhì)[20],它們是一種特殊的熱質(zhì)量材料,當PCM浸漬或封裝到墻板或混凝土系統(tǒng)中時,可以極大地提高其熱能存儲能力,因此,PCM在建筑墻體中應用具有良好的降低室內(nèi)空氣溫度波動和能耗的潛力[21]。

表1 不同類型混凝土特性Table 1 Characteristics of different types of concrete

圖1 復合墻板分類Fig.1 Classification of composite wallboard

金屬面夾芯板是以彩涂鋼板為面層,內(nèi)填保溫芯材,再使用膠黏劑將其復合而成的墻板。該板質(zhì)量輕,強度高,具有良好的保溫隔熱防水性能,加工簡單,可塑性能好,是迄今為止最優(yōu)秀的復合板材[1]。目前對金屬面夾芯板力學性能的研究已較為全面,尤其是對其抗彎承載力的研究已比較成熟,能夠滿足工程的需求。張雨等[22]對一種蜂窩金屬夾芯板進行了沖擊試驗,總結(jié)了結(jié)構(gòu)抗彎剛度、變形增量、結(jié)構(gòu)整體能量吸收率等參數(shù)的規(guī)律。實驗表明:蜂窩金屬夾芯板具有良好的沖擊性能,有很高的應用價值。不同類型復合墻板的物理特性如表2所示。

1.2 內(nèi)芯

復合墻板的內(nèi)芯一般為聚苯乙烯泡沫、巖棉、聚氨酯泡沫等保溫絕緣材料,市場上不同內(nèi)芯復合墻板如圖2所示。在全球范圍內(nèi),隨著生活水平的提高和人口的增長,對優(yōu)質(zhì)住房的需求日益增加,過度開發(fā)自然資源作為建筑材料正成為一個嚴重的問題。在這方面,將不可生物降解的廢物材料轉(zhuǎn)化為高質(zhì)量的建筑產(chǎn)品將是非常有必要的。

聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene,EPS),也稱為膨脹聚苯乙烯,具有超低密度,由聚合物基質(zhì)中離散的氣孔組成[23]。Cook[24]報道了使用EPS珠作為混凝土骨料以實現(xiàn)輕量化,首次引入了對含有EPS珠的混凝土的研究。如今,EPS被認為是價格低廉的材料——僅次于玻璃棉的第二大絕緣材料,因此大量應用于建筑行業(yè)[25]。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,聚苯乙烯夾層復合墻板已成為一種經(jīng)濟、輕質(zhì)的建筑材料,具有承重和絕緣的功能,具有快速施工、節(jié)約材料等優(yōu)點[26]。近年來,針對聚苯乙烯泡沫復合墻板結(jié)構(gòu)性能的研究已經(jīng)相對成熟[27-28]。然而,EPS在建筑部分的使用受到限制,因為EPS非常易燃并且具有熱降解性,EPS的掃描電鏡圖像如圖3所示[29-30]。也就是說,EPS在中等溫度下很容易燃燒,被認為是建筑結(jié)構(gòu)中的火源。因此,最近的研究旨在引入新的EPS技術(shù),以最大限度地減少不良影響[31-32]。

圖2 幾種常用復合墻板Fig.2 Several commonly used composite wall panels

巖棉夾芯板具有良好的保溫、防火、節(jié)能、環(huán)保等特點是目前世界上最具前瞻性的節(jié)能保溫、 綠色環(huán)保、藝術(shù)建筑的理想建筑板材[33]。巖棉的原料主要是玄武巖和白云巖,制造工藝主要以離心吹制和火焰吹制為主。因其價格低廉、低導熱系數(shù)、原料易得等優(yōu)點,深受建筑行業(yè)青睞。Su等[34]對玄武巖纖維夾芯板進行了熱性能研究,研究表明:與聚氨酯(polyurethane,PU)、擠塑聚苯乙烯泡沫(extruded polystyrene,XPS)填充板相比,巖棉填充板具有更高的導熱系數(shù),且保溫性能更好,熱導率結(jié)果如圖4所示。Yilmaz等[35]對土耳其巖棉填充鋁夾層立面板的環(huán)境生命周期進行了評估,并得出結(jié)論,該面板在生產(chǎn)階段的影響類別對環(huán)境的影響更大。巖棉的隔熱性能在建筑中得到了廣泛的應用,產(chǎn)品的耐久性得到了穩(wěn)步的提高。然而,當在建筑圍護結(jié)構(gòu)中用作保溫層時,當來自環(huán)境的水蒸氣擴散到其中時,這種復合板就會出現(xiàn)問題,液態(tài)水積聚并降低了板的熱阻。這是當下巖棉復合墻板需要解決的問題。

圖3 EPS的掃描電鏡圖像[29-30]Fig.3 Scanning electron microscope image of EPS[29-30]

表2 不同復合墻板物理特性[1]Table 2 Physical properties of different composite wall panels[1]

圖4 不同方法之間的熱導率結(jié)果比較[34]Fig.4 Comparison of thermal conductivity results between different methods[34]

聚氨酯泡沫是一種性能優(yōu)異的防火、絕熱、隔音材料,具有突出的難燃、低煙、低毒特性和優(yōu)異的耐熱性。目前,聚氨酯泡沫是作為一種填充物與不同形狀的晶格進行協(xié)同作用,來達到高強度、高承載力、高性能的效果[36]。近幾年,對于聚氨酯泡沫復合墻板的研究主要集中在復合墻板的結(jié)構(gòu)特性檢測[37]和面板混凝土的多樣性上[38-40],如表3所示。

1.3 剪切連接器

復合墻板由兩層混凝土和中間保溫層組成,這三層則是通過一套連接器連接起來。外層承受重力、風荷載和地震荷載,內(nèi)層固定在結(jié)構(gòu)上。因此,連接系統(tǒng)用于將拉伸、壓縮、剪切和相應的彎矩傳遞到內(nèi)層和結(jié)構(gòu)[42]。在過去的幾十年里,人們對各種連接器的力學性能進行了廣泛的研究。連接器分為單接頭式連接器、條形連接器和異性連接器。關(guān)于連接器的研究主要集中在其拉伸、壓縮和剪切性能方面[43]。連接器不僅是復合墻板的重要機械部件,而且由于它們穿透保溫層,也會造成墻板能量損失。降低連接器產(chǎn)生的能源消耗對于提高復合墻板在整個生命周期內(nèi)的節(jié)能效率至關(guān)重要[44]。傳統(tǒng)上,連接器使用混凝土塊和彎曲鋼筋。然而,它們的高導熱性可能導致熱橋,降低建筑物的能源效率[45]。因此,這些傳統(tǒng)使用的連接器在很大程度上已被各種形式的纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer,FRP)連接器所取代,因為這些連接器具有低導熱性[46]。例如Yu等[47]制作了6個三種連接器的試樣,并進行了測試和建模。理論、實驗和數(shù)值計算結(jié)果吻合較好,驗證了等效傳熱系數(shù)模型的準確性。它揭示了連接器的材料和幾何參數(shù)如何影響墻壁的熱性能。表4列出了可以用作連接器的不同材料及其相關(guān)參數(shù)。

表3 聚氨酯泡沫復合墻板研究總結(jié)Table 3 Research summary of polyurethane foam composite wallboard

表4 不同連接器相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation coefficient of different connectors

2 實驗研究

2.1 抗彎試驗

抗彎試驗是土木工程專業(yè)研究結(jié)構(gòu)抗彎性能及破壞模式的重要方法。通過分析試驗對象的失效模式、荷載-位移曲線、應力-應變曲線,從而對結(jié)構(gòu)進行測定評估。根據(jù)文獻,目前常用的加載方式有三種:一是三點彎曲試驗,二是四點彎曲試驗,三是六點彎曲試驗,采用較多的是三點彎曲試驗和四點彎曲試驗。不同彎曲試驗裝置的原理圖如圖5所示[53]。三點彎曲試驗是下部兩個支撐點,上部一個加載點,這種加載方式一般應用于小型結(jié)構(gòu)的試驗。四點彎曲試驗是大型建筑結(jié)構(gòu)抗彎試驗的主要方法,這種方式是由下部兩個支撐點,上部有兩個對稱的加載點進行加載。

在最近五年中,建筑復合墻板的抗彎試驗不勝枚舉,其中Li等[54]設計、制作了膨脹聚苯乙烯(EPS)泡沫混凝土,并將其填充到(pultruded sandwich panel,PSP)的網(wǎng)芯中。通過三點彎曲試驗,研究了EPS泡沫混凝土的力學性能隨密度的變化規(guī)律。通過抗彎試驗研究了泡沫填充聚苯乙烯復合材料的抗彎性能和破壞規(guī)律,具體加載方式如圖6所示。Ma等[55]采用改進的三點彎曲試驗夾具對蜂窩夾層板進行彎曲疲勞試驗,得到了不同應力比下的撓度-疲勞壽命曲線。通過試驗中疲勞損傷的記錄,確定了蜂窩夾層板的破壞模式和疲勞損傷的來源。提出了一種壽命預測方法,驗證了該方法在預測夾芯板疲勞壽命方面的有效性。

四點彎曲加載在大型建筑結(jié)構(gòu)中應用較多,也是抗彎試驗中比較常見的一種方式。Qun等[56]介紹了一種新型的可作為建筑承重構(gòu)件的預制混凝土夾層墻板。采用四點加載試驗方式驗證了三維鋼絲骨架可以大大增強夾層板的結(jié)構(gòu)性能。Castillo-Lara等[57]研究了一種波紋鋼面層與泡沫混凝土(FC)芯層復合夾芯板。并與普通FC芯進行對比四點彎曲試驗,加載方式如圖7所示。Hassan等[58]提出用鋼螺柱角鋼代替鋼筋,通過四點彎曲試驗研究證明了加入角鋼的墻板抗彎強度和剛度明顯高于普通墻板,相對變形量則小于普通墻板。

Al-Rubaye等[59]采用六點加載的方式測試了六個全尺寸夾心面板壁,以評估各種連接器的復合作用百分比,并將結(jié)果與復合連接器制造商提供的結(jié)果進行比較,加載方式如圖8所示。結(jié)果表明:剪力連接件的類型和強度顯著影響混凝土夾層墻板的復合作用程度。薄壁板中剪切連接器的數(shù)量翻倍導致復合作用百分比的大幅增加。

L為試件整體長度;a為試件下支座到上支座長度;P為集中荷載; w為均布荷載圖5 常用加載方式的彎曲試驗裝置和相關(guān)彎矩圖[53]Fig.5 Common loading methods of bending test device and related bending moment diagram [53]

圖7 四點彎曲試驗加載方法[57]Fig.7 Four-point bending test loading method [57]

2.2 抗震試驗

復合墻板的抗震試驗分為有軸向壓力的承重墻試驗[60-61]、無軸向壓力的剪力墻試驗[62-63]和隔墻板鋼框架擬靜力試驗[64-65],具體試驗方式根據(jù)墻板的功能確定?？拐鹪囼灡旧頍o任何新意,即側(cè)向施加循環(huán)荷載,根據(jù)滯回曲線再進行深入分析,分析內(nèi)容大同小異,無非是骨架曲線、延性系數(shù)、能量耗散能力等。就目前的抗震試驗來看,大多數(shù)集中在單一墻板的抗震性能,而墻板與框架結(jié)構(gòu)整體的抗震試驗極少。

不同的墻板采用不同的試驗方式,Li等[66]對預制混凝土夾層剪力墻進行了不同軸壓比下的循環(huán)荷載試驗,并根據(jù)試驗結(jié)果,提出了四線性退化恢復力模型。Xue等[61]在高軸壓比下對不同變量的預制混凝土夾芯墻板進行試驗,試驗結(jié)果表明,預制混凝土夾芯剪力墻在高軸壓作用下具有較好的滯回性能,可用于對熱效率和結(jié)構(gòu)效率要求較高的地震活躍區(qū)高層建筑。

與有軸壓的建筑結(jié)構(gòu)不同,無軸壓的建筑結(jié)構(gòu)不承受豎向壓力,通常作為剪力墻、填充墻存在。Vetr等[62]研究評價了噴射混凝土夾層板(shotcrete sandwich panel,SSP)填料和碳纖維布(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)條在鋼筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架加固中的應用。研究不僅比較了試件的剛度退化、阻尼和循環(huán)橫向響應。還對現(xiàn)有的經(jīng)驗技術(shù)在SSP填充體系砌體剛度和容量計算中的性能進行了比較。計算了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能水平。

除了單一墻板的抗震試驗,研究復合墻板之間連接件抗震性能的試驗也不可忽略,由于預制構(gòu)件之間的連接往往是抗震能力不足的薄弱環(huán)節(jié),因此將具有非線性彈性性能、無滯回耗能的搖擺機構(gòu)應用于自定心混凝土結(jié)構(gòu)能極大改善墻板之間的抗震性能。Xu等[67]從理論和實驗兩方面研究了含摩擦裝置的無粘結(jié)后張預制夾層墻結(jié)構(gòu)的力學性能。實驗結(jié)果驗證了理論分析對滯回響應預測的有效性。結(jié)果表明:剛性節(jié)理結(jié)構(gòu)通過塑性損傷耗散能量,結(jié)構(gòu)最終以底部混凝土壓碎破壞;帶有摩擦裝置的結(jié)構(gòu)剛度和彎矩承載力低于帶有剛性節(jié)點的結(jié)構(gòu),但摩擦裝置能有效地保護主體混凝土墻體不受破壞;附加后剛筋可以提高帶有摩擦裝置的結(jié)構(gòu)的自定心能力。

與上述不同,葡萄牙的de Sousa等[64]對三種不同的試件進行平面內(nèi)準靜態(tài)循環(huán)試驗,評估了具有代表性的鋼筋混凝土(RC)框架的循環(huán)行為:①裸RC框架;②RC框架與砌體填充墻;③鋼筋混凝土框架與再生鋼纖維增強微混凝土和聚苯乙烯核心層的外部帶狀組成的創(chuàng)新夾芯板。該研究表明填充墻能明顯加強框架結(jié)構(gòu)的循環(huán)性能及承載能力,另外,與傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)相比,新型夾芯板使框架結(jié)構(gòu)保持了完整性,在較高的橫向位移值下,其內(nèi)部承重層的損傷程度較低。值得一提的是,這種關(guān)于復合墻板與鋼筋混凝土框架整體性的抗震試驗并不多,是極具創(chuàng)新意義的。具體試驗方法如圖9所示。

圖9 準靜態(tài)循環(huán)試驗方法Fig.9 Quasi-static cyclic test method

2.3 保溫試驗

隨著新型建筑材料和產(chǎn)品的快速發(fā)展,以及對現(xiàn)有“傳統(tǒng)”材料和產(chǎn)品的改進,建筑行業(yè)正在發(fā)生革命性的變化,墻體材料的保溫性能對建筑的能耗和熱舒適性有著深遠的影響。保溫性能用熱慣性來評價,熱慣性是傳熱建模中常用的術(shù)語,它是與導熱系數(shù)和體積熱容相關(guān)的塊狀材料特性。Ettoumi等[68]研究指出建筑必須設計成具有很大的熱慣性,以達到舒適的環(huán)境溫度。熱慣性取決于兩個參數(shù),即時滯和衰減因子[69-70]。這些參數(shù)大小又取決于材料的密度、比熱容和熱導率之間的復雜相互作用[71]。Ng等[72]采用自然光照射的方式對輕質(zhì)混凝土復合墻板的保溫性進行研究,結(jié)果表明:熱擴散系數(shù)與蒸壓輕質(zhì)混凝土(autoclaved lightweight concrete,ALC)墻板熱慣性成正相關(guān);并采用有限差分法(finite difference method,FDM)方法對表面溫度進行預測,預測溫度與觀測溫度接近。El Gamal等[73]采用不同比例的聚苯乙烯珠粒和蛭石骨料來替代兩層外混凝土中的天然粗骨料,在對試件進行壓縮試驗的同時,觀察其導熱系數(shù)。結(jié)果表明,添加聚苯乙烯珠片的強度更大大、重量更輕、熱性能更好。與上述不同,Zhao等[74]使用一側(cè)放置一盞275 W日光燈作為人工熱源(高溫側(cè),也稱為熱箱),另一側(cè)為低溫側(cè)(也稱為冷箱)的裝置測試了不同密度和厚度的蒸壓加氣混凝土(autoclaved aerated concrete,AAC)面板,研究計算出當AAC密度在700～900 kg/m3范圍內(nèi)時,AAC板的綜合熱慣性較好,這為AAC或其他保溫材料的合理建模和設計提供參考。另外,除了試驗以外,Jawdhari等[75]通過對超高性能混凝土夾芯板建立能夠模擬部分復合作用的熱魯棒結(jié)構(gòu)耦合有限元模型,評估了其熱彎曲行為,分析表明,面板撓度隨著復合材料作用程度的增加而增加,但滿足整個溫度范圍的適用性要求。當兩個表面之間的溫差等于或小于-7 ℃時,超高性能混凝土發(fā)生裂紋。對墻板進行保溫性能試驗,不僅促進了自然舒適建筑環(huán)境的發(fā)展,進而能夠?qū)е陆ㄖ惺褂玫呐照{(diào)系統(tǒng)的大量節(jié)能和運行成本降低,對生態(tài)環(huán)境及建筑節(jié)能方面具有重要影響。

2.4 耐火試驗

建筑物的防火是至關(guān)重要的,因為它直接影響到人們的安全和建筑物的使用壽命。因此,夾層板結(jié)構(gòu)通過結(jié)合各種可以作為阻燃劑的材料來緩解這一問題[76]。最常用的絕緣材料有聚氨酯泡沫(polyurethane foam,PUR)、聚異氰尿酸酯泡沫(polyisocyanurate foam,PIR)、擠壓聚苯乙烯(XPS)和礦棉(mineral wool,MW)[77]。Murillo等[78]研究了由鋼板和聚異氰尿酸酯(PIR)泡沫芯組成的夾芯板火災反應發(fā)展的實驗和統(tǒng)計比較分析結(jié)果。結(jié)果表明:夾芯板具有良好的防火反應性能。時隔兩年,Murillo等[76]對PIR泡沫芯和玻璃纖維增強織物組成的兩種具有結(jié)構(gòu)功能的夾層板的耐火性能進行了實驗對比分析。其中,暴露在火中的第一個面板系統(tǒng)涂上了石膏板,而另一個系統(tǒng)涂上了陶瓷板。結(jié)果表明,石膏板涂層系統(tǒng)在評估參數(shù)下表現(xiàn)出比陶瓷涂層系統(tǒng)更好的性能和更長的耐火時間。除了內(nèi)墻火災試驗之外,Wu等[79]研究了側(cè)向風作用下窗戶溢出火災的蔓延行為及其對建筑外表面聚乙烯夾層板溫度分布的影響,并建立了極端條件下的平均火焰高度模型,這些結(jié)論對火災研究具有重要意義。Zhou等[80]研究了金屬夾芯板在溢火羽流過程中的熔化特性和火蔓延行為評估了不同拼接模型金屬夾芯板立面的火災風險。研究發(fā)現(xiàn),在窗戶溢出火災中,當火源中線沒有拼接縫隙時,窗戶上方的峰值溫度最低。在立面系統(tǒng)中,金屬夾芯板的寬度與最高溫度呈反比線性關(guān)系。當板的高度降低時,窗戶上方板的加熱速率增加。若要全面了解復合墻板在遭受火災時的行為,就要特別考慮到夾芯板在遭遇火災時可能的有毒氣體釋放、化學和礦物學方面以及職業(yè)風險因素的危害,這些問題在今天仍然是主要問題。Wi等[81]研究了四種有機隔熱材料作為夾芯板芯材的阻燃性能、燃燒特性和毒性,基于總放熱率、放熱率的阻燃性能和釋放出CO量進行綜合評價。研究發(fā)現(xiàn),酚醛泡沫夾芯板釋放出更少的有害氣體且滿足非可燃級絕緣標準,聚氨酯類型的夾芯板釋放出的CO更多,在火災事故中被確定為非常危險。

2.5 隔聲試驗

隨著人們生活水平的提高,對住宅建筑的衛(wèi)生、環(huán)保、隔音性能提出了更高的要求。建筑的聲學性能和實用技術(shù)的應用日益突出,特別是室內(nèi)環(huán)境的隔聲降噪[82-84]。與國外樓層的隔音要求相比,中國住宅建筑的聲環(huán)境條件面臨著更大的挑戰(zhàn),有很大的改善空間[85]。利用多孔材料(如玻璃棉、礦物棉、天然纖維等)通過材料與聲波之間的黏性耗散和熱耗散來實現(xiàn)吸聲是一種常見的方法[86-88]?；诖朔椒?目前對蜂窩夾層板的研究是隔音性能試驗的主流[89-91]。Dong等[89]將具有分層孔隙結(jié)構(gòu)的碳化棉與微穿孔蜂窩芯夾層板相結(jié)合,在不顯著增加結(jié)構(gòu)重量的情況下,提高了結(jié)構(gòu)的吸聲性能。Oliazadeh等[90]從實驗和分析兩方面研究了聲波在蜂窩泡沫夾層板中的傳播。詳細地建立了蜂窩夾層板的能量統(tǒng)計分析模型。除了蜂窩結(jié)構(gòu)的研究,Lin等[92]提出了一種與共振型聲學超材料復合的夾層結(jié)構(gòu)(sandwich structure compounded with resonant acoustic metamaterial,SSCRAM),并建立了其傳聲損失的分析模型。通過將SSCRAM等效為兩個自由度的彈簧-質(zhì)量模型,分析了SSCRAM內(nèi)部聲能量的分布和耗散,闡明了SSCRAM的吸聲和隔聲機理。并基于分析模型定量分析了6種結(jié)構(gòu)參數(shù)對SSCRAM低頻隔聲性能的影響,為工程應用中定向調(diào)控SSCRAM低頻隔聲性能提供理論指導。

3 未來發(fā)展趨勢

由于其顯著的優(yōu)點,建筑復合墻板的應用已經(jīng)發(fā)展了多年,并且正在增加。目前相關(guān)研究一半以上都使用了有限元分析軟件如:ANSYS、ABAQUS等進行數(shù)值模擬比對。基于這五年的回顧,在復合墻板內(nèi)芯燃燒釋放出氣體危害性方面表現(xiàn)出巨大潛力。無論是數(shù)值研究還是試驗研究,在未來的工作中還需要考慮其他方面的問題,可以總結(jié)為以下幾點。

(1)目前復合墻板的難點仍在于內(nèi)葉夾心層與外葉混凝土層的復合程度研究,復合程度的大小直接關(guān)系到墻板的結(jié)構(gòu)性能,它是衡量混凝土夾心墻板結(jié)構(gòu)性能的重要指標,但目前復合度的定義和計算方法還存有爭議,仍需進一步研究。

(2)連接件同樣是影響復合墻板整體性的重要指標,但目前多數(shù)商用連接件無法給墻板提供較高的復合作用,因此,如何找出一種有高剛度、高承載能力同時又兼具低導熱性的連接器是目前科研人員研究的方向。

(3)以往的工作更多地集中在復合墻板的力學性能方面,對墻板環(huán)境性能評價的研究相對有限。

(4)建筑行業(yè)作為能源密集型行業(yè),占溫室氣體排放總量的40%左右。因此,減少這種主要用于供暖/空調(diào)的能源消耗,改善建筑復合墻板能源性能是必不可少的。目前,已有科研人員將相變材料集成到建筑墻體中,通過相變材料的吸熱和放熱,來達到節(jié)能效果。但是,相變材料在建筑墻板方面的研究比較匱乏,仍需進一步研究。