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)的熱橋會造成建筑物內(nèi)外熱量的傳遞，導(dǎo)致建筑圍護結(jié)構(gòu)隔熱性能的下降。因此可采取一定的措施來切斷熱橋(簡稱“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)點部位、陽臺雨棚挑梁部位等都極易形成熱橋[4]。目前國內(nèi)通常采用外墻外保溫的方式來解決熱橋問題，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)對節(jié)能建筑的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

文獻[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”來減少或阻斷室內(nèi)外的熱量交換，從而達到建筑保溫的目的。文獻[8-10]提出用FRP筋來代替貫通室內(nèi)與陽臺懸挑部分的鋼筋來減少熱量的傳遞。

國外許多公司推出了“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，更是國外各企業(yè)的商業(yè)秘密，需要同時具有導(dǎo)熱系數(shù)低、受力性能好、價格低等特征。我國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]有機保溫材料，玻化微珠、巖棉、玻璃棉板、發(fā)泡水泥板等[13-16]無機保溫材料雖然導(dǎo)熱系數(shù)較低且價格實惠，但是強度和彈性模量較低，不能滿足熱斷橋材料對力學(xué)性能的要求。

針對熱斷橋材料低導(dǎo)熱系數(shù)和高力學(xué)性能的要求，通過大量調(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)，成型加工簡便，可用于高強度結(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的代號，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)合制備增強材料，在工業(yè)領(lǐng)域有著大量的運用。

對以上4種材料的試件進行壓縮性能試驗和導(dǎo)熱系數(shù)測定，分別設(shè)計制作40，12個試件，測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 試驗研究

對PA6、PVC、FR4和PEEK進行抗壓性能試驗和導(dǎo)熱系數(shù)測定試驗，以獲得材料的抗壓強度、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)?？箟盒阅茉囼灠碐B/T 1446—2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》[17]和GB/T 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》[18]進行，導(dǎo)熱系數(shù)測定試驗按照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定防護熱板法》[19]進行。

1.1 試件規(guī)格

PA6、PVC、PEEK采用德國蓋爾公司的產(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)格型號如表1所示。

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

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

1.2 抗壓性能試驗

1.2.1試驗過程

抗壓性能試驗在實驗室環(huán)境條件下進行，所用試驗儀器為萬測504C-TS微機控制電子萬能試驗機。

抗壓性能試驗為靜態(tài)試驗，以2 mm/min恒定速率對試件進行壓縮。由抗壓性能試驗后對各試件破壞模式進行對比可知，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試驗結(jié)果

40個受壓試件的測試結(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)定計算，計算式如下：

表2 壓縮強度和壓縮彈性模量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)變對應(yīng)的應(yīng)力；σ0.0005為0.000 5應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力。

試件編號中間的30表示試件長度為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)測定試驗

導(dǎo)熱系數(shù)測定試驗采用雙試件裝置方法，該方法的試驗原理為在試件之間建立均勻的一維熱流密度，測量通過試件的熱流大小以及試件的溫度變化來計算導(dǎo)熱系數(shù)。采用沈陽合興牌的智能化導(dǎo)熱系數(shù)測定儀DRCD-3030進行導(dǎo)熱系數(shù)測量，導(dǎo)熱系數(shù)測定結(jié)果如表3所示。

表3 導(dǎo)熱系數(shù)測定結(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

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

圖3 確定構(gòu)件屈服強度的最遠點法[20]Fig.3 The Farthest Point Method to determine the yield strength of members

圖4 Coplan法[22]Fig.4 The Coplan Method

試件編號中間的300表示試件長度為300 mm。

PA6、PVC和PEEK為延性材料，按“最遠點法”確定的各試件屈服點如表4所示。FR4屬于線彈性材料，不存在屈服點。

表4 測試得到的各試件材料屈服點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進行擬合。

對于待定系數(shù)，運用Matlab軟件，采用最小二乘法進行擬合。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)識分別為屈服點和壓縮強度點，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：屈服點前，各曲線段擬合優(yōu)度都超過0.95，擬合效果良好；屈服點后，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)果與試驗數(shù)據(jù)對比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)和熱工性能試驗結(jié)果以及材料成本匯總于表7。

表7 試驗結(jié)果對比Table 7 Comparisons of experiment results

對PA6、PVC、FR4三種材料的綜合性能進行定量分析。

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度、導(dǎo)熱系數(shù)及成本；σ0、λ0、P0分別為壓縮強度、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?？梢姡篎R4的綜合性能最高，PA6次之，PVC最低。不過，該模型抗壓強度、導(dǎo)熱系數(shù)、成本對綜合性能的權(quán)重都為1，實際工程應(yīng)用可能會與之不符。因此上述對比結(jié)果僅供參考，實際應(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比Fig.6 Comparisons of comprehensive performances between different materials

4 結(jié)束語

遴選出PA6、PVC、FR4和PEEK 4種材料用于結(jié)構(gòu)斷橋連接，并對4種材料的基本力學(xué)性能和熱工性能進行了試驗研究，包括40個試件的壓縮性能試驗和12個試件的導(dǎo)熱系數(shù)測定試驗，通過試驗結(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“最遠點法”得到了PA6、PVC和PEEK材料的屈服強度分別為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)試驗測得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材料由于成本過高，不適宜作為熱斷橋材料應(yīng)用；對PA6、PVC和FR4的力學(xué)、熱工性能、成本三方面的綜合性能η進行定量分析，表明FR4的綜合性能最好，PA6次之，PVC最低。