吳德義,袁 禹,口永剛

(1.安徽建筑大學(xué) 建筑健康檢測(cè)與災(zāi)害預(yù)防技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230601;2.中鐵四局集團(tuán)建筑工程有限公司,安徽 合肥 230000)

在節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)前提下,國(guó)內(nèi)外專家開始對(duì)建筑節(jié)能新材料、新技術(shù)進(jìn)行研發(fā),開啟新的免拆保溫系統(tǒng)研究。胡小群等研究分析了外墻節(jié)能保溫材料檢測(cè)中的問(wèn)題并提出了相應(yīng)的解決策略[1]。陽(yáng)啟航提出了導(dǎo)熱系數(shù)檢測(cè)、燃燒性能檢測(cè)以及拉伸性能檢測(cè)等技術(shù)應(yīng)用策略,研究結(jié)果表明檢測(cè)技術(shù)對(duì)提高建筑外墻節(jié)能保溫效果具有實(shí)質(zhì)性作用[2]。祝元采用阻燃和非阻燃XPS保溫材料,并于10℃/min、15℃/min、20℃/min和30℃/min等4種升溫速率,在空氣氛圍中進(jìn)行熱重實(shí)驗(yàn),研究外墻保溫材料的熱解特性[3]。易恒等結(jié)合房產(chǎn)開發(fā)需求以及高層剪力墻結(jié)構(gòu),探尋更安全可靠、符合現(xiàn)有節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)適用的外墻保溫體系?？偨Y(jié)的經(jīng)驗(yàn)可供今后類似工程借鑒[4]。

尹伯悅[5]等研究分析提到,建筑免拆模板與裝飾一體化復(fù)合剪力墻(簡(jiǎn)稱GRC)具有高強(qiáng)度性能、保溫隔熱、良好防水、防火性能,因此得到建筑行業(yè)的廣泛使用,形成與建筑物同壽命的保溫模板。保溫材料經(jīng)凍融作用會(huì)出現(xiàn)損傷甚至力學(xué)性能降低現(xiàn)象,對(duì)保溫模板在凍融循環(huán)條件下出現(xiàn)損傷情況進(jìn)行研究分析,建立關(guān)于墻體材料凍融損傷的理論計(jì)算模型,通過(guò)計(jì)算模型可以得出其凍融循環(huán)周期。為免拆復(fù)合保溫模板在寒冷天氣下受凍融破壞研究提供依據(jù)。

OhTaeSik[6]對(duì)混凝土夾層墻板(CSWP)試件進(jìn)行拉拔荷載實(shí)驗(yàn),研究抗剪連接件的保溫類型和加固面積對(duì)外墻的CSWP抗剪性能影響。ChangXu[7]對(duì)素混凝土中錨桿拔出問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬。

目前我國(guó)高層住宅建筑能源消耗達(dá)到總能耗三分之一,隨著高層建筑的數(shù)目越來(lái)越多,年增建筑面積達(dá)20億平方米[8]。姚航等針對(duì)免拆保溫模板在施工中技術(shù)要點(diǎn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行充分研究,同時(shí)分析外模板搭接和連接方式,為工程應(yīng)用免拆模板提供依據(jù)[9]。外墻免拆復(fù)合保溫模板在工程中應(yīng)用廣泛[10-11],常見的CL型模板結(jié)構(gòu)如圖1所示。長(zhǎng)期使用過(guò)程中模板主要受風(fēng)荷載及地震荷載作用,在負(fù)風(fēng)壓荷載作用下,模板可能會(huì)出現(xiàn)空鼓脫落及破壞現(xiàn)象[12-14]。同時(shí)模板在長(zhǎng)期反復(fù)受冷凍和熱雨環(huán)境作用后,力學(xué)性能及熱工性能會(huì)明顯降低,影響到模板的保溫效果及安全使用[15-16]。因此,應(yīng)研究模板受凍融循環(huán)、熱冷雨循環(huán)等環(huán)境作用下的力學(xué)性能和熱工性能[17-18]。本文對(duì)CL型外墻免拆保溫模板在受到復(fù)雜環(huán)境因素影響下的力學(xué)性能及熱工性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn),供實(shí)際工程應(yīng)用參考。

圖1 外墻免拆復(fù)合保溫模板構(gòu)造圖

1 常溫下免拆復(fù)合保溫模板力學(xué)性能及熱工性能參數(shù)測(cè)試

1.1 抗彎強(qiáng)度與抗彎模量測(cè)量

1.1.1 材料選取

抗彎模量是衡量工程材料抗變形能力的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。制備3塊XPS保溫材料外墻免拆復(fù)合模板作為試驗(yàn)樣本,模板尺寸為1500mm×500mm×70mm。

1.1.2 試驗(yàn)方法

如圖2(a)、(b)所示,在模板上方均勻分布100kg荷載,進(jìn)行堆載實(shí)驗(yàn),測(cè)量并記錄模板中部位移變化?？箯潖?qiáng)度由模板受到破壞產(chǎn)生的最大力進(jìn)行推定,進(jìn)行三組測(cè)量試驗(yàn)并求出數(shù)據(jù)平均值。

(a)模板試塊

抗彎模量由公式(1)計(jì)算。

(1)

式(1)中:E——抗彎模量(Mpa);q——模板承受荷載(N/mm);I——慣性矩(mm4),矩形:I=bh3/12;ω——模板產(chǎn)生撓度(mm)。

抗彎強(qiáng)度按照公式(2)計(jì)算。

(2)

式(2)中:W——截面抵抗矩(mm3),W=bh2/6;Mmax——承受最大彎矩(N·mm);σmax—模板破壞時(shí)最大應(yīng)力(Mpa)。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算出常溫環(huán)境下CL外墻免拆復(fù)合保溫模板抗彎模量E=980Mpa,測(cè)定CL外墻免拆復(fù)合保溫模板破壞時(shí)最大應(yīng)力即可獲得模板抗彎強(qiáng)度為σc=3.03Mpa。

1.2 常溫條件下模板熱工性能參數(shù)測(cè)試

1.2.1 實(shí)驗(yàn)材料選取

本次試驗(yàn)選取常溫下3塊模板測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù),模板尺寸為400mm×300mm×70mm,如圖3所示。

圖3 試件模板圖

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理

本次試驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)的基本原理來(lái)自《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定熱流計(jì)法》GB/T10295-2008,在穩(wěn)定熱傳遞過(guò)程當(dāng)中,當(dāng)熱傳遞速率與散熱速率相同時(shí),達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡階段,根據(jù)傅里葉一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型可得,儀器的熱板加熱裝置產(chǎn)生的熱能由試件傳遞到冷板,再由冷板循環(huán)水傳遞到系統(tǒng)外,形成完整的熱力循環(huán),其循環(huán)方程式如式(3)所示。

(3)

式(3)中:Φ——加熱單元計(jì)量部分平均傳熱功率,單位為瓦(W);d——試件平均厚度,單位為米(m);A——計(jì)量面積,單位為平方米(m2);T1——試件熱板溫度平均值,單位為開(K);T2——試件冷板溫度平均值,單位為開(K)。

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)備及操作步驟

本次試驗(yàn)采取的設(shè)備為雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀,儀器額定電壓為220V,功率為10KW。具體操作步驟如下。

(1)調(diào)節(jié)升降桿,緩慢移動(dòng)機(jī)器上部的熱板,增加冷熱板之間的間距,將標(biāo)準(zhǔn)保溫模板D放入冷板和熱板之間,接下來(lái)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)儀器的升降桿,確保儀器熱板緊貼保溫板的一側(cè),如圖4所示。

圖4 試件放置圖

(2)依次按要求打開試驗(yàn)儀器的開關(guān)和低溫恒溫槽開關(guān),確保試驗(yàn)儀器處于待工作狀態(tài)。根據(jù)儀器的使用要求調(diào)節(jié)低溫恒溫槽的溫度設(shè)置,其中sv為冷板設(shè)置溫度,pv為當(dāng)前水槽水溫度。在儀器的水槽中加入適量的純凈水,純凈水的量不得低于工作臺(tái)面30mm且高于內(nèi)部蒸發(fā)管。

(3)設(shè)置參數(shù)。熱流的修正系數(shù)為15.3,在測(cè)試條件板塊中,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T10295-2008,試驗(yàn)的測(cè)試方法為熱流計(jì)法,標(biāo)準(zhǔn)尺寸為200mm×200mm,熱流數(shù)量為1;試樣長(zhǎng)度和寬度均為200mm,厚度為30mm;在溫度設(shè)置模塊設(shè)置熱板的溫度為35℃,冷板的溫度為15℃,平均溫度為22.5℃;在設(shè)備信息里設(shè)置施加壓力為2Kpa,修正系數(shù)為1.000,保存設(shè)置。

(4)開始試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程共有四個(gè)階段。第一階段為預(yù)熱階段,第二階段為平衡階段,第三階段為采樣階段,第四階段為試驗(yàn)完成階段。

(5)在每塊保溫板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定過(guò)后,先間隔一段時(shí)間,再更換恒溫槽內(nèi)的介質(zhì)純凈水,繼續(xù)前四步的操作過(guò)程。分別測(cè)定保溫板E,保溫板F,保溫板A,保溫板B,保溫板C的導(dǎo)熱系數(shù)。

(6)試驗(yàn)完成后導(dǎo)出數(shù)據(jù),關(guān)閉雙平板導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)測(cè)定儀,關(guān)閉低溫恒溫槽,排盡槽內(nèi)介質(zhì)純凈水,關(guān)閉電源,清理試驗(yàn)臺(tái)面。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)后模板力學(xué)性能及熱工性能參數(shù)測(cè)試

2.1 抗彎強(qiáng)度與抗彎模量測(cè)量

2.1.1 材料選取

選取3塊外墻免拆復(fù)合模板作為試驗(yàn)樣本,試樣厚度h=70mm,試樣平面尺寸為長(zhǎng)度×寬度=600mm×400mm,常溫情況下抗彎模量E=980Mpa,抗彎強(qiáng)度σc=3.03Mpa。

2.1.2 試驗(yàn)方法

首先用水浸泡模板8小時(shí),然后將模板放入試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)16小時(shí),作為一次循環(huán)試驗(yàn)。

使用混凝土切割機(jī)切割模板,再使用顯微鏡觀察模板的內(nèi)部變化。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測(cè)量模板抗彎模量和抗彎強(qiáng)度,相關(guān)數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 模板力學(xué)性能變化狀態(tài)

結(jié)果表明:切割模板后取其中部和端部進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)模板端部材料顆粒直徑約為3.87mm、中部材料顆粒直徑約4.94mm,如圖5所示。通過(guò)試驗(yàn)得出在實(shí)際工程中,外墻保溫材料隨著四季溫度變化,凍融循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)增大保溫模板的尺寸變化,保溫模板由于熱脹冷縮容易發(fā)生撓度變化,且導(dǎo)致模板外層的抹灰層墻面產(chǎn)生裂縫,對(duì)整個(gè)保溫體系的結(jié)構(gòu)安全較為不利。

(a)端部材料顆粒直徑測(cè)量

模板抗彎強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)增加呈減小趨勢(shì)。凍融循環(huán)30次后,模板抗彎強(qiáng)度σc=1.72Mpa,降低約43.3%。模板抗彎模量E=767Mpa,降低約22.0%。

結(jié)果分析:隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,保溫板力學(xué)性能呈現(xiàn)下降趨勢(shì),抗彎強(qiáng)度損失率較大,模板彈性模量逐漸減小,凍融循環(huán)對(duì)保溫模板造成損傷。顯微鏡放大觀察保溫模板,發(fā)現(xiàn)其表面出現(xiàn)裂縫,且裂縫擴(kuò)大,說(shuō)明凍融循環(huán)使保溫模板內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力,拉應(yīng)力大于保溫模板的抗拉強(qiáng)度從而使模板產(chǎn)生裂縫。模板的抗彎強(qiáng)度隨著凍融次數(shù)降低,說(shuō)明保溫模板內(nèi)部結(jié)構(gòu)因凍融循環(huán)的影響導(dǎo)致疏松現(xiàn)象,保溫模板內(nèi)部產(chǎn)生空隙導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度降低。

2.2 凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)后模板熱工性能參數(shù)測(cè)試

2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料選取

本次試驗(yàn)選取凍融循環(huán)條件下保溫模板A、B、C測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù),模板尺寸為600mm×400mm×70mm。設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)步驟與常溫下測(cè)試模板熱工性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)相同。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出標(biāo)準(zhǔn)保溫板A、B、C經(jīng)過(guò)耐凍融試驗(yàn)結(jié)果如表2,表3,表4所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)板A試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 標(biāo)準(zhǔn)板B試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表4 標(biāo)準(zhǔn)板C試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

結(jié)果分析:凍融循環(huán)對(duì)保溫模板產(chǎn)生應(yīng)力,模板兩端無(wú)約束應(yīng)力釋放,模板材料的熱脹冷縮使模板端部出現(xiàn)收縮厚度減少,模板中部材料結(jié)構(gòu)受到約束導(dǎo)致模板在熱脹冷縮作用下無(wú)法產(chǎn)生變形。外墻保溫系統(tǒng)的熱量傳遞方向主要是沿厚度方向,在凍融循環(huán)和溫差作用下,厚度方向易產(chǎn)生熱應(yīng)力和變形。通過(guò)試驗(yàn)得到在實(shí)際工程中,外墻保溫材料隨著四季溫度變化,凍融循環(huán)次數(shù)的增加會(huì)增大保溫模板的尺寸變化,保溫模板由于熱脹冷縮容易發(fā)生撓度變化,并導(dǎo)致模板外層的抹灰層墻面產(chǎn)生裂縫,不利于整個(gè)保溫體系的結(jié)構(gòu)安全。

3 耐候性實(shí)驗(yàn)后模板力學(xué)性能及熱工性能參數(shù)測(cè)試

3.1 抗彎強(qiáng)度與抗彎模量測(cè)量

3.1.1 試驗(yàn)材料選取

選取3塊XPS保溫材料外墻免拆復(fù)合模板作為試驗(yàn)樣本。模板尺寸為600mm×400mm×70mm。

3.1.2 試驗(yàn)方法

(1)熱雨循環(huán)

依據(jù)規(guī)范要求,在實(shí)驗(yàn)室對(duì)模板進(jìn)行熱雨循環(huán)試驗(yàn)。測(cè)量一次循環(huán)實(shí)驗(yàn)中模板保溫層的表面溫度,記錄溫度數(shù)據(jù),繪制曲線如圖6(a)所示。

(a)熱雨循環(huán)溫度變化

(2)熱冷循環(huán)

熱冷循環(huán)試驗(yàn)升溫階段溫度控制在50±5℃,降溫階段控制溫度在-20±5℃,記錄溫度數(shù)據(jù)。繪制曲線如圖6(b)所示。

3.1.3 熱冷雨循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

用顯微鏡觀察模板,觀察結(jié)果如圖7所示。

圖7 熱冷試驗(yàn)不同循環(huán)次數(shù)觀察

測(cè)量模板抗彎強(qiáng)度,結(jié)果表明抗彎強(qiáng)度逐漸降低,熱雨循環(huán)試驗(yàn)后測(cè)量其抗彎強(qiáng)度σc=1.75Mpa,熱冷循環(huán)試驗(yàn)后測(cè)得抗彎強(qiáng)度σc=1.59Mpa。試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)模板測(cè)量抗彎強(qiáng)度值和抗彎模量值,均呈遞減變化狀態(tài),如表5所示。

表5 模板力學(xué)性能變化狀態(tài)

熱雨循環(huán)及熱冷循環(huán)試驗(yàn)后模板的抗彎強(qiáng)度分別為σc=1.75Mpa及σc=1.59Mpa?？箯澞Ａ糠謩e為E=780Mpa及E=733Mpa。

結(jié)果分析:對(duì)比凍融試驗(yàn)在熱雨循環(huán)后抗彎強(qiáng)度略大于其強(qiáng)度,而在5次熱冷循環(huán)后抗彎強(qiáng)度有一定小幅度降低,一次熱冷循環(huán)比一次熱雨循環(huán)對(duì)保溫模板損傷更加嚴(yán)重,說(shuō)明巨大溫差使模板內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些變化降低其強(qiáng)度。隨著熱冷循環(huán)次數(shù)增加,模版內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷程度不斷加大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔洞加大變多,出現(xiàn)鏤空現(xiàn)象,但最終抗彎強(qiáng)度仍能滿足要求。模板產(chǎn)生一定彎曲,中部區(qū)域無(wú)明顯尺寸變化而兩端尺寸縮減,說(shuō)明模板在熱雨循環(huán)下產(chǎn)生熱應(yīng)力,模板中部產(chǎn)生一定撓度變化。加熱后遇水沖刷,使模板產(chǎn)生一定的收縮力,模板中部結(jié)構(gòu)受到約束無(wú)法收縮,且越向到模板端部其受到約束變小模板厚度方向尺寸變化越大。

3.2 耐候性實(shí)驗(yàn)?zāi)０鍩峁ば阅軈?shù)測(cè)試

3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料選取

本次試驗(yàn)選取凍融循環(huán)條件下保溫模板D、E、F測(cè)定材料的導(dǎo)熱系數(shù),模板尺寸為400mm×300mm×70mm。設(shè)計(jì)原理及實(shí)驗(yàn)步驟與常溫下測(cè)試模板熱工性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)相同。

4.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)板D、E、F在耐候性實(shí)驗(yàn)后的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果如表6,表7,表8所示。

表6 試驗(yàn)板D試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表7 試驗(yàn)板E試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表8 試驗(yàn)板F試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

結(jié)果分析:

(1)隨著溫度升高,模板材料內(nèi)部的固體分子熱運(yùn)動(dòng)逐漸加快,同時(shí)XPS擠塑聚苯保溫模板空隙中空氣的熱傳導(dǎo)及輻射作用也隨之加強(qiáng)。

(2)模板材料的密度與其相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系,材料的密度越大,其導(dǎo)熱系數(shù)越大。

(3)保溫板切割過(guò)程中,為確保試驗(yàn)安全進(jìn)行,對(duì)模板進(jìn)行邊澆水邊切割操作,導(dǎo)致保溫材料受潮吸水,其導(dǎo)熱系數(shù)也隨之提升。

(4)由于試驗(yàn)儀器的原因,在每次試驗(yàn)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生一些系統(tǒng)誤差。例如電壓的穩(wěn)定,儀器熱板傳熱的均勻性,低溫恒溫槽中的介質(zhì)純凈水的純度等,都會(huì)導(dǎo)致一些細(xì)微的誤差存在。

4 結(jié)論

(1)常溫環(huán)境下對(duì)免拆復(fù)合保溫模板進(jìn)行堆載實(shí)驗(yàn)測(cè)量抗彎模量,得到模板抗彎強(qiáng)度σc=3.03Mpa,模板抗彎模量E=980Mpa。

(2)凍融循環(huán)30次后,模板抗彎強(qiáng)度σc=1.72Mpa,降低約43.3%;模板抗彎模量E=767Mpa,降低約22.0%。熱雨循環(huán)試驗(yàn)后模板的抗彎強(qiáng)度σc=1.75Mpa,降低約42.2%,抗彎模量E=780Mpa,降低約20.4%;熱冷循環(huán)試驗(yàn)后抗彎強(qiáng)度σc=1.59Mpa,降低約47.5%,抗彎模量E=733Mpa,降低約25.2%。

(3)研究CL型免拆復(fù)合保溫模板在長(zhǎng)期使用過(guò)程中反復(fù)在熱冷雨循環(huán)及凍融條件下的熱工性能變化,進(jìn)行耐凍融和耐候性試驗(yàn)得出平均導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.0478587W/(m·k)和0.043668106W/(m·k),比在正常條件下導(dǎo)熱系數(shù)分別增加49.98%以及36.87%。