孫洪軍, 趙騰飛

(遼寧工業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 錦州 121001)

隨著社會(huì)的發(fā)展,單一墻板已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)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(mǎn)足建筑節(jié)能的需要,在單一板材的基礎(chǔ)上,采用一定的技術(shù),將其與一些保溫絕緣材料相復(fù)合,形成系統(tǒng),共同工作,來(lái)達(dá)到既定的節(jié)能目標(biāo),這便是所謂的復(fù)合墻板[1]。復(fù)合墻板通常由高強(qiáng)度的面板與厚得多、密度小、強(qiáng)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(diǎn)[3]。目前市場(chǎng)上的建筑復(fù)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(lèi)型比較單一[4]。近年來(lái)在復(fù)合墻板設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了相當(dāng)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(qiáng)聚合物連接器已被開(kāi)發(fā)和測(cè)試,可促進(jìn)剪切載荷在層間的傳遞,同時(shí)最大限度地減少局部熱損失。

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

1 墻板結(jié)構(gòu)組成

1.1 面板

對(duì)于復(fù)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(chǎng)上出現(xiàn)的復(fù)合墻板來(lái)看,具體分類(lèi)如圖1所示。但由于普通混凝土自重大、導(dǎo)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(dǎo)致建筑能耗高,環(huán)境污染嚴(yán)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(lái)看,泡沫混凝土(foam concrete,FC)、自密實(shí)混凝土(self compact concrete,SCC)、高性能混凝土(high performance concrete,HPC)、高性能纖維增強(qiáng)混凝土(high performance fiber reinforced concrete,HPFRC)、玻璃增強(qiáng)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(fù)合墻板。不同類(lèi)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(qiáng)度較低,難以實(shí)際應(yīng)用。將泡沫混凝土與其他材料復(fù)合,制成復(fù)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(xué)性能,是目前研究的熱點(diǎn)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(yīng)對(duì)不同氣候條件的能力[9]。Amran等[10]對(duì)六個(gè)不同的預(yù)制泡沫混凝土夾芯板(precast foam concrete sandwich panel,PFCSP)進(jìn)行抗彎試驗(yàn),分析了夾芯板的極限抗彎強(qiáng)度能力、彎矩-豎向撓度剖面、荷載-應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)變隨板深的變化、長(zhǎng)寬比的影響、開(kāi)裂模式和破壞時(shí)的極限抗彎荷載等方面進(jìn)行了討論。并與有限元模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,得到了較好的精度。說(shuō)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(shí)具有重量輕、強(qiáng)度高、保溫性能好、導(dǎo)熱系數(shù)低、泌水性能好等優(yōu)點(diǎn)[11]。Ma[12]提出了一種采用U形鋼筋連接方式的新型陶?；炷翉?fù)合墻板的T形節(jié)點(diǎn)構(gòu)件。并對(duì)這種新型保溫墻板的連接方法進(jìn)行了補(bǔ)充,為這種新型保溫墻板在實(shí)際施工中的應(yīng)用提供了可靠的依據(jù)。在此基礎(chǔ)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(qiáng)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(guò)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(kāi)始應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。PCM是一種在相變過(guò)程中可以?xún)?chǔ)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(dāng)PCM浸漬或封裝到墻板或混凝土系統(tǒng)中時(shí),可以極大地提高其熱能存儲(chǔ)能力,因此,PCM在建筑墻體中應(yīng)用具有良好的降低室內(nèi)空氣溫度波動(dòng)和能耗的潛力[21]。

表1 不同類(lèi)型混凝土特性Table 1 Characteristics of different types of concrete

圖1 復(fù)合墻板分類(lèi)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(fù)合而成的墻板。該板質(zhì)量輕,強(qiáng)度高,具有良好的保溫隔熱防水性能,加工簡(jiǎn)單,可塑性能好,是迄今為止最優(yōu)秀的復(fù)合板材[1]。目前對(duì)金屬面夾芯板力學(xué)性能的研究已較為全面,尤其是對(duì)其抗彎承載力的研究已比較成熟,能夠滿(mǎn)足工程的需求。張雨等[22]對(duì)一種蜂窩金屬夾芯板進(jìn)行了沖擊試驗(yàn),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(shí)驗(yàn)表明:蜂窩金屬夾芯板具有良好的沖擊性能,有很高的應(yīng)用價(jià)值。不同類(lèi)型復(fù)合墻板的物理特性如表2所示。

1.2 內(nèi)芯

復(fù)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(chǎng)上不同內(nèi)芯復(fù)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(zhǎng),對(duì)優(yōu)質(zhì)住房的需求日益增加,過(guò)度開(kāi)發(fā)自然資源作為建筑材料正成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)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(chēng)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(bào)道了使用EPS珠作為混凝土骨料以實(shí)現(xiàn)輕量化,首次引入了對(duì)含有EPS珠的混凝土的研究。如今,EPS被認(rèn)為是價(jià)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(yīng)用于建筑行業(yè)[25]。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展,聚苯乙烯夾層復(fù)合墻板已成為一種經(jīng)濟(jì)、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(diǎn)[26]。近年來(lái),針對(duì)聚苯乙烯泡沫復(fù)合墻板結(jié)構(gòu)性能的研究已經(jīng)相對(duì)成熟[27-28]。然而,EPS在建筑部分的使用受到限制,因?yàn)镋PS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(shuō),EPS在中等溫度下很容易燃燒,被認(rèn)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(fù)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(diǎn)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(jià)格低廉、低導(dǎo)熱系數(shù)、原料易得等優(yōu)點(diǎn),深受建筑行業(yè)青睞。Su等[34]對(duì)玄武巖纖維夾芯板進(jìn)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(dǎo)熱系數(shù),且保溫性能更好,熱導(dǎo)率結(jié)果如圖4所示。Yilmaz等[35]對(duì)土耳其巖棉填充鋁夾層立面板的環(huán)境生命周期進(jìn)行了評(píng)估,并得出結(jié)論,該面板在生產(chǎn)階段的影響類(lèi)別對(duì)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(yīng)用,產(chǎn)品的耐久性得到了穩(wěn)步的提高。然而,當(dāng)在建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中用作保溫層時(shí),當(dāng)來(lái)自環(huán)境的水蒸氣擴(kuò)散到其中時(shí),這種復(fù)合板就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題,液態(tài)水積聚并降低了板的熱阻。這是當(dāng)下巖棉復(fù)合墻板需要解決的問(wèn)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(fù)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(dǎo)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(jìn)行協(xié)同作用,來(lái)達(dá)到高強(qiáng)度、高承載力、高性能的效果[36]。近幾年,對(duì)于聚氨酯泡沫復(fù)合墻板的研究主要集中在復(fù)合墻板的結(jié)構(gòu)特性檢測(cè)[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(fù)合墻板由兩層混凝土和中間保溫層組成,這三層則是通過(guò)一套連接器連接起來(lái)。外層承受重力、風(fēng)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(yīng)的彎矩傳遞到內(nèi)層和結(jié)構(gòu)[42]。在過(guò)去的幾十年里,人們對(duì)各種連接器的力學(xué)性能進(jìn)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(fù)合墻板的重要機(jī)械部件,而且由于它們穿透保溫層,也會(huì)造成墻板能量損失。降低連接器產(chǎn)生的能源消耗對(duì)于提高復(fù)合墻板在整個(gè)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(dǎo)熱性可能導(dǎo)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(qiáng)聚合物(fiber reinforced polymer,FRP)連接器所取代,因?yàn)檫@些連接器具有低導(dǎo)熱性[46]。例如Yu等[47]制作了6個(gè)三種連接器的試樣,并進(jìn)行了測(cè)試和建模。理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了等效傳熱系數(shù)模型的準(zhǔn)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(fù)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(shí)驗(yàn)研究

2.1 抗彎試驗(yàn)

抗彎試驗(yàn)是土木工程專(zhuān)業(yè)研究結(jié)構(gòu)抗彎性能及破壞模式的重要方法。通過(guò)分析試驗(yàn)對(duì)象的失效模式、荷載-位移曲線(xiàn)、應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn),從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定評(píng)估。根據(jù)文獻(xiàn),目前常用的加載方式有三種:一是三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),二是四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),三是六點(diǎn)彎曲試驗(yàn),采用較多的是三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。不同彎曲試驗(yàn)裝置的原理圖如圖5所示[53]。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是下部?jī)蓚€(gè)支撐點(diǎn),上部一個(gè)加載點(diǎn),這種加載方式一般應(yīng)用于小型結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)。四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是大型建筑結(jié)構(gòu)抗彎試驗(yàn)的主要方法,這種方式是由下部?jī)蓚€(gè)支撐點(diǎn),上部有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的加載點(diǎn)進(jìn)行加載。

在最近五年中,建筑復(fù)合墻板的抗彎試驗(yàn)不勝枚舉,其中Li等[54]設(shè)計(jì)、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(guò)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),研究了EPS泡沫混凝土的力學(xué)性能隨密度的變化規(guī)律。通過(guò)抗彎試驗(yàn)研究了泡沫填充聚苯乙烯復(fù)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(jìn)的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)夾具對(duì)蜂窩夾層板進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn),得到了不同應(yīng)力比下的撓度-疲勞壽命曲線(xiàn)。通過(guò)試驗(yàn)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(lái)源。提出了一種壽命預(yù)測(cè)方法,驗(yàn)證了該方法在預(yù)測(cè)夾芯板疲勞壽命方面的有效性。

四點(diǎn)彎曲加載在大型建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多,也是抗彎試驗(yàn)中比較常見(jiàn)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(yù)制混凝土夾層墻板。采用四點(diǎn)加載試驗(yàn)方式驗(yàn)證了三維鋼絲骨架可以大大增強(qiáng)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(fù)合夾芯板。并與普通FC芯進(jìn)行對(duì)比四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),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(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究證明了加入角鋼的墻板抗彎強(qiáng)度和剛度明顯高于普通墻板,相對(duì)變形量則小于普通墻板。

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

L為試件整體長(zhǎng)度;a為試件下支座到上支座長(zhǎng)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(yàn)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(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載方法[57]Fig.7 Four-point bending test loading method [57]

2.2 抗震試驗(yàn)

復(fù)合墻板的抗震試驗(yàn)分為有軸向壓力的承重墻試驗(yàn)[60-61]、無(wú)軸向壓力的剪力墻試驗(yàn)[62-63]和隔墻板鋼框架擬靜力試驗(yàn)[64-65],具體試驗(yàn)方式根據(jù)墻板的功能確定?？拐鹪囼?yàn)本身無(wú)任何新意,即側(cè)向施加循環(huán)荷載,根據(jù)滯回曲線(xiàn)再進(jìn)行深入分析,分析內(nèi)容大同小異,無(wú)非是骨架曲線(xiàn)、延性系數(shù)、能量耗散能力等。就目前的抗震試驗(yàn)來(lái)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(yàn)極少。

不同的墻板采用不同的試驗(yàn)方式,Li等[66]對(duì)預(yù)制混凝土夾層剪力墻進(jìn)行了不同軸壓比下的循環(huán)荷載試驗(yàn),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,提出了四線(xiàn)性退化恢復(fù)力模型。Xue等[61]在高軸壓比下對(duì)不同變量的預(yù)制混凝土夾芯墻板進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,預(yù)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(duì)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(wú)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(píng)價(jià)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(yīng)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(yīng)。還對(duì)現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)在SSP填充體系砌體剛度和容量計(jì)算中的性能進(jìn)行了比較。計(jì)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(yàn),研究復(fù)合墻板之間連接件抗震性能的試驗(yàn)也不可忽略,由于預(yù)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(xiàn)性彈性性能、無(wú)滯回耗能的搖擺機(jī)構(gòu)應(yīng)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(shí)驗(yàn)兩方面研究了含摩擦裝置的無(wú)粘結(jié)后張預(yù)制夾層墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析對(duì)滯回響應(yīng)預(yù)測(cè)的有效性。結(jié)果表明:剛性節(jié)理結(jié)構(gòu)通過(guò)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(diǎn)的結(jié)構(gòu),但摩擦裝置能有效地保護(hù)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(duì)三種不同的試件進(jìn)行平面內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)試驗(yàn),評(píng)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)合墻板與鋼筋混凝土框架整體性的抗震試驗(yàn)并不多,是極具創(chuàng)新意義的。具體試驗(yàn)方法如圖9所示。

圖9 準(zhǔn)靜態(tài)循環(huán)試驗(yàn)方法Fig.9 Quasi-static cyclic test method

2.3 保溫試驗(yàn)

隨著新型建筑材料和產(chǎn)品的快速發(fā)展,以及對(duì)現(xiàn)有“傳統(tǒng)”材料和產(chǎn)品的改進(jìn),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(duì)建筑的能耗和熱舒適性有著深遠(yuǎn)的影響。保溫性能用熱慣性來(lái)評(píng)價(jià),熱慣性是傳熱建模中常用的術(shù)語(yǔ),它是與導(dǎo)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(shè)計(jì)成具有很大的熱慣性,以達(dá)到舒適的環(huán)境溫度。熱慣性取決于兩個(gè)參數(shù),即時(shí)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(dǎo)率之間的復(fù)雜相互作用[71]。Ng等[72]采用自然光照射的方式對(duì)輕質(zhì)混凝土復(fù)合墻板的保溫性進(jìn)行研究,結(jié)果表明:熱擴(kuò)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(duì)表面溫度進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)溫度與觀(guān)測(cè)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(lái)替代兩層外混凝土中的天然粗骨料,在對(duì)試件進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的同時(shí),觀(guān)察其導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明,添加聚苯乙烯珠片的強(qiáng)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(chēng)為熱箱),另一側(cè)為低溫側(cè)(也稱(chēng)為冷箱)的裝置測(cè)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(jì)算出當(dāng)AAC密度在700～900 kg/m3范圍內(nèi)時(shí),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(shè)計(jì)提供參考。另外,除了試驗(yàn)以外,Jawdhari等[75]通過(guò)對(duì)超高性能混凝土夾芯板建立能夠模擬部分復(fù)合作用的熱魯棒結(jié)構(gòu)耦合有限元模型,評(píng)估了其熱彎曲行為,分析表明,面板撓度隨著復(fù)合材料作用程度的增加而增加,但滿(mǎn)足整個(gè)溫度范圍的適用性要求。當(dāng)兩個(gè)表面之間的溫差等于或小于-7 ℃時(shí),超高性能混凝土發(fā)生裂紋。對(duì)墻板進(jìn)行保溫性能試驗(yàn),不僅促進(jìn)了自然舒適建筑環(huán)境的發(fā)展,進(jìn)而能夠?qū)е陆ㄖ惺褂玫呐照{(diào)系統(tǒng)的大量節(jié)能和運(yùn)行成本降低,對(duì)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(yàn)

建筑物的防火是至關(guān)重要的,因?yàn)樗苯佑绊懙饺藗兊陌踩徒ㄖ锏氖褂脡勖Ｒ虼?夾層板結(jié)構(gòu)通過(guò)結(jié)合各種可以作為阻燃劑的材料來(lái)緩解這一問(wèn)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(zāi)反應(yīng)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)比較分析結(jié)果。結(jié)果表明:夾芯板具有良好的防火反應(yīng)性能。時(shí)隔兩年,Murillo等[76]對(duì)PIR泡沫芯和玻璃纖維增強(qiáng)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。其中,暴露在火中的第一個(gè)面板系統(tǒng)涂上了石膏板,而另一個(gè)系統(tǒng)涂上了陶瓷板。結(jié)果表明,石膏板涂層系統(tǒng)在評(píng)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(zhǎng)的耐火時(shí)間。除了內(nèi)墻火災(zāi)試驗(yàn)之外,Wu等[79]研究了側(cè)向風(fēng)作用下窗戶(hù)溢出火災(zāi)的蔓延行為及其對(duì)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(duì)火災(zāi)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(guò)程中的熔化特性和火蔓延行為評(píng)估了不同拼接模型金屬夾芯板立面的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。研究發(fā)現(xiàn),在窗戶(hù)溢出火災(zāi)中,當(dāng)火源中線(xiàn)沒(méi)有拼接縫隙時(shí),窗戶(hù)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(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)板的高度降低時(shí),窗戶(hù)上方板的加熱速率增加。若要全面了解復(fù)合墻板在遭受火災(zāi)時(shí)的行為,就要特別考慮到夾芯板在遭遇火災(zāi)時(shí)可能的有毒氣體釋放、化學(xué)和礦物學(xué)方面以及職業(yè)風(fēng)險(xiǎn)因素的危害,這些問(wèn)題在今天仍然是主要問(wèn)題。Wi等[81]研究了四種有機(jī)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(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。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(mǎn)足非可燃級(jí)絕緣標(biāo)準(zhǔn),聚氨酯類(lèi)型的夾芯板釋放出的CO更多,在火災(zāi)事故中被確定為非常危險(xiǎn)。

2.5 隔聲試驗(yàn)

隨著人們生活水平的提高,對(duì)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(xué)性能和實(shí)用技術(shù)的應(yīng)用日益突出,特別是室內(nèi)環(huán)境的隔聲降噪[82-84]。與國(guó)外樓層的隔音要求相比,中國(guó)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(guò)材料與聲波之間的黏性耗散和熱耗散來(lái)實(shí)現(xiàn)吸聲是一種常見(jiàn)的方法[86-88]?；诖朔椒?目前對(duì)蜂窩夾層板的研究是隔音性能試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xì)地建立了蜂窩夾層板的能量統(tǒng)計(jì)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(xué)超材料復(fù)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(guò)將SSCRAM等效為兩個(gè)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(jī)理。并基于分析模型定量分析了6種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)SSCRAM低頻隔聲性能的影響,為工程應(yīng)用中定向調(diào)控SSCRAM低頻隔聲性能提供理論指導(dǎo)。

3 未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

由于其顯著的優(yōu)點(diǎn),建筑復(fù)合墻板的應(yīng)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(jìn)行數(shù)值模擬比對(duì)。基于這五年的回顧,在復(fù)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(wú)論是數(shù)值研究還是試驗(yàn)研究,在未來(lái)的工作中還需要考慮其他方面的問(wèn)題,可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)。

(1)目前復(fù)合墻板的難點(diǎn)仍在于內(nèi)葉夾心層與外葉混凝土層的復(fù)合程度研究,復(fù)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(biāo),但目前復(fù)合度的定義和計(jì)算方法還存有爭(zhēng)議,仍需進(jìn)一步研究。

(2)連接件同樣是影響復(fù)合墻板整體性的重要指標(biāo),但目前多數(shù)商用連接件無(wú)法給墻板提供較高的復(fù)合作用,因此,如何找出一種有高剛度、高承載能力同時(shí)又兼具低導(dǎo)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(fù)合墻板的力學(xué)性能方面,對(duì)墻板環(huán)境性能評(píng)價(jià)的研究相對(duì)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(fù)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(guò)相變材料的吸熱和放熱,來(lái)達(dá)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(jìn)一步研究。