王雪花，方露，陳紅，吳智慧，費(fèi)本華

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京210037；2.國際竹藤中心，北京100102)

覆面材料對結(jié)構(gòu)保溫板力學(xué)性能的影響

王雪花1,2，方露1，陳紅1，吳智慧1，費(fèi)本華2*

(1.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，南京210037；2.國際竹藤中心，北京100102)

結(jié)構(gòu)保溫板(structural insulated panels，SIP)作為建筑構(gòu)件具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔聲性能好等優(yōu)點(diǎn)，但因木材資源缺乏，其應(yīng)用受到限制。為尋求更廣泛的原料來源，引入兩種竹質(zhì)板材竹簾膠合板和重組竹，測定以木質(zhì)定向刨花板、竹簾膠合板和重組竹覆面的SIP板式結(jié)構(gòu)的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及過梁彎曲性能。結(jié)果表明：三者的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度分別為0.157，0.150和0.059 MPa，前兩者符合JGJ 144—2004中對聚苯乙烯泡沫板現(xiàn)澆混凝土外墻外保溫系統(tǒng)現(xiàn)場黏結(jié)強(qiáng)度的要求，而重組竹覆面板材低于限定值；抗剪強(qiáng)度分別為0.096，0.078和0.062 MPa，過梁抗彎強(qiáng)度分別為2.87，4.04和0.66 MPa。為提高重組竹的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度，應(yīng)注意避免材料制作過程中的熱傷害；為提高其過梁抗彎性能，當(dāng)開設(shè)洞口作為過梁使用時，可以考慮改變覆面重組竹的竹束走向，以避免載荷對板材連接強(qiáng)度較弱界面的應(yīng)力集中。

結(jié)構(gòu)保溫板；覆面板；拉伸黏結(jié)性能；剪切性能；過梁抗彎性能

結(jié)構(gòu)保溫板(structural insulated panel，SIP)是以輕質(zhì)、保溫、多孔、絕熱材料為芯材，壓型鋼板和木板等為覆面材料的夾芯式預(yù)制復(fù)合板材[1]，作為建筑構(gòu)件使用，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔聲性能好和便于快速施工的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)建筑保溫隔熱的較好途徑[2]。在這種結(jié)構(gòu)中，界面黏結(jié)及其連接層結(jié)構(gòu)是使用輕質(zhì)高效泡沫保溫材料十分重要的環(huán)節(jié)。泡沫保溫材料的界面連接部位及泡沫的抗拉強(qiáng)度[3]，是外墻外保溫工程最薄弱的環(huán)節(jié)[4]，也是衡量保溫體系好壞的一項(xiàng)重要指標(biāo)。JGJ 144—2004《外墻外保溫工程技術(shù)規(guī)程》中對聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene，EPS)板現(xiàn)澆混凝土外墻外保溫系統(tǒng)現(xiàn)場黏結(jié)強(qiáng)度給出了限定。墻體一面受到載荷作用而導(dǎo)致的彎曲變形，也使墻體內(nèi)部受到剪切作用，對以硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫為芯層的定向刨花板(oriented strand board，OSB)層壓膠合復(fù)合結(jié)構(gòu)板，ASTM D7446-09對其剪切性能給出了限值。此外，當(dāng)在墻體上開設(shè)門窗洞口，且墻體洞口口徑大于300 mm時，為支撐洞口上部砌體所帶來的各種荷載，墻體需起到過梁的作用[5]，需對墻板進(jìn)行過梁抗彎測試。

對于SIP板式結(jié)構(gòu)體系，面芯層的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度、剪切性能和過梁抗彎性能是重要的性能特征。構(gòu)成SIP的覆面材料以O(shè)SB、膠合板和纖維板等為主，但又以O(shè)SB最多[6-7]?；谌蚰静馁Y源嚴(yán)重短缺的現(xiàn)狀，迫切需要尋找可替代材料。竹材人造板中，重組竹力學(xué)性能卓越，且具有較強(qiáng)的裝飾效果[8]；竹簾膠合板則具有制造工藝簡單和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[9]。筆者選用木質(zhì)OSB、重組竹和竹簾膠合板作為SIP夾芯板的覆面材料，測定泡沫保溫材料的界面連接部位及泡沫本身的抗拉強(qiáng)度、剪切性能及過梁抗彎性能，分析3種覆面材料對SIP夾芯板性能的影響，為竹材在SIP中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

木質(zhì)OSB(密度0.65 g/cm3、彈性模量4.5 GPa)，大連闊森特新型建材有限公司；重組竹(密度1.10 g/cm3、彈性模量20.7 GPa)，安徽龍華竹業(yè)有限公司；竹簾膠合板(密度0.85 g/cm3、彈性模量11.4 GPa)，湖南匯元板業(yè)有限公司；聚苯乙烯，上海興旺包裝材料廠；聚氨酯膠，寧波化工原料有限公司；EP002環(huán)氧樹脂膠，常州市北亞化工有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

分別以木質(zhì)OSB、重組竹和竹簾膠合板為覆面材料，以聚苯乙烯為芯層制備三層結(jié)構(gòu)保溫板，覆面材料與芯層材料間以聚氨酯膠黏結(jié)。

1.2.1 拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測試

3種拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測試試件的長和寬均為150 mm，芯層高89 mm，覆面材料高12(木質(zhì)OSB)或6 mm(重組竹、竹簾膠合板)。

參照ISO 22452：2011規(guī)定的方法測定拉伸黏結(jié)強(qiáng)度。試樣與鋼板模具采用環(huán)氧樹脂膠均勻黏合。將拉伸夾具與力學(xué)試驗(yàn)機(jī)(MDW-W型微機(jī)控制電子力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南試金公司)連接，使試件在拉伸作用下破壞，加載速度為2 mm/min。

1.2.2 剪切性能測試

剪切性能測試試件長1 000 mm，寬和高同拉伸黏結(jié)強(qiáng)度測試試件。試件長度方向?yàn)閷?shí)際使用時的寬度方向，試件寬度方向?yàn)閷?shí)際使用時的高度方向。重組竹為覆面材料時竹束沿試件寬度方向排列，竹簾膠合板為覆面材料時表層竹篾方向與試件寬度方向平行。

參照ISO 22452：2011規(guī)定的剪切性能測試方法，采用四點(diǎn)加載法進(jìn)行測試，載荷均衡施加于支撐之間跨距三分點(diǎn)處。試件跨距900 mm，加載速度20 mm/min，記錄試件破壞載荷，按照式(1)計(jì)算試件的剪切強(qiáng)度fcv：

fcv=Fmax/(2be)

(1)

式中：Fmax為試件承受的最大載荷，kN；b為試件寬度，mm；e為面心距，其值為兩面層厚度的一半與芯層厚度之和，mm。

1.2.3 過梁抗彎性能測試

過梁抗彎性能測試試件長1 000 mm，高150 mm，芯層寬89 mm、覆面材料寬12 mm(木質(zhì)OSB)或6 mm(重組竹、竹簾膠合板)。試件實(shí)際使用時長度和寬度的規(guī)定及板材排列同剪切性能測試。

采用三點(diǎn)加載法測定過梁抗彎性能?？缇郘為900 mm，加載速度5 mm/min，記錄試件破壞的最大載荷等，按式(2)計(jì)算過梁抗彎強(qiáng)度：

σbw=3PmaxL/(2bh2)

(2)

式中：Pmax為破壞載荷，N；L為兩支座間跨距，b為寬度，h為高度，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸黏結(jié)性能

2.1.1 拉伸黏結(jié)性能試件破壞現(xiàn)象

不同覆面材料下各試件受拉伸作用時的破壞情況見圖1。復(fù)合材料受拉伸作用時，破壞發(fā)生在黏結(jié)強(qiáng)度較弱的部位[10]。本試驗(yàn)對象為由覆面材料、膠層和芯層材料構(gòu)成的多層復(fù)合材料，其中聚苯乙烯芯板的內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度最小[11-13]，3種試件的破壞理論上都應(yīng)發(fā)生在聚苯乙烯芯板內(nèi)部。但從圖1中可以看出，三者破壞情況不盡相同。木質(zhì)OSB覆面試件的破壞發(fā)生在聚苯乙烯芯板內(nèi)部，而重組竹和竹簾膠合板覆面試件的破壞發(fā)生在靠近試驗(yàn)機(jī)拉伸頭一側(cè)的覆面板處。重組竹覆面板的聚苯乙烯芯板內(nèi)部發(fā)生破壞導(dǎo)致其與覆面重組竹板之間發(fā)生脫離，這是由于重組竹厚度小于木質(zhì)OSB，而導(dǎo)熱系數(shù)大于竹簾膠合板及木質(zhì)OSB[14]，制備板材時(膠黏劑為常溫固化型聚氨酯，但常溫下固化不良，實(shí)際采用50℃膠合)，重組竹傳熱速度快、熱效率高，與竹簾膠合板和木質(zhì)OSB相比，重組竹覆面聚苯乙烯芯板靠近膠層處溫度較高，受熱影響程度較大，導(dǎo)致板材在受拉作用時靠近膠層附近發(fā)生破壞。

圖1 拉伸測試試件破壞情況Fig. 1 Sample damage situation in tension tests

2.1.2 拉伸黏結(jié)強(qiáng)度載荷-位移曲線

3種SIP受拉伸作用時的載荷-位移情況如圖2所示。在拉伸作用的初始階段，試件在拉力作用下產(chǎn)生位移，但此時應(yīng)力很小，可忽略不計(jì)。這是由于制備板材時，在壓力作用下聚苯乙烯板被壓縮，而在受拉伸作用的初始階段，聚苯乙烯板原有的壓縮被釋放，在壓縮變形未被完全釋放且聚苯乙烯板自身結(jié)構(gòu)未開始破壞前，試件只發(fā)生位移而未產(chǎn)生明顯應(yīng)力。隨著變形量的增大，聚苯乙烯板原來累積的壓縮變形完全恢復(fù)；隨著變形量的繼續(xù)增大，聚苯乙烯板內(nèi)部在拉力作用下出現(xiàn)破壞，直至達(dá)到最大載荷。3種SIP的載荷-位移曲線上載荷開始逐漸增加時的位移量不同，這可能是由于板材制備過程中聚苯乙烯板壓縮量的不同而造成的。

圖2 拉伸黏結(jié)強(qiáng)度載荷-位移曲線Fig. 2 Load-displacement curves for tension strength

2.1.3 拉伸黏結(jié)強(qiáng)度

經(jīng)測定，3種SIP的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度從大到小依次為木質(zhì)OSB覆面板(0.157 MPa)>竹簾膠合覆面板(0.150 MPa)>重組竹覆面板(0.059 MPa)。根據(jù)JGJ 144—2004中對EPS板現(xiàn)澆混凝土外墻外保溫系統(tǒng)現(xiàn)場黏結(jié)強(qiáng)度的限定，拉伸黏結(jié)強(qiáng)度在干燥狀態(tài)下不得小于0.1 MPa，從試驗(yàn)結(jié)果看，木質(zhì)OSB及竹簾膠合板覆面SIP板的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度均可滿足標(biāo)準(zhǔn)中的限定值，但重組竹覆面板的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)限定值。這是由于重組竹的導(dǎo)熱系數(shù)較大，重組竹覆面板的厚度較小，在板材壓制過程中高溫傳遞到聚苯乙烯板芯層而使其受熱破壞，降低了拉伸黏結(jié)強(qiáng)度。為使重組竹覆面SIP板的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，應(yīng)選擇常溫固化性能良好的膠黏劑，降低固化溫度以減少高溫對芯層板的破壞，或者增加覆面材料的厚度以減少表層到膠層的熱傳導(dǎo)。

2.2 剪切性能

2.2.1 剪切性能試件破壞形式

木質(zhì)OSB、重組竹和竹簾膠合板覆面試件在剪切試驗(yàn)破壞后的形式見圖3。木質(zhì)OSB覆面試件在芯層發(fā)生破壞，這說明與木質(zhì)OSB和膠合界面相比，聚苯乙烯板的剪切強(qiáng)度最小。重組竹覆面板嚴(yán)格來說是彎曲破壞而非剪切破壞，造成彎曲破壞的原因是：覆面板為條狀重組竹單板通過膠黏劑橫向拼接而成的整幅大板，拼縫處連接力薄弱，容易造成應(yīng)力集中[15]，在壓力作用下板材拼縫處首先開裂，進(jìn)而造成泡沫斷裂。竹簾膠合板覆面試件的覆面板、芯層和膠層均未見明顯破壞，但在施力點(diǎn)處，板材表面有一定的凹陷。這是由于竹簾膠合板變形能力較好，且聚苯乙烯板具有可壓縮性，在載荷作用下聚苯乙烯板被壓縮，因此，表層竹簾膠合板在加載輥?zhàn)饔孟鲁霈F(xiàn)向下的凹陷。

注：a、d為木質(zhì)OSB覆面試件；b、e為重組竹覆面試件；c、f為竹簾膠合板覆面試件。圖3 剪切試樣破壞形式Fig. 3 Shear failure types of samples

2.2.2 剪切性能載荷-位移曲線

不同覆面試件的剪切試驗(yàn)載荷-位移曲線見圖4。木質(zhì)OSB覆面試件的破壞載荷最大，重組竹覆面試件最小。木質(zhì)OSB和重組竹覆面試件的破壞位移較為接近，而竹簾膠合板覆面試件的破壞位移最大。這是由于竹簾膠合板易于彎曲，其對芯層硬度和剛度的增強(qiáng)效果較小，試件受力作用容易產(chǎn)生彎曲變形。

圖4 抗剪性能載荷-位移曲線Fig. 4 Load-displacement curve for shear strength

2.2.3 抗剪強(qiáng)度

經(jīng)測定，木質(zhì)OSB、重組竹和竹簾膠合板覆面試件的抗剪強(qiáng)度分別為0.096，0.062和0.078 MPa。ASTM D7446-09中對抗剪強(qiáng)度的限值為0.062 MPa，因此，竹簾膠合板及木質(zhì)OSB覆面試件均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從破壞形式看，通過采用整體性覆面板、面層拼縫錯位拼貼或增加覆面板厚度的方法可以提高重組竹及竹簾膠合板覆面SIP的抗剪強(qiáng)度。

2.3 過梁抗彎性能

2.3.1 過梁抗彎性能試件破壞情況

3種覆面材料SIP過梁抗彎性能測試試件的破壞情況如圖5所示。從圖中可以看出，木質(zhì)OSB覆面試件的單側(cè)面板和靠近面板側(cè)的芯層出現(xiàn)開裂，但開裂程度較??；重組竹覆面試件的面層和芯層均完全斷裂；竹簾膠合板覆面試件壓輥部分陷入試件內(nèi)，在試件表面形成凹陷。產(chǎn)生不同破壞形式是由于3種覆面材料的厚度和材料組成方式不同。木質(zhì)OSB面板的厚度為12 mm，另外兩種材料的厚度只有6 mm，三者的剛度和硬度不同。對試件施加壓力作用時，木質(zhì)OSB覆面試件的硬度和剛性較大，使壓輥難以壓入。竹簾膠合板試件由于覆面材料較薄，剛度和硬度較小，在壓力作用下壓輥陷入試件中。重組竹板的剛度和硬度都較好，但由于重組竹面板是由窄單板組合而成，橫向連接強(qiáng)度較差，在對試件施加壓力載荷的過程中，窄單板之間因拉伸作用而開裂，芯層在面板牽扯下逐漸被撕開，重組竹試件發(fā)生整體斷裂。

圖5 過梁抗彎試件破壞情況Fig. 5 Lintel flexural damage situation of samples

2.3.2 過梁抗彎性能載荷-位移曲線

木質(zhì)OSB、重組竹和竹簾膠合板覆面試件過梁抗彎性能的載荷-位移曲線見圖6。從圖中可以看出，木質(zhì)OSB覆面試件的破壞載荷最大，竹簾膠合板覆面試件次之，重組竹覆面試件最小。木質(zhì)OSB和重組竹覆面試件的破壞載荷位移相近，而竹簾膠合板覆面試件最小。達(dá)到破壞載荷后，木質(zhì)OSB和重組竹覆面試件的承載力迅速下降，竹簾膠合板覆面試件則緩慢下降。

圖6 過梁抗彎性能載荷-位移曲線Fig. 6 Load-displacement curves for lintel flexural performance

2.3.3 抗彎強(qiáng)度

經(jīng)測定，木質(zhì)OSB、重組竹和竹簾膠合板覆面試件的抗彎強(qiáng)度分別為2.87，0.66和4.04 MPa。重組竹覆面試件的抗彎強(qiáng)度最小，其破壞發(fā)生在由重組竹窄板在寬度方向上拼接時的拼縫處。這是由于重組竹板是由窄單板橫向拼接而成，橫向連接強(qiáng)度較??；此外，與竹簾膠合板單元縱橫交錯、木質(zhì)OSB單元不定向交叉相比，重組竹竹束本身是一維高度定向的，更容易出現(xiàn)應(yīng)力集中而破壞。為了提高重組竹覆面試件的抗彎性能，當(dāng)開設(shè)洞口作為過梁使用時，可以考慮改變洞口處覆面重組竹的竹束走向、采用整幅單板或面板厚度增加的方式，避免載荷對板材連接強(qiáng)度較弱界面的應(yīng)力集中，提高抗彎強(qiáng)度。

3 結(jié)論與討論

對木質(zhì)OSB、重組竹和竹簾膠合板覆面的墻板進(jìn)行拉伸黏結(jié)強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及過梁彎曲性能測試，結(jié)果表明：

1)木質(zhì)OSB、竹簾膠合板墻板的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度分別為0.157和0.150 MPa，符合JGJ 144—2004中對EPS板現(xiàn)澆混凝土外墻外保溫系統(tǒng)現(xiàn)場黏結(jié)強(qiáng)度的要求；重組竹覆面板材的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度為0.059 MPa，低于限定值。

2)木質(zhì)OSB、重組竹和竹簾膠合板墻板的抗剪強(qiáng)度分別為0.096，0.062和0.078 MPa，均能滿足ASTM D7446-09中的抗剪強(qiáng)度要求。

3)木質(zhì)OSB、重組竹和竹簾膠合板覆面試件的過梁抗彎強(qiáng)度分別為2.87，0.66和4.04 MPa。

4)重組竹覆面墻板拉伸黏結(jié)強(qiáng)度較低的原因，是由于重組竹面板的厚度較小而導(dǎo)熱系數(shù)較大，板材壓制過程中高溫通過覆面板傳遞到聚苯乙烯芯板造成其受熱破壞；過梁抗彎性能較低的原因，與竹束走向及拼縫處的應(yīng)力集中有關(guān)。為了提高重組竹的拉伸黏結(jié)強(qiáng)度，應(yīng)注意避免材料制作過程中的熱傷害；為提高其過梁抗彎性能，當(dāng)在墻體上開設(shè)門窗洞口作為過梁使用時，可以考慮改變覆面重組竹的竹束走向，避免載荷對板材連接強(qiáng)度較弱界面的應(yīng)力集中。

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Mechanical properties of structural insulated panelsfaced with different materials

WANG Xuehua1,2, FANG Lu1, CHEN Hong1, WU Zhihui1, FEI Benhua2*

(1. College of Furnishings and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

As a building component, structural insulated panel (SIP) has advantages of light weight, high intensity, excellent thermal and sound insulation, while its application was limited by the shortage of wood resources. In an attempt to seek broad sources for the building material, two types of bamboo-based panels (bamboo scrimber and bamboo plywood) were used to evaluate the possibility of SIP in the building application. The tensile bond strength, shear strength and lintel flexural performances of SIP shelled with wooden oriented strand board (OSB), bamboo plywood and bamboo scrimber were tested according to the ISO 22452：2011 standard. The results showed that the tensile bond strength of SIP shelled with wooden OSB, bamboo plywood and bamboo scrimber were 0.157, 0.150 and 0.059 MPa, respectively. The former two could satisfy the requirements of JGJ 144-2004 standard, in which the tension bond strength requirement of expanded polystyrene was 0.10 MPa, while the tensile bond strength of SIP shelled with bamboo scrimber was lower than the requirement. The shear strengths were 0.096, 0.078 and 0.062 MPa, respectively, and lintel flexural performances were 2.87, 4.04 and 0.66 MPa, respectively. The SIP shelled with bamboo scrimber had lower tension bond strength because bamboo scrimber has a higher heat transfer coefficient than that of wooden OSB and bamboo plywood. In order to improve the tension bond strength, the thermal damage should be avoided in the manufacture process. The SIP shelled with bamboo scrimber also had a lower flexural behavior because the bamboo scrimber was glued together along the loading direction, and therefore it was difficult to make a perfect product. In order to improve the flexural behavior when SIP is used as lintel, the bamboo bundle direction should be adjusted to avoid stress concentration on the weak interface.

structural insulated panels; face panel; tensile bond strength; shear strength; lintel flexural performance

2016-12-05

2017-01-21

“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFD0600702)；南京林業(yè)大學(xué)高層次人才科研啟動基金(GXL1023)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)。

王雪花，女，講師，研究方向?yàn)槟?竹質(zhì)建筑材料。通信作者：費(fèi)本華，男，研究員。E-mail:feibenhua@icbr.ac.cn

TU366

A

2096-1359(2017)03-0016-06