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(hù)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(duì)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(chēng)為熱橋。建筑結(jié)構(gòu)的熱橋會(huì)造成建筑物內(nèi)外熱量的傳遞,導(dǎo)致建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱性能的下降。因此可采取一定的措施來(lái)切斷熱橋(簡(jiǎn)稱(chēng)“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(diǎn)部位、陽(yáng)臺(tái)雨棚挑梁部位等都極易形成熱橋[4]。目前國(guó)內(nèi)通常采用外墻外保溫的方式來(lái)解決熱橋問(wèn)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(duì)節(jié)能建筑的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
文獻(xiàn)[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(lái)減少或阻斷室內(nèi)外的熱量交換,從而達(dá)到建筑保溫的目的。文獻(xiàn)[8-10]提出用FRP筋來(lái)代替貫通室內(nèi)與陽(yáng)臺(tái)懸挑部分的鋼筋來(lái)減少熱量的傳遞。
國(guó)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(guó)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(guó)外各企業(yè)的商業(yè)秘密,需要同時(shí)具有導(dǎo)熱系數(shù)低、受力性能好、價(jià)格低等特征。我國(guó)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(jī)保溫材料,玻化微珠、巖棉、玻璃棉板、發(fā)泡水泥板等[13-16]無(wú)機(jī)保溫材料雖然導(dǎo)熱系數(shù)較低且價(jià)格實(shí)惠,但是強(qiáng)度和彈性模量較低,不能滿足熱斷橋材料對(duì)力學(xué)性能的要求。
針對(duì)熱斷橋材料低導(dǎo)熱系數(shù)和高力學(xué)性能的要求,通過(guò)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(jiǎn)便,可用于高強(qiáng)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(jí)的代號(hào),但是FR-4板材(FR4)一般指的是環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃纖維的復(fù)合材料,有良好的機(jī)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(qiáng)材料,在工業(yè)領(lǐng)域有著大量的運(yùn)用。
對(duì)以上4種材料的試件進(jìn)行壓縮性能試驗(yàn)和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定,分別設(shè)計(jì)制作40,12個(gè)試件,測(cè)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。
對(duì)PA6、PVC、FR4和PEEK進(jìn)行抗壓性能試驗(yàn)和導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn),以獲得材料的抗壓強(qiáng)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?yàn)按GB/T 1446—2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》[17]和GB/T 1448—2005《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》[18]進(jìn)行,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)按照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測(cè)定防護(hù)熱板法》[19]進(jìn)行。
PA6、PVC、PEEK采用德國(guó)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(hào)如表1所示。
表1 材料規(guī)格Table 1 Material specifications
按照文獻(xiàn)[18],抗壓性能試驗(yàn)中試件尺寸為30 mm×10 mm×10 mm;按照文獻(xiàn)[19],導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)中試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm。
1.2.1試驗(yàn)過(guò)程
抗壓性能試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下進(jìn)行,所用試驗(yàn)儀器為萬(wàn)測(cè)504C-TS微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。
抗壓性能試驗(yàn)為靜態(tài)試驗(yàn),以2 mm/min恒定速率對(duì)試件進(jìn)行壓縮。由抗壓性能試驗(yàn)后對(duì)各試件破壞模式進(jìn)行對(duì)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(yàn)結(jié)果
40個(gè)受壓試件的測(cè)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(jì)算,計(jì)算式如下:
表2 壓縮強(qiáng)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(duì)應(yīng)的應(yīng)力;σ0.0005為0.000 5應(yīng)變對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。
試件編號(hào)中間的30表示試件長(zhǎng)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
導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)采用雙試件裝置方法,該方法的試驗(yàn)原理為在試件之間建立均勻的一維熱流密度,測(cè)量通過(guò)試件的熱流大小以及試件的溫度變化來(lái)計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。采用沈陽(yáng)合興牌的智能化導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀DRCD-3030進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量,導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果如表3所示。
表3 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果Table 3 Measured thermal conductivity coefficients W/(m·K)
馮鵬等提出了一種屈服點(diǎn)定義的簡(jiǎn)化方法:“最遠(yuǎn)點(diǎn)法”[20],即曲線上距離原點(diǎn)和峰值點(diǎn)連線最遠(yuǎn)的點(diǎn)為屈服點(diǎn),如圖3所示。鄭休寧等建議采用Coplan法來(lái)確定PVC-U管材的屈服點(diǎn)[21],認(rèn)為Coplan法更接近ISO 527-1∶1993中對(duì)于屈服點(diǎn)的定義。Coplan法(圖4)規(guī)定,平行于原點(diǎn)與峰值點(diǎn)連線的直線與應(yīng)力-應(yīng)變曲線相切,其切點(diǎn)為屈服點(diǎn)[22]?!白钸h(yuǎn)點(diǎn)法”跟Coplan法雖然表述不同,但是兩種方法所確定的屈服點(diǎn)基本相同。
圖3 確定構(gòu)件屈服強(qiáng)度的最遠(yuǎn)點(diǎn)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(hào)中間的300表示試件長(zhǎng)度為300 mm。
PA6、PVC和PEEK為延性材料,按“最遠(yuǎn)點(diǎn)法”確定的各試件屈服點(diǎn)如表4所示。FR4屬于線彈性材料,不存在屈服點(diǎn)。
表4 測(cè)試得到的各試件材料屈服點(diǎn)Table 4 Tested yielding points of specimens
(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(qiáng)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(jìn)行擬合。
對(duì)于待定系數(shù),運(yùn)用Matlab軟件,采用最小二乘法進(jìn)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(shí)分別為屈服點(diǎn)和壓縮強(qiáng)度點(diǎn),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(diǎn)前,各曲線段擬合優(yōu)度都超過(guò)0.95,擬合效果良好;屈服點(diǎn)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(diǎn)后擬合優(yōu)度偏低,但各曲線的均方根誤差值在3以?xún)?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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Table 6 Comparisons between fitting results and testing data
4種材料基本力學(xué)和熱工性能試驗(yàn)結(jié)果以及材料成本匯總于表7。
表7 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 7 Comparisons of experiment results
對(duì)PA6、PVC、FR4三種材料的綜合性能進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)及成本;σ0、λ0、P0分別為壓縮強(qiáng)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(xiàng)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。可見(jiàn):FR4的綜合性能最高,PA6次之,PVC最低。不過(guò),該模型抗壓強(qiáng)度、導(dǎo)熱系數(shù)、成本對(duì)綜合性能的權(quán)重都為1,實(shí)際工程應(yīng)用可能會(huì)與之不符。因此上述對(duì)比結(jié)果僅供參考,實(shí)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(duì)比Fig.6 Comparisons of comprehensive performances between different materials
遴選出PA6、PVC、FR4和PEEK 4種材料用于結(jié)構(gòu)斷橋連接,并對(duì)4種材料的基本力學(xué)性能和熱工性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,包括40個(gè)試件的壓縮性能試驗(yàn)和12個(gè)試件的導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)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(yuǎn)點(diǎn)法”得到了PA6、PVC和PEEK材料的屈服強(qiáng)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(yàn)測(cè)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(guò)高,不適宜作為熱斷橋材料應(yīng)用;對(duì)PA6、PVC和FR4的力學(xué)、熱工性能、成本三方面的綜合性能η進(jìn)行定量分析,表明FR4的綜合性能最好,PA6次之,PVC最低。