李雨珊，尹世平,2*，徐世烺，侯向明，王宇清，李傳秀

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省土木工程環(huán)境災(zāi)變與結(jié)構(gòu)可靠性重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；4.山西五建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013)

對(duì)建筑外墻進(jìn)行外保溫的做法因?yàn)榫哂斜匦Ч?、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1]，但由保溫材料的耐火和耐腐蝕性能差而引發(fā)的火災(zāi)和保溫材料脫落等安全隱患卻不容忽視。夾心保溫體系因具有優(yōu)異的耐火、耐腐蝕性能和能實(shí)現(xiàn)與建筑結(jié)構(gòu)同壽命等優(yōu)點(diǎn)而逐漸被人們關(guān)注和使用。夾心保溫體系由內(nèi)、外混凝土層、中間保溫層及一系列將3者連接成整體的連接件組成，是一種集保溫、承重和飾面為一體的外墻保溫形式[2]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，夾心保溫墻體的飾面層長(zhǎng)期受到太陽(yáng)照射、雨水侵蝕、白晝和季節(jié)性溫差的影響，使得飾面層的混凝土極易發(fā)生開(kāi)裂和脫落，進(jìn)而影響了保溫材料的保溫和耐久性能。為了確保保溫材料能夠長(zhǎng)期保持自身的完整性和保溫性能，非常有必要采用一種具有優(yōu)異開(kāi)裂變形特征的延性材料作為夾心保溫墻板的飾面層。

工程水泥基復(fù)合材料（engineering cementi-based composite，ECC）是一種高延性水泥基復(fù)合材料，在荷載作用下的裂縫寬度能夠控制在100 μm以下[3]，具有優(yōu)異的抗拉性能[4]、多縫開(kāi)裂能力和應(yīng)變硬化特征[5–6]。在工程應(yīng)用中，ECC飾面層的厚度僅需滿足錨固要求即可，內(nèi)部可不布置鋼筋網(wǎng)[7–8]。鑒于ECC如此卓越的性能，不少學(xué)者對(duì)其力學(xué)和耐久性能進(jìn)行了研究。王衍[9]和李素華[10]等對(duì)ECC試塊進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)ECC的極限壓應(yīng)變遠(yuǎn)大于普通混凝土，并呈現(xiàn)出延性破壞特征。Li[11]、Guan[12]、張棟翔[13]等對(duì)不同配合比下ECC的拉伸性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)PVA纖維摻量為2%時(shí)，ECC的拉伸性能最好，并且粗骨料的存在會(huì)降低纖維的橋接作用。Kanda[14]和孔燕[15]等對(duì)ECC的抗彎性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)ECC的變形能力要比普通混凝土強(qiáng)得多，并且其抗彎強(qiáng)度與PVA纖維體積率成正比、與水膠比成反比。鄧宗才等[16]對(duì)ECC和普通混凝土的耐久性能進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)ECC在水平和豎直方向上的抗凍性能均高于普通混凝土。綜上，為了避免夾心保溫體系在服役過(guò)程中因飾面層混凝土開(kāi)裂脫落導(dǎo)致內(nèi)部保溫材料受到侵蝕，可以采用變形和耐久能力均較好的ECC材料作為夾心保溫墻體的飾面層。

為了滿足建筑使用要求和實(shí)際工程需要，需要對(duì)夾心保溫體系的各種性能進(jìn)行研究。其中，內(nèi)、外混凝土層與中間保溫層的黏結(jié)和整體性能是影響其使用的最薄弱環(huán)節(jié)[17]。對(duì)此，不少學(xué)者已經(jīng)對(duì)夾心保溫體系的黏結(jié)性能進(jìn)行了相關(guān)研究。Jang等[18]對(duì)預(yù)制混凝土夾芯保溫板進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在XPS保溫板表面開(kāi)設(shè)10mm的槽可以有效提高界面間的黏結(jié)強(qiáng)度。尹紅宇等[19]發(fā)現(xiàn)在混凝土表面進(jìn)行預(yù)留溝槽處理，可以有效提高內(nèi)外混凝土面層與保溫材料界面間的黏結(jié)性能。吳方伯等[20]通過(guò)剪切試驗(yàn)研究了連接件對(duì)夾心保溫墻板黏結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)加入連接件后，試件的抗剪性能顯著提升，并且其承載能力能夠滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求。Hodicky等[21]研究了保溫層厚度的影響，發(fā)現(xiàn)保溫層厚度越小，夾心保溫墻板的黏結(jié)性能越好。宋小軟等[22]對(duì)不同保溫材料進(jìn)行了研究，并建議采用XPS材料作為保溫層時(shí)不宜僅進(jìn)行單純的自然連接。

綜上所述，目前對(duì)于夾心保溫體系的研究大多采用普通混凝土結(jié)構(gòu)作為內(nèi)、外混凝土面層，但是普通混凝土與ECC材料的性能差異較大，采用ECC材料作為內(nèi)、外混凝土層的夾心保溫體系的黏結(jié)性能必然與普通混凝土有所不同。因此為了給ECC在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供依據(jù)，有必要對(duì)ECC材料與保溫材料間的黏結(jié)性能進(jìn)行研究。為了加強(qiáng)內(nèi)外ECC層的連接和墻板的整體性，可在內(nèi)、外ECC層和保溫層中設(shè)置貫通的連接件。與金屬材料相比，采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP）作為連接件具有更低的熱傳導(dǎo)率，能夠很大程度上降低“冷熱橋”現(xiàn)象對(duì)墻體保溫性能的影響。

因此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用ECC材料作為夾心保溫墻板的結(jié)構(gòu)層和飾面層、XPS材料作為保溫層、BFRP筋作為連接件構(gòu)成一個(gè)新型夾心保溫墻體結(jié)構(gòu)。通過(guò)雙面剪切試驗(yàn)，研究墻體的制作方式、保溫材料厚度、有無(wú)連接件及連接件角度對(duì)ECC材料與XPS保溫板界面黏結(jié)性能的影響，并基于ECC材料與EPS保溫板的界面抗剪承載力對(duì)保溫材料為XPS的墻板的抗剪承載力進(jìn)行補(bǔ)充。為了能夠更加客觀地描述抗剪承載力，并與他人的研究成果進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)中還給出了各試件的抗剪強(qiáng)度，以此來(lái)評(píng)價(jià)ECC材料與XPS保溫板的黏結(jié)性能。

1 試件設(shè)計(jì)與制備

試驗(yàn)中，ECC–XPS夾心保溫墻板由內(nèi)、外ECC面層、中間XPS保溫板及連接3層的BFRP連接件組成。由于單側(cè)剪切試驗(yàn)無(wú)法消除偏心帶來(lái)的影響[23]，因此，采用雙面剪切試驗(yàn)對(duì)夾心保溫墻板的黏結(jié)性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)方案中，根據(jù)試件試驗(yàn)方法確定試件設(shè)計(jì)[24]，同時(shí)為了方便計(jì)算并能更清晰地展現(xiàn)ECC材料與XPS保溫板之間的黏結(jié)性能，所有試件均采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，并且試件的內(nèi)外ECC面層采用相同尺寸，均為25 mm。因此，雙面剪切試件總共有5層，分別為25 mm ECC外面層、XPS保溫板、50 mm ECC內(nèi)面層、XPS保溫板、25 mm ECC外面層，其中兩層保溫板的厚度相同并根據(jù)試驗(yàn)變量而定。試件的詳細(xì)尺寸如圖1所示。

圖1 雙面剪切試驗(yàn)試件尺寸Fig. 1 Size of specimens for double-sided shear test

為了選取合適的BFRP連接件尺寸，對(duì)6、8、10和12 mm的BFRP筋進(jìn)行試驗(yàn)，筋材的螺紋深度為直徑的0.06，螺紋間距分別為8、9、10和10 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，12 mm BFRP筋的極限抗拉強(qiáng)度最高，其次是6 mm的BFRP筋，由于12 mm BFRP筋的橫截面積是6 mm BFRP筋的4倍，其對(duì)保溫材料的破壞更大，同時(shí)6 mm BFRP筋的螺紋數(shù)量比12 mm的BFRP筋多，提高筋材與ECC材料黏結(jié)性能的效果更顯著，因此試驗(yàn)采用6 mm的BFRP筋作為連接件。該連接件的極限抗拉強(qiáng)度為1 279 MPa，彈性模量為60.12 GPa，延伸率為2.13%。

1.1 原材料

根據(jù)文獻(xiàn)[25]確定試驗(yàn)所用ECC質(zhì)量配合比，詳細(xì)的配合比參數(shù)見(jiàn)表1，該配合比下ECC材料的力學(xué)性能見(jiàn)表2。其中，抗壓試驗(yàn)采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊，拉伸試驗(yàn)試件的總尺寸為32 mm×6 mm×13 mm、中間段長(zhǎng)為8 mm、寬為30 mm，4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)試件的尺寸為400 mm×100 mm×15 mm。試驗(yàn)所采用的保溫材料為保溫板，由于XPS保溫板是毛面板，表面比較粗糙，便未對(duì)其表面進(jìn)行開(kāi)槽處理，其詳細(xì)性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 工程水泥基復(fù)合材料（ECC）質(zhì)量配合比Tab. 1 Quality mix proportion of engineered cementitious composites kg/m3

表2 工程水泥基復(fù)合材料（ECC）力學(xué)性能Tab. 2 Mechanical properties of engineered cementitious composites

表3 XPS保溫板性能參數(shù)Tab. 3 Performance parameters of XPS insulation board

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共制作了21個(gè)試件，分為7組，每組各3個(gè)試件，3個(gè)試件的試驗(yàn)參數(shù)完全相同，主要用于消除試驗(yàn)誤差帶來(lái)的影響。7組試件分別考慮了制作方式、保溫層厚度、有無(wú)連接件和連接角度4種變量。試驗(yàn)所采用的制作方式為現(xiàn)澆和預(yù)制兩種，保溫層厚度選用50、70和100 mm3種，3種厚度均為實(shí)際工程應(yīng)用中常用的厚度。由于連接件傳遞剪力的能力主要取決于連接件在平行于黏結(jié)界面方向上的長(zhǎng)度，于是設(shè)置了45°、60°和90°3種連接件的角度來(lái)研究連接件的放置方式對(duì)試件黏結(jié)性能的影響。詳細(xì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 雙面剪切試驗(yàn)試件分組Tab. 4 Test group for double-sided shear test

試件以面層材料（制作方式）–保溫層材料（保溫層厚度）–連接件類型（連接件角度）的規(guī)則進(jìn)行命名。其中：第1項(xiàng)中的ECC(Y)表示面層采用預(yù)制的ECC材料，ECC(X)表示面層采用現(xiàn)澆的ECC材料；第2項(xiàng)中的XPS(50)、XPS(70)、XPS(100)分別表示所用XPS保溫板的厚度分別為50、70和100 mm；第3項(xiàng)中BFRP(45)、BFRP(60)、BFRP(90)分別表示所用BFRP連接件的角度分別為45°、60°和90°。注意，未設(shè)置連接件的試件不再寫(xiě)出第3項(xiàng)的信息。例如：ECC(X)–XPS(70)代表采用現(xiàn)澆ECC面層、XPS保溫板的厚度70 mm，未設(shè)置BFRP連接件。

1.3 試件制備

雙面剪切試驗(yàn)試件的制作過(guò)程如下：

首先，根據(jù)試件的尺寸制作木模板，并采用切割機(jī)將XPS保溫板切割成3種所需的設(shè)計(jì)尺寸；其次，根據(jù)保溫層的厚度及連接件的角度將BFRP筋切割成所需的長(zhǎng)度，并將其按照指定的角度和間隔插入到XPS保溫層中；緊接著，在木模板內(nèi)部涂抹脫模劑，并將保溫板放入到模板中的指定位置，同時(shí)采用小木塊將其固定；然后，制備ECC材料，并將其澆筑到木模板所留置的空隙中，振搗并抹平；最后，待試件成型后對(duì)其進(jìn)行脫模，并持續(xù)養(yǎng)護(hù)28 d。對(duì)于預(yù)制試件，先將內(nèi)、外層ECC面層澆筑成型并脫模，再將脫模后的ECC面層用黏結(jié)砂漿，把XPS保溫板黏結(jié)成整體，形成一個(gè)完整試件。其中，黏結(jié)砂漿為黏結(jié)聚合物與水的拌合物，黏結(jié)聚合物與水的比例為5∶1。

1.4 試驗(yàn)加載方案

采用雙面剪切試驗(yàn)，其中試件的推出量近似等于界面滑移量。為了防止加載過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力集中而影響試驗(yàn)結(jié)果，需要在內(nèi)層ECC的正上方放置一塊尺寸為150 mm×50 mm×20 mm的鋼墊塊，在兩個(gè)外層ECC的正下方分別放置一塊鋼板和一塊高為8 cm的鋼墊塊。雙面剪切試驗(yàn)測(cè)試圖如圖2（a）所示，加載和測(cè)量裝置如圖2（b）所示。圖2（b）中，試件的外層ECC被分別放置在兩個(gè)固定支座上，將壓力機(jī)放置在內(nèi)層ECC的頂部，用于施加豎向荷載，并且壓力機(jī)上設(shè)有力傳感器用于記錄施加的具體荷載值。試驗(yàn)所用的儀器為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)力學(xué)教學(xué)試驗(yàn)室30 t壓力機(jī)，加載過(guò)程采用位移控制，位移速度為0.2 mm/min。為了測(cè)量外層ECC的豎向相對(duì)位移和水平位移，分別在中間層ECC的前后和外層ECC的兩側(cè)面各放置一個(gè)位移計(jì)，其中，放置在中間層ECC前后的兩個(gè)位移計(jì)的量程為100 mm，放置在外層ECC側(cè)面的兩個(gè)位移計(jì)的量程為30 mm。為了記錄各個(gè)位移計(jì)的結(jié)果，將各個(gè)位移計(jì)與筆記本和3816采集儀連接，采集頻率為0.25 Hz。

圖2 雙面剪切試驗(yàn)Fig. 2 Double-sided shear test

2 結(jié)果與分析

2.1 ECC–XPS試件的承載能力和破壞模式分析

由于試驗(yàn)中的試件均是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此各個(gè)ECC層與保溫層黏結(jié)界面的抗剪強(qiáng)度可按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：τm為黏結(jié)界面的抗剪強(qiáng)度，MPa；P為試驗(yàn)中的極限荷載值，kN；A為ECC層與保溫層單個(gè)黏結(jié)界面的面積，mm2。

為了更好地體現(xiàn)出相同參數(shù)下試驗(yàn)結(jié)果的離散性特征，表5列出了參數(shù)相同的3個(gè)試件的極限荷載、極限荷載對(duì)應(yīng)的位移、抗剪強(qiáng)度及破壞模式。

表5 ECC–XPS試件雙面剪切試驗(yàn)結(jié)果Tab. 5 Double-sided shear test results of ECC–XPS specimens

由表5中列出的破壞模式可知，沒(méi)有連接件的試件的破壞模式全部為界面破壞，設(shè)有連接件的試件中不同連接件角度下的破壞模式各不相同，分別為界面破壞、外層ECC彎折破壞、BFRP連接件被拔出、斷裂、劈裂與界面破壞同時(shí)發(fā)生。

圖3為所有破壞模式的示例。對(duì)于沒(méi)有連接件的試件，施加的剪切力完全由內(nèi)外ECC面層與XPS保溫板界面的黏結(jié)作用來(lái)承擔(dān)，因此破壞模式均為界面破壞。界面破壞模式如圖3（a）所示。由圖3（a）可見(jiàn)：ECC層與XPS保溫板均保持完好，說(shuō)明ECC層和XPS保溫板的抗剪強(qiáng)度都高于兩者連接界面的黏結(jié)作用。由表5列出的極限荷載和抗剪強(qiáng)度值可見(jiàn)，無(wú)連接試件的抗剪承載力最高可達(dá)16.27 kN，抗剪強(qiáng)度可達(dá)0.136 MPa。殷明[26]測(cè)試了普通混凝土與XPS保溫板的黏結(jié)性能，其保溫材料的厚度為50 mm，混凝土與XPS保溫板采用黏結(jié)砂漿黏結(jié)，制作方法與本試驗(yàn)中的預(yù)制構(gòu)件基本一致，但是該試驗(yàn)中采用了螺栓來(lái)加強(qiáng)連接，其所測(cè)得的界面剪切黏結(jié)強(qiáng)度為0.044 MPa，比本試驗(yàn)中預(yù)制構(gòu)件的平均抗剪強(qiáng)度（0.030 MPa）增加了32%，但是本試驗(yàn)中預(yù)制構(gòu)件的保溫層厚度為70 mm且未采用連接件。比較表5中試件ECC(X)–XPS(50)、ECC(X)–XPS(70)和ECC(X)–XPS(100)的抗剪強(qiáng)度可知，試件的抗剪強(qiáng)度隨著保溫層厚度的降低而增大。這說(shuō)明了ECC材料與XPS保溫板的黏結(jié)性能并不亞于普通混凝土，同時(shí)ECC材料具有多縫開(kāi)裂、應(yīng)變硬化和高韌性等特點(diǎn)，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中使用能更有效地保護(hù)內(nèi)部保溫材料以避免保溫材料受到侵蝕，導(dǎo)致保溫隔熱性能退化，因此，可以說(shuō)明ECC材料更優(yōu)于普通混凝土。尹紅宇等[19]測(cè)試了TRC板與再生輕集料保溫混凝土的界面黏結(jié)性能，其保溫層厚度為0 mm，無(wú)連接件，也未采用黏結(jié)劑，制作方式類似于本試驗(yàn)中的現(xiàn)澆試件，其所測(cè)得的平均抗剪強(qiáng)度為0.070 MPa，較本試驗(yàn)中ECC(X)–XPS(70)試件的平均抗剪強(qiáng)度（0.120 MPa）降低了41.7%。因此，可以說(shuō)明ECC材料與XPS保溫板的黏結(jié)性能更加優(yōu)異。因此，采用ECC材料作為夾心保溫墻板的外面層能夠保證與保溫板的最基本黏結(jié)作用。

圖3 ECC–XPS試件破壞模式Fig. 3 Failure mode of ECC–XPS specimens

對(duì)于設(shè)置60°連接件的試件，外側(cè)ECC面層彎折破壞為主要破壞模式。ECC面層彎折破壞模式如圖3（b）所示。由圖3（b）可見(jiàn)：由于非垂直布置的連接件在豎向荷載的作用下會(huì)同時(shí)受到軸力、剪力和彎矩的作用，因此第1層60°連接件會(huì)在彎矩的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。連接件轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中其垂直方向上的長(zhǎng)度會(huì)逐漸增大，而中間層ECC面層的變形受到約束，因此外側(cè)ECC面層會(huì)隨著連接件的轉(zhuǎn)動(dòng)向外變形，直到ECC面層與保溫板脫黏并發(fā)生彎曲斷裂破壞。由于試驗(yàn)中的連接件是按照八字形布置的，因此只有ECC面層主裂縫以上的界面發(fā)生了脫黏，主裂縫以下的界面未發(fā)生脫黏，說(shuō)明這種破壞模式與簡(jiǎn)支板的受彎破壞并不完全一致，簡(jiǎn)支板受彎時(shí)其上下表面能夠自由變形，而ECC–XPS試件中的ECC面層受彎時(shí)其下表面會(huì)受到黏結(jié)作用的約束，因此ECC面層只出現(xiàn)一條主裂縫且裂縫寬度很大，類似于折斷。同時(shí)，在試驗(yàn)過(guò)程中，連接件和錨固區(qū)的ECC面層均未發(fā)生破壞，說(shuō)明連接件受到的彎矩、剪力和軸力均小于BFRP筋的極限承載力，ECC面層對(duì)于連接件的錨固能力也要強(qiáng)于ECC面層的抗彎折承載能力。

對(duì)于設(shè)置90°連接件的試件，其破壞模式除了界面破壞外還發(fā)生了連接件拔出、斷裂、劈裂破壞。連接件拔出、斷裂及劈裂破壞模式分別見(jiàn)圖3（c）和（d）。在加載過(guò)程中，連接件會(huì)同時(shí)受到剪切力和彎矩的作用，連接件所受到的彎矩由兩端向中間遞減，與保溫層的厚度有關(guān)，而所受到的剪應(yīng)力在連接件長(zhǎng)度方向上不會(huì)發(fā)生變化，僅與外荷載的大小有關(guān)。由圖3（c）可見(jiàn)：連接件的斷裂發(fā)生在端部，錨固區(qū)的ECC面層未出現(xiàn)開(kāi)裂脫落的現(xiàn)象，說(shuō)明這種破壞是由于連接件受到的彎矩達(dá)到了其極限抗彎承載力，而說(shuō)明ECC材料在彎矩作用下抵抗開(kāi)裂的能力要高于連接件的抗彎承載力，并且ECC對(duì)BFRP連接件的錨固效果也要優(yōu)于連接件的承載能力；連接件的拔出破壞也是發(fā)生在端部并且破壞區(qū)域ECC殘留的孔徑明顯大于連接件的直徑，但錨固區(qū)的ECC未出現(xiàn)開(kāi)裂脫落而連接件被嚴(yán)重磨損，說(shuō)明ECC對(duì)連接件的錨固強(qiáng)度要低于連接件自身的抗彎和抗剪承載力。此外，一個(gè)試件中同時(shí)發(fā)生了連接件斷裂和拔出破壞，說(shuō)明ECC材料對(duì)于BFRP連接件的錨固效果不穩(wěn)定，因此在進(jìn)行連接件的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量避免采用90°的連接件，或者通過(guò)改善連接件的端部形式來(lái)提高錨固能力。由圖3（d）可見(jiàn)：連接件的劈裂破壞發(fā)生在連接件的中部，說(shuō)明這些連接件的抗剪能力較差，低于連接件的抗彎承載力和ECC的錨固能力；同時(shí)這種破壞僅發(fā)生在個(gè)別試件的個(gè)別連接件中，說(shuō)明連接件劈裂破壞是連接件的制作不滿足要求造成的。

對(duì)于設(shè)有45°連接件的試件，主要的破壞模式為界面破壞。設(shè)有45°連接件試件的界面破壞如圖3（e）所示。在豎向荷載作用下，連接件會(huì)受到軸力、彎矩和剪力的作用，由于連接件的角度較小，連接件受到的切向的剪力和彎矩也較小，因此45°連接件比60°連接件更難發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖3（e）可見(jiàn)，外側(cè)ECC板未發(fā)生彎折破壞且未與保溫板發(fā)生脫黏，說(shuō)明45°連接件的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)ECC產(chǎn)生的彎折力要小于ECC板的抗彎折承載力，也小于ECC板與保溫板的黏結(jié)作用。由表5列出的極限荷載值可見(jiàn)，這種類型的試件的承載能力最好，極限荷載最高可達(dá)47.76 kN，約為無(wú)連接件試件的3倍，并且45°連接件能夠有效發(fā)揮出BFRP筋優(yōu)越的抗拉性能，提高了連接件對(duì)ECC–XPS界面抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

2.2 荷載–滑移曲線分析

圖4為不同ECC–XPS試件的荷載–滑移曲線。由圖4可見(jiàn)：對(duì)于無(wú)連接件的試件，外荷載完全由ECC板與XPS保溫板的黏結(jié)作用承擔(dān)，因此，無(wú)連接件試件的關(guān)系曲線可以分為兩個(gè)階段，分別為線性上升段和下降段。在線性上升段，荷載值隨著位移的增加逐漸增大，此時(shí)試件的黏結(jié)界面未發(fā)生損傷，在達(dá)到極限荷載后，ECC板與XPS保溫板的黏結(jié)界面開(kāi)始發(fā)生脫黏，界面黏結(jié)強(qiáng)度降低，荷載值隨著位移的增加急速下降直至界面完全脫黏，試件失效。對(duì)于設(shè)有連接件的試件，外荷載由ECC板與XPS保溫板的黏結(jié)作用和連接件共同承擔(dān)，因此，有連接件試件的關(guān)系曲線可以分為3個(gè)階段，分別為線性上升段、下降段和滑移段。在線性上升段，荷載值隨著位移的增加逐漸增大，此時(shí)試件的黏結(jié)界面和連接件均未發(fā)生破壞；在達(dá)到極限荷載后，界面的黏結(jié)作用開(kāi)始失效，但連接件的存在能夠在一定程度上減緩黏結(jié)界面破壞的程度，此時(shí)連接件對(duì)抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)值逐漸增大；在荷載下降到一定值后，曲線進(jìn)入滑移段；此時(shí)45°試件和90°試件的荷載值存在再次上升和下降的情況，這是連接件的承載能力進(jìn)一步得到發(fā)揮的結(jié)果；而60°試件的荷載值隨著位移的增加基本沒(méi)有變化，這是因?yàn)樵擃愒嚰谶B接件充分發(fā)揮承載能力之前便發(fā)生了ECC板彎折破壞。

圖4 ECC–XPS試件荷載–滑移曲線Fig. 4 Load–slip curves of ECC–XPS specimens

2.3 各影響因素對(duì)抗剪承載力和荷載–滑移曲線的影響

由表5中ECC(X)–XPS(70)和ECC(Y)–XPS(70)試件的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，現(xiàn)澆試件的極限承載力和抗剪強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于預(yù)制試件，其中現(xiàn)澆試件的抗剪強(qiáng)度為0.120 MPa，約為預(yù)制試件的4倍。圖5為現(xiàn)澆試件和預(yù)制試件的破壞模式。由圖5可見(jiàn)：無(wú)論是現(xiàn)澆試件還是預(yù)制試件，在無(wú)連接件的情況下均發(fā)生界面破壞；預(yù)制試件的破壞界面基本無(wú)黏結(jié)現(xiàn)象，且ECC面層中無(wú)保溫材料的附著和殘留；現(xiàn)澆試件可以明顯看到界面脫黏處存在保溫材料被拉扯的現(xiàn)象，且有部分保溫材料遺留在ECC面層上，說(shuō)明了現(xiàn)澆ECC面層與保溫板的黏結(jié)性能更好。結(jié)合表5列出的極限荷載及圖4（a）可知：現(xiàn)澆與預(yù)制試件的荷載–滑移曲線變化趨勢(shì)基本一致，但是在線性上升段，預(yù)制試件的剛度要遠(yuǎn)低于現(xiàn)澆試件，說(shuō)明改變制作方式還會(huì)影響試件的抗剪剛度；現(xiàn)澆試件在達(dá)到極限荷載時(shí)的滑移量約為預(yù)制試件的2倍，說(shuō)明預(yù)制試件承受外荷載的時(shí)間十分短暫，不適合在實(shí)際工程中應(yīng)用；預(yù)制試件在達(dá)到極限荷載后迅速失效，而現(xiàn)澆試件會(huì)有承載力明顯下降的階段，說(shuō)明預(yù)制試件的黏結(jié)界面一旦發(fā)生損傷便會(huì)快速全部脫黏，而現(xiàn)澆試件會(huì)有損傷傳遞的過(guò)程。因此，雖然兩種制作方式的試件均屬于脆性破壞，但是現(xiàn)澆試件能夠提供一些失效的信號(hào)。

圖5 現(xiàn)澆試件與預(yù)制試件破壞模式對(duì)比Fig. 5 Comparison of failure modes between cast-in-place specimens and prefabricated specimens

由表5中ECC(X)–XPS(50)、ECC(X)–XPS(70)和ECC(X)–XPS(100)試件的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，隨著保溫層厚度的增加，ECC–XPS試件的極限承載力和抗剪強(qiáng)度降低，并且厚度越大承載能力降低的程度越顯著。其中，ECC(X)–XPS(70)試件和ECC(X)–XPS(100)試件的抗剪強(qiáng)度分別為0.120 MPa和0.069 MPa，相較于ECC(X)–XPS(50)試件分別降低了9.1%和47.7%。由圖4（b）可知：3類試件的曲線變化趨勢(shì)基本一致，并且保溫層厚度為50和70 mm的試件在線性上升段的剛度相差不大，但是保溫層厚度為100 mm的試件的剛度遠(yuǎn)小于其余兩類試件，說(shuō)明隨著保溫層厚度的增加，試件在線性上升段的剛度的下降幅度增大；保溫層厚度為50 mm試件在達(dá)到極限荷載時(shí)的滑移量最大，而保溫層厚度為70和100 mm試件的滑移量相差不大，說(shuō)明隨著保溫層厚度的增加，保溫層厚度對(duì)極限荷載對(duì)應(yīng)滑移量的影響減?。辉谙陆惦A段，3類試件都有明顯的損傷傳遞過(guò)程，并且達(dá)到極限荷載后的延性隨著保溫層厚度的增加而減小，但是這種下降的程度并不顯著。此外，由于沒(méi)有設(shè)置連接件，這3類試件依舊屬于脆性破壞。

由表5中ECC(X)–XPS(70)和ECC(X)–XPS(70)–BFRP(90)試件的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，連接件的存在能夠有效提高ECC–XPS試件的極限承載力和抗剪強(qiáng)度，其中ECC(X)–XPS(70)–BFRP(90)試件的抗剪強(qiáng)度為0.166 MPa，相較于無(wú)連接件試件提高了38.3%。由圖4（c）可知：在線性上升階段和下降段，兩類試件的荷載–滑移曲線的斜率基本一致，說(shuō)明設(shè)置90°連接件不會(huì)改變?cè)嚰仙蔚膭偠?；然而，設(shè)有90°連接件的試件不僅增加了滑移段，還存在強(qiáng)化階段和“雙峰”現(xiàn)象，說(shuō)明連接件的存在能夠顯著提高試件達(dá)到極限荷載后的延性，并且黏結(jié)界面的失效會(huì)受到連接件的抑制，延緩了界面破壞的發(fā)生；在達(dá)到第2個(gè)峰值后，黏結(jié)界面的破壞程度進(jìn)一步加大，荷載再次下降，之后剪切力幾乎完全由連接件承擔(dān)，直到連接件發(fā)生斷裂、劈裂、拔出破壞，試件失效。上述的“雙峰”現(xiàn)象是由于黏結(jié)界面開(kāi)始發(fā)生破壞后，連接件對(duì)試件承載能力的貢獻(xiàn)逐漸增大，其自身承載能力的發(fā)揮也逐漸提升，因此隨著位移的增加，荷載值再次增大。此外，設(shè)有連接件的試件在達(dá)到極限荷載后的滑移量約為無(wú)連接件試件的6倍，并呈現(xiàn)出延性破壞特征，因此為了提高實(shí)際工程應(yīng)用的安全性，應(yīng)盡量在夾心保溫墻板中設(shè)置一定數(shù)量的連接件。

由表5中ECC(X)–XPS(70)–BFRP(90)、ECC(X)–XPS(70)–BFRP(60)和ECC(X)–XPS(70)–BFRP(45)試件的試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，隨著連接件角度的減小，ECC–XPS試件的極限承載力和抗剪強(qiáng)度逐漸增大。其中，連接件角度為60°和45°試件的抗剪強(qiáng)度分別為0.217和0.351，相較于連接件角度為90°試件分別提高了30.7%和89.8%。根據(jù)2.1節(jié)的分析，試件的破壞模式會(huì)隨著連接件角度的變化而變化。由圖4（d）可知：在線性上升段，荷載–滑移曲線的斜率隨著連接件角度的減小而增大，說(shuō)明降低連接件角度能夠有效提高試件的抗剪剛度；在達(dá)到極限荷載時(shí)，3種試件的滑移量基本相同，說(shuō)明極限荷載所對(duì)應(yīng)的滑移量與連接件角度無(wú)關(guān)；在下降段，連接件角度為60°試件的荷載–滑移曲線斜率最大，這是因?yàn)樵擃愒嚰钠茐哪Ｊ綖镋CC板彎折破壞，其斜率取決于ECC板的抗彎剛度，而不是黏結(jié)界面的抗剪剛度；在滑移段，除了連接件角度為60°的試件，其余兩類試件均存在強(qiáng)化階段，這是因?yàn)樵擃愒嚰谶B接件發(fā)揮增強(qiáng)作用之前，ECC板便率先發(fā)生了彎折破壞。同時(shí)，改變連接件的角度會(huì)改變連接件的受力，90°連接件在加載過(guò)程中僅受到了彎矩和剪力作用，而45°和60°連接件會(huì)受到軸力、剪力和彎矩的作用，并且相同外荷載作用下45°連接件受到的軸力會(huì)更大，剪力和彎矩會(huì)更小。因此，即使BFRP筋具有非常優(yōu)越的軸向拉伸性能，但試件在連接件充分發(fā)揮其延性之前便率先發(fā)生了界面破壞，這便造成了試件的延性隨著連接件角度的減小而降低的結(jié)果。

2.4 ECC–XPS試件韌性分析

在雙面剪切試驗(yàn)中，除了ECC–XPS試件的承載能力、破壞模式和變形外，其達(dá)到峰值后的耗能能力也是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)界面黏結(jié)性能的重要指標(biāo)。韌性指數(shù)能夠反映試件破壞所需的能量和界面黏結(jié)性能的關(guān)系，因此基于Kanda等[14]提出的耗能理論，引入韌性指數(shù) （toughness index，TI）來(lái)進(jìn)一步分析試件的黏結(jié)性能。計(jì)算公式為：

表6為不同類型ECC–XPS試件的韌性指數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表6 ECC–XPS試件韌性指數(shù)Tab. 6 Toughness index of ECC–XPS specimens

由表6可知：隨著保溫層厚度的增加，ECC(X)–XPS(50)、ECC(X)–XPS(70)和ECC(X)–XPS(100)試件的韌性降低，并且厚度越大韌性降低的幅度越大；而對(duì)于ECC(Y)–XPS(70)和ECC(X)–XPS(70)試件，采用現(xiàn)澆方式制作ECC–XPS試件能夠大幅度提升試件的韌性，其韌性指數(shù)約為預(yù)制試件的10倍；對(duì)于ECC(X)–XPS(70)和ECC(X)–XPS(70)–BFRP(45)試件，添加連接件能夠有效提高試件的韌性，后者的韌性指數(shù)約為前者的9倍；對(duì)于ECC(X)–XPS(70)–BFRP(45)、ECC(X)–XPS(70)–BFRP(60)和ECC(X)–XPS(70)–BFRP(90)試件，隨著連接件角度的增大，試件的韌性也不斷增大，這與表5中所得到結(jié)果基本一致。從韌性指數(shù)方面來(lái)看，設(shè)有90°連接件的試件的韌性最好，設(shè)有60°連接件的試件次之，最后是45°連接件，但是綜合比較三類試件的承載能力、破壞模式和韌性，建議選擇45°作為連接件的嵌入角度。這是因?yàn)椋簩?duì)于連接件角度為90°的試件，不僅承載能力較差，破壞模式也不太穩(wěn)定，并且不能發(fā)揮出BFRP筋優(yōu)良的抗拉性能，因此不適合選用90°嵌入角度。對(duì)于連接件角度為60°的試件，雖然承載能力和韌性指數(shù)均較高，但是該類試件的破壞模式為ECC面板受彎破壞，由于面板破壞后對(duì)內(nèi)部保溫材料的保護(hù)會(huì)顯著降低，從而失去ECC材料自身的優(yōu)勢(shì)，而且面板破壞還有脫落的風(fēng)險(xiǎn)，因此60°也不是連接件嵌入角度的最優(yōu)選擇。而對(duì)于連接件角度為45°的試件，雖然其韌性指數(shù)較低，但是其承載能力很高，且破壞模式穩(wěn)定，全為界面破壞。同時(shí)，在實(shí)際工程中外面層在重力荷載作用下的位移不應(yīng)高于2.54 mm，以免窗戶發(fā)生破壞，而在該范圍內(nèi)連接件角度為45°的試件的性能最好，因此建議選用45°作為連接件的嵌入角度。

3 ECC–XPS夾心保溫墻板的抗剪承載力計(jì)算公式

夾心保溫墻板抗剪承載力計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程在文獻(xiàn)[25]中已經(jīng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，此處不再贅述。但是由于保溫材料的不同，有必要對(duì)之前提出的計(jì)算公式進(jìn)行修正，即保溫層對(duì)于抗剪承載力的貢獻(xiàn)進(jìn)行修正。計(jì)算公式如下：

式中：Fin為ECC板與保溫層之間的界面黏結(jié)力，kN；Gin為保溫材料的剪切模量，XPS材料為7.27 MPa；Ain為保溫層剪切面的面積，mm2（等于bh，b為剪切面寬度，h為剪切面高度）；L為保溫層厚度，mm；δ1為相對(duì)滑移量，選荷載–滑移曲線中第1個(gè)峰值荷載對(duì)應(yīng)的滑移值，mm；λ為保溫層厚度影響系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果擬合獲得，其表達(dá)式為：

4 結(jié) 論

1）降低保溫層厚度能夠提升ECC–XPS試件的抗剪承載力和黏結(jié)性能，但是保溫層厚度較低會(huì)影響墻體的保溫性能，因此合理選擇保溫層厚度至關(guān)重要。

2）連接件的存在能夠有效提高ECC–XPS試件的界面黏結(jié)性能和延性，還能改善試件的脆性破壞特征；連接件的嵌入角度能夠改變?cè)嚰钠茐奶卣?，嵌入角度越小試件的極限承載力和抗剪強(qiáng)度越高，但延性會(huì)降低。

3）綜合比較不同處理方式下的試件抗剪性能，其優(yōu)劣順序?yàn)椋呵度脒B接件角度45°>嵌入連接件角度60°>嵌入連接件角度90°>保溫層厚50 mm>保溫層厚70 mm>保溫層厚100 mm>預(yù)制。

4）加入連接件能夠有效提高ECC–XPS試件的韌性，并且隨著連接件角度的增大，韌性的提升效果越好。

5）由于無(wú)連接件試件的ECC面層與XPS保溫層間的界面黏結(jié)性能較差，并且呈現(xiàn)出脆性破壞特征，因此提高保溫材料本身的抗剪性能，改善面層之間的黏結(jié)效果和脆性破壞特征是日后研究的重點(diǎn)。