孙洪军, 赵腾飞

(辽宁工业大学土木建筑工程学院, 锦州 121001)

随着社会的发展,单一墙板已经无法满足现代建筑的相关要求,尤其是建筑节能方面。因此,为满足建筑节能的需要,在单一板材的基础上,采用一定的技术,将其与一些保温绝缘材料相复合,形成系统,共同工作,来达到既定的节能目标,这便是所谓的复合墙板[1]。复合墙板通常由高强度的面板与厚得多、密度小、强度弱的芯材结合而成[2]。它具有厚度薄、重量轻、成本低、保温性能好、隔音隔热等诸多优点[3]。目前市场上的建筑复合墙板大多为钢筋混凝土夹层保温板,内外隔墙采用混凝土制作,中间层为硬质泡沫塑料等保温板,结构类型比较单一[4]。近年来在复合墙板设计中出现了相当大的创新,使用新型高性能混凝土[5],采用新颖的加固方法,使混凝土更轻更薄。另外,许多新型纤维增强聚合物连接器已被开发和测试,可促进剪切载荷在层间的传递,同时最大限度地减少局部热损失。

现对这些已发表的论文进行回顾,并对该应用的最新进展进行全面的讨论。本综述的结构可以概括如下:首先对复合墙板的行业和技术进行概括,在此基础上,介绍了复合墙板的性能和类型的定义方法,分别对面板、内芯、剪切连接器三个方面进行分析总结;详细回顾了近五年关于复合墙板各种试验研究。最后,基于目前的文献,对复合墙板行业未来工作方向提出建议。

1 墙板结构组成

1.1 面板

对于复合墙板面板,通常是采用钢筋混凝土和金属板。根据目前市场上出现的复合墙板来看,具体分类如图1所示。但由于普通混凝土自重大、导热系数高,可回收性差[6],以普通混凝土为主要材料的普通墙板将导致建筑能耗高,环境污染严重[7]。因此,目前研究以新型高性能混凝土为主。

综合近几年的研究来看,泡沫混凝土(foam concrete,FC)、自密实混凝土(self compact concrete,SCC)、高性能混凝土(high performance concrete,HPC)、高性能纤维增强混凝土(high performance fiber reinforced concrete,HPFRC)、玻璃增强混凝土(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)均已用于复合墙板。不同类型混凝土特性如表1所示。低密度的泡沫混凝土虽然具有良好的保温性能,但其强度较低,难以实际应用。将泡沫混凝土与其他材料复合,制成复合墙体材料,可使之既具有良好的保温性能,又具有良好的力学性能,是目前研究的热点和方向[8]。更重要的是,丰富的孔隙改善了固体混凝土的热、声和防火性能,从而使多孔结构具有应对不同气候条件的能力[9]。Amran等[10]对六个不同的预制泡沫混凝土夹芯板(precast foam concrete sandwich panel,PFCSP)进行抗弯试验,分析了夹芯板的极限抗弯强度能力、弯矩-竖向挠度剖面、荷载-应变关系、应变随板深的变化、长宽比的影响、开裂模式和破坏时的极限抗弯荷载等方面进行了讨论。并与有限元模型数据进行了比较,得到了较好的精度。说明PFCSP板已经可以作为建筑中普通混凝土板系统的替代品。

除此之外,陶粒混凝土作为一种绿色建筑材料,可回收再利用,同时具有重量轻、强度高、保温性能好、导热系数低、泌水性能好等优点[11]。Ma[12]提出了一种采用U形钢筋连接方式的新型陶粒混凝土复合墙板的T形节点构件。并对这种新型保温墙板的连接方法进行了补充,为这种新型保温墙板在实际施工中的应用提供了可靠的依据。在此基础上,Ma[13]又在陶粒混凝土中加入耐碱玻璃纤维,耐碱玻璃纤维具有较高的抗拉、抗弯、抗裂、抗冲击和耐碱性能,因此在混凝土中添加耐碱玻璃纤维可以提高混凝土的强度、韧性、抗裂和耐腐蚀性能。这种墙板的使用大大减少了污染,缩短了施工周期,提高了施工效率,从而通过装配式系统将建筑、结构和装饰元素融为一体。

值得一提的是,相变材料(phase change material,PCM)作为一种节能环保的高性能材料,已经开始应用于建筑领域。PCM是一种在相变过程中可以储存和释放大量潜热的物质[20],它们是一种特殊的热质量材料,当PCM浸渍或封装到墙板或混凝土系统中时,可以极大地提高其热能存储能力,因此,PCM在建筑墙体中应用具有良好的降低室内空气温度波动和能耗的潜力[21]。

表1 不同类型混凝土特性Table 1 Characteristics of different types of concrete

图1 复合墙板分类Fig.1 Classification of composite wallboard

金属面夹芯板是以彩涂钢板为面层,内填保温芯材,再使用胶黏剂将其复合而成的墙板。该板质量轻,强度高,具有良好的保温隔热防水性能,加工简单,可塑性能好,是迄今为止最优秀的复合板材[1]。目前对金属面夹芯板力学性能的研究已较为全面,尤其是对其抗弯承载力的研究已比较成熟,能够满足工程的需求。张雨等[22]对一种蜂窝金属夹芯板进行了冲击试验,总结了结构抗弯刚度、变形增量、结构整体能量吸收率等参数的规律。实验表明:蜂窝金属夹芯板具有良好的冲击性能,有很高的应用价值。不同类型复合墙板的物理特性如表2所示。

1.2 内芯

复合墙板的内芯一般为聚苯乙烯泡沫、岩棉、聚氨酯泡沫等保温绝缘材料,市场上不同内芯复合墙板如图2所示。在全球范围内,随着生活水平的提高和人口的增长,对优质住房的需求日益增加,过度开发自然资源作为建筑材料正成为一个严重的问题。在这方面,将不可生物降解的废物材料转化为高质量的建筑产品将是非常有必要的。

聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene,EPS),也称为膨胀聚苯乙烯,具有超低密度,由聚合物基质中离散的气孔组成[23]。Cook[24]报道了使用EPS珠作为混凝土骨料以实现轻量化,首次引入了对含有EPS珠的混凝土的研究。如今,EPS被认为是价格低廉的材料——仅次于玻璃棉的第二大绝缘材料,因此大量应用于建筑行业[25]。经过数十年的发展,聚苯乙烯夹层复合墙板已成为一种经济、轻质的建筑材料,具有承重和绝缘的功能,具有快速施工、节约材料等优点[26]。近年来,针对聚苯乙烯泡沫复合墙板结构性能的研究已经相对成熟[27-28]。然而,EPS在建筑部分的使用受到限制,因为EPS非常易燃并且具有热降解性,EPS的扫描电镜图像如图3所示[29-30]。也就是说,EPS在中等温度下很容易燃烧,被认为是建筑结构中的火源。因此,最近的研究旨在引入新的EPS技术,以最大限度地减少不良影响[31-32]。

图2 几种常用复合墙板Fig.2 Several commonly used composite wall panels

岩棉夹芯板具有良好的保温、防火、节能、环保等特点是目前世界上最具前瞻性的节能保温、 绿色环保、艺术建筑的理想建筑板材[33]。岩棉的原料主要是玄武岩和白云岩,制造工艺主要以离心吹制和火焰吹制为主。因其价格低廉、低导热系数、原料易得等优点,深受建筑行业青睐。Su等[34]对玄武岩纤维夹芯板进行了热性能研究,研究表明:与聚氨酯(polyurethane,PU)、挤塑聚苯乙烯泡沫(extruded polystyrene,XPS)填充板相比,岩棉填充板具有更高的导热系数,且保温性能更好,热导率结果如图4所示。Yilmaz等[35]对土耳其岩棉填充铝夹层立面板的环境生命周期进行了评估,并得出结论,该面板在生产阶段的影响类别对环境的影响更大。岩棉的隔热性能在建筑中得到了广泛的应用,产品的耐久性得到了稳步的提高。然而,当在建筑围护结构中用作保温层时,当来自环境的水蒸气扩散到其中时,这种复合板就会出现问题,液态水积聚并降低了板的热阻。这是当下岩棉复合墙板需要解决的问题。

图3 EPS的扫描电镜图像[29-30]Fig.3 Scanning electron microscope image of EPS[29-30]

表2 不同复合墙板物理特性[1]Table 2 Physical properties of different composite wall panels[1]

图4 不同方法之间的热导率结果比较[34]Fig.4 Comparison of thermal conductivity results between different methods[34]

聚氨酯泡沫是一种性能优异的防火、绝热、隔音材料,具有突出的难燃、低烟、低毒特性和优异的耐热性。目前,聚氨酯泡沫是作为一种填充物与不同形状的晶格进行协同作用,来达到高强度、高承载力、高性能的效果[36]。近几年,对于聚氨酯泡沫复合墙板的研究主要集中在复合墙板的结构特性检测[37]和面板混凝土的多样性上[38-40],如表3所示。

1.3 剪切连接器

复合墙板由两层混凝土和中间保温层组成,这三层则是通过一套连接器连接起来。外层承受重力、风荷载和地震荷载,内层固定在结构上。因此,连接系统用于将拉伸、压缩、剪切和相应的弯矩传递到内层和结构[42]。在过去的几十年里,人们对各种连接器的力学性能进行了广泛的研究。连接器分为单接头式连接器、条形连接器和异性连接器。关于连接器的研究主要集中在其拉伸、压缩和剪切性能方面[43]。连接器不仅是复合墙板的重要机械部件,而且由于它们穿透保温层,也会造成墙板能量损失。降低连接器产生的能源消耗对于提高复合墙板在整个生命周期内的节能效率至关重要[44]。传统上,连接器使用混凝土块和弯曲钢筋。然而,它们的高导热性可能导致热桥,降低建筑物的能源效率[45]。因此,这些传统使用的连接器在很大程度上已被各种形式的纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer,FRP)连接器所取代,因为这些连接器具有低导热性[46]。例如Yu等[47]制作了6个三种连接器的试样,并进行了测试和建模。理论、实验和数值计算结果吻合较好,验证了等效传热系数模型的准确性。它揭示了连接器的材料和几何参数如何影响墙壁的热性能。表4列出了可以用作连接器的不同材料及其相关参数。

表3 聚氨酯泡沫复合墙板研究总结Table 3 Research summary of polyurethane foam composite wallboard

表4 不同连接器相关系数Table 4 Correlation coefficient of different connectors

2 实验研究

2.1 抗弯试验

抗弯试验是土木工程专业研究结构抗弯性能及破坏模式的重要方法。通过分析试验对象的失效模式、荷载-位移曲线、应力-应变曲线,从而对结构进行测定评估。根据文献,目前常用的加载方式有三种:一是三点弯曲试验,二是四点弯曲试验,三是六点弯曲试验,采用较多的是三点弯曲试验和四点弯曲试验。不同弯曲试验装置的原理图如图5所示[53]。三点弯曲试验是下部两个支撑点,上部一个加载点,这种加载方式一般应用于小型结构的试验。四点弯曲试验是大型建筑结构抗弯试验的主要方法,这种方式是由下部两个支撑点,上部有两个对称的加载点进行加载。

在最近五年中,建筑复合墙板的抗弯试验不胜枚举,其中Li等[54]设计、制作了膨胀聚苯乙烯(EPS)泡沫混凝土,并将其填充到(pultruded sandwich panel,PSP)的网芯中。通过三点弯曲试验,研究了EPS泡沫混凝土的力学性能随密度的变化规律。通过抗弯试验研究了泡沫填充聚苯乙烯复合材料的抗弯性能和破坏规律,具体加载方式如图6所示。Ma等[55]采用改进的三点弯曲试验夹具对蜂窝夹层板进行弯曲疲劳试验,得到了不同应力比下的挠度-疲劳寿命曲线。通过试验中疲劳损伤的记录,确定了蜂窝夹层板的破坏模式和疲劳损伤的来源。提出了一种寿命预测方法,验证了该方法在预测夹芯板疲劳寿命方面的有效性。

四点弯曲加载在大型建筑结构中应用较多,也是抗弯试验中比较常见的一种方式。Qun等[56]介绍了一种新型的可作为建筑承重构件的预制混凝土夹层墙板。采用四点加载试验方式验证了三维钢丝骨架可以大大增强夹层板的结构性能。Castillo-Lara等[57]研究了一种波纹钢面层与泡沫混凝土(FC)芯层复合夹芯板。并与普通FC芯进行对比四点弯曲试验,加载方式如图7所示。Hassan等[58]提出用钢螺柱角钢代替钢筋,通过四点弯曲试验研究证明了加入角钢的墙板抗弯强度和刚度明显高于普通墙板,相对变形量则小于普通墙板。

Al-Rubaye等[59]采用六点加载的方式测试了六个全尺寸夹心面板壁,以评估各种连接器的复合作用百分比,并将结果与复合连接器制造商提供的结果进行比较,加载方式如图8所示。结果表明:剪力连接件的类型和强度显著影响混凝土夹层墙板的复合作用程度。薄壁板中剪切连接器的数量翻倍导致复合作用百分比的大幅增加。

L为试件整体长度;a为试件下支座到上支座长度;P为集中荷载; w为均布荷载图5 常用加载方式的弯曲试验装置和相关弯矩图[53]Fig.5 Common loading methods of bending test device and related bending moment diagram [53]

图7 四点弯曲试验加载方法[57]Fig.7 Four-point bending test loading method [57]

2.2 抗震试验

复合墙板的抗震试验分为有轴向压力的承重墙试验[60-61]、无轴向压力的剪力墙试验[62-63]和隔墙板钢框架拟静力试验[64-65],具体试验方式根据墙板的功能确定。抗震试验本身无任何新意,即侧向施加循环荷载,根据滞回曲线再进行深入分析,分析内容大同小异,无非是骨架曲线、延性系数、能量耗散能力等。就目前的抗震试验来看,大多数集中在单一墙板的抗震性能,而墙板与框架结构整体的抗震试验极少。

不同的墙板采用不同的试验方式,Li等[66]对预制混凝土夹层剪力墙进行了不同轴压比下的循环荷载试验,并根据试验结果,提出了四线性退化恢复力模型。Xue等[61]在高轴压比下对不同变量的预制混凝土夹芯墙板进行试验,试验结果表明,预制混凝土夹芯剪力墙在高轴压作用下具有较好的滞回性能,可用于对热效率和结构效率要求较高的地震活跃区高层建筑。

与有轴压的建筑结构不同,无轴压的建筑结构不承受竖向压力,通常作为剪力墙、填充墙存在。Vetr等[62]研究评价了喷射混凝土夹层板(shotcrete sandwich panel,SSP)填料和碳纤维布(carbon fiber reinforced polymer,CFRP)条在钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架加固中的应用。研究不仅比较了试件的刚度退化、阻尼和循环横向响应。还对现有的经验技术在SSP填充体系砌体刚度和容量计算中的性能进行了比较。计算了该系统的结构性能水平。

除了单一墙板的抗震试验,研究复合墙板之间连接件抗震性能的试验也不可忽略,由于预制构件之间的连接往往是抗震能力不足的薄弱环节,因此将具有非线性弹性性能、无滞回耗能的摇摆机构应用于自定心混凝土结构能极大改善墙板之间的抗震性能。Xu等[67]从理论和实验两方面研究了含摩擦装置的无粘结后张预制夹层墙结构的力学性能。实验结果验证了理论分析对滞回响应预测的有效性。结果表明:刚性节理结构通过塑性损伤耗散能量,结构最终以底部混凝土压碎破坏;带有摩擦装置的结构刚度和弯矩承载力低于带有刚性节点的结构,但摩擦装置能有效地保护主体混凝土墙体不受破坏;附加后刚筋可以提高带有摩擦装置的结构的自定心能力。

与上述不同,葡萄牙的de Sousa等[64]对三种不同的试件进行平面内准静态循环试验,评估了具有代表性的钢筋混凝土(RC)框架的循环行为:①裸RC框架;②RC框架与砌体填充墙;③钢筋混凝土框架与再生钢纤维增强微混凝土和聚苯乙烯核心层的外部带状组成的创新夹芯板。该研究表明填充墙能明显加强框架结构的循环性能及承载能力,另外,与传统的砌体结构相比,新型夹芯板使框架结构保持了完整性,在较高的横向位移值下,其内部承重层的损伤程度较低。值得一提的是,这种关于复合墙板与钢筋混凝土框架整体性的抗震试验并不多,是极具创新意义的。具体试验方法如图9所示。

图9 准静态循环试验方法Fig.9 Quasi-static cyclic test method

2.3 保温试验

随着新型建筑材料和产品的快速发展,以及对现有“传统”材料和产品的改进,建筑行业正在发生革命性的变化,墙体材料的保温性能对建筑的能耗和热舒适性有着深远的影响。保温性能用热惯性来评价,热惯性是传热建模中常用的术语,它是与导热系数和体积热容相关的块状材料特性。Ettoumi等[68]研究指出建筑必须设计成具有很大的热惯性,以达到舒适的环境温度。热惯性取决于两个参数,即时滞和衰减因子[69-70]。这些参数大小又取决于材料的密度、比热容和热导率之间的复杂相互作用[71]。Ng等[72]采用自然光照射的方式对轻质混凝土复合墙板的保温性进行研究,结果表明:热扩散系数与蒸压轻质混凝土(autoclaved lightweight concrete,ALC)墙板热惯性成正相关;并采用有限差分法(finite difference method,FDM)方法对表面温度进行预测,预测温度与观测温度接近。El Gamal等[73]采用不同比例的聚苯乙烯珠粒和蛭石骨料来替代两层外混凝土中的天然粗骨料,在对试件进行压缩试验的同时,观察其导热系数。结果表明,添加聚苯乙烯珠片的强度更大大、重量更轻、热性能更好。与上述不同,Zhao等[74]使用一侧放置一盏275 W日光灯作为人工热源(高温侧,也称为热箱),另一侧为低温侧(也称为冷箱)的装置测试了不同密度和厚度的蒸压加气混凝土(autoclaved aerated concrete,AAC)面板,研究计算出当AAC密度在700～900 kg/m3范围内时,AAC板的综合热惯性较好,这为AAC或其他保温材料的合理建模和设计提供参考。另外,除了试验以外,Jawdhari等[75]通过对超高性能混凝土夹芯板建立能够模拟部分复合作用的热鲁棒结构耦合有限元模型,评估了其热弯曲行为,分析表明,面板挠度随着复合材料作用程度的增加而增加,但满足整个温度范围的适用性要求。当两个表面之间的温差等于或小于-7 ℃时,超高性能混凝土发生裂纹。对墙板进行保温性能试验,不仅促进了自然舒适建筑环境的发展,进而能够导致建筑中使用的暖通空调系统的大量节能和运行成本降低,对生态环境及建筑节能方面具有重要影响。

2.4 耐火试验

建筑物的防火是至关重要的,因为它直接影响到人们的安全和建筑物的使用寿命。因此,夹层板结构通过结合各种可以作为阻燃剂的材料来缓解这一问题[76]。最常用的绝缘材料有聚氨酯泡沫(polyurethane foam,PUR)、聚异氰尿酸酯泡沫(polyisocyanurate foam,PIR)、挤压聚苯乙烯(XPS)和矿棉(mineral wool,MW)[77]。Murillo等[78]研究了由钢板和聚异氰尿酸酯(PIR)泡沫芯组成的夹芯板火灾反应发展的实验和统计比较分析结果。结果表明:夹芯板具有良好的防火反应性能。时隔两年,Murillo等[76]对PIR泡沫芯和玻璃纤维增强织物组成的两种具有结构功能的夹层板的耐火性能进行了实验对比分析。其中,暴露在火中的第一个面板系统涂上了石膏板,而另一个系统涂上了陶瓷板。结果表明,石膏板涂层系统在评估参数下表现出比陶瓷涂层系统更好的性能和更长的耐火时间。除了内墙火灾试验之外,Wu等[79]研究了侧向风作用下窗户溢出火灾的蔓延行为及其对建筑外表面聚乙烯夹层板温度分布的影响,并建立了极端条件下的平均火焰高度模型,这些结论对火灾研究具有重要意义。Zhou等[80]研究了金属夹芯板在溢火羽流过程中的熔化特性和火蔓延行为评估了不同拼接模型金属夹芯板立面的火灾风险。研究发现,在窗户溢出火灾中,当火源中线没有拼接缝隙时,窗户上方的峰值温度最低。在立面系统中,金属夹芯板的宽度与最高温度呈反比线性关系。当板的高度降低时,窗户上方板的加热速率增加。若要全面了解复合墙板在遭受火灾时的行为,就要特别考虑到夹芯板在遭遇火灾时可能的有毒气体释放、化学和矿物学方面以及职业风险因素的危害,这些问题在今天仍然是主要问题。Wi等[81]研究了四种有机隔热材料作为夹芯板芯材的阻燃性能、燃烧特性和毒性,基于总放热率、放热率的阻燃性能和释放出CO量进行综合评价。研究发现,酚醛泡沫夹芯板释放出更少的有害气体且满足非可燃级绝缘标准,聚氨酯类型的夹芯板释放出的CO更多,在火灾事故中被确定为非常危险。

2.5 隔声试验

随着人们生活水平的提高,对住宅建筑的卫生、环保、隔音性能提出了更高的要求。建筑的声学性能和实用技术的应用日益突出,特别是室内环境的隔声降噪[82-84]。与国外楼层的隔音要求相比,中国住宅建筑的声环境条件面临着更大的挑战,有很大的改善空间[85]。利用多孔材料(如玻璃棉、矿物棉、天然纤维等)通过材料与声波之间的黏性耗散和热耗散来实现吸声是一种常见的方法[86-88]。基于此方法,目前对蜂窝夹层板的研究是隔音性能试验的主流[89-91]。Dong等[89]将具有分层孔隙结构的碳化棉与微穿孔蜂窝芯夹层板相结合,在不显著增加结构重量的情况下,提高了结构的吸声性能。Oliazadeh等[90]从实验和分析两方面研究了声波在蜂窝泡沫夹层板中的传播。详细地建立了蜂窝夹层板的能量统计分析模型。除了蜂窝结构的研究,Lin等[92]提出了一种与共振型声学超材料复合的夹层结构(sandwich structure compounded with resonant acoustic metamaterial,SSCRAM),并建立了其传声损失的分析模型。通过将SSCRAM等效为两个自由度的弹簧-质量模型,分析了SSCRAM内部声能量的分布和耗散,阐明了SSCRAM的吸声和隔声机理。并基于分析模型定量分析了6种结构参数对SSCRAM低频隔声性能的影响,为工程应用中定向调控SSCRAM低频隔声性能提供理论指导。

3 未来发展趋势

由于其显著的优点,建筑复合墙板的应用已经发展了多年,并且正在增加。目前相关研究一半以上都使用了有限元分析软件如:ANSYS、ABAQUS等进行数值模拟比对。基于这五年的回顾,在复合墙板内芯燃烧释放出气体危害性方面表现出巨大潜力。无论是数值研究还是试验研究,在未来的工作中还需要考虑其他方面的问题,可以总结为以下几点。

(1)目前复合墙板的难点仍在于内叶夹心层与外叶混凝土层的复合程度研究,复合程度的大小直接关系到墙板的结构性能,它是衡量混凝土夹心墙板结构性能的重要指标,但目前复合度的定义和计算方法还存有争议,仍需进一步研究。

(2)连接件同样是影响复合墙板整体性的重要指标,但目前多数商用连接件无法给墙板提供较高的复合作用,因此,如何找出一种有高刚度、高承载能力同时又兼具低导热性的连接器是目前科研人员研究的方向。

(3)以往的工作更多地集中在复合墙板的力学性能方面,对墙板环境性能评价的研究相对有限。

(4)建筑行业作为能源密集型行业,占温室气体排放总量的40%左右。因此,减少这种主要用于供暖/空调的能源消耗,改善建筑复合墙板能源性能是必不可少的。目前,已有科研人员将相变材料集成到建筑墙体中,通过相变材料的吸热和放热,来达到节能效果。但是,相变材料在建筑墙板方面的研究比较匮乏,仍需进一步研究。