龚超 1,2 侯兆新 1,2 梁梓豪 3 吴兆旗 4 梁伟桥 2 方五军 2
( 1. 中冶建筑研究总院有限公司, 北京 100088; 2. 中冶建筑研究总院(深圳)有限公司, 广东深圳 518055; 3. 哈尔滨工业大学(深圳)土木与环境工程学院, 广东深圳 518055; 4. 福州大学土木工程学院, 福州 350108 )
摘 要
热断桥连接技术可以有效解决钢结构外挑构件冷热桥问题,热断桥材料的选用是热断桥节点技术的核心,目前关于热断桥连接和热断桥材料的研究较少。通过调研,筛选出尼龙 6、刚性聚氯乙烯、环氧树脂玻璃纤维和聚醚醚酮作为热断桥备选材料;针对以上 4 种材料进行了 40 个试件的压缩性能试验和 12 个试件的导热系数测定试验,获得了 4 种复合材料的压缩强度、压缩弹性模量、导热系数等物理性能指标;采用“最远点法”得到了材料的屈服点,利用 Sherwood-Frost 模型拟合得到了 4 种材料的受压本构模型;结合材料力学性能、热工性能和经济性,综合分析了 4 种材料作为热断桥材料的适应性。结果表明:尼龙 6、刚性聚氯乙烯和聚醚醚酮试件呈延性破坏模式,环氧树脂玻璃纤维呈脆性分层破坏模式;尼龙 6、刚性聚氯乙烯和聚醚醚酮三种材料的屈服强度分别为 60.1,50.4,125.8 MPa,导热系数分别为 0.1755,0.1424,0.231 8 W/(m·K); 综合考虑力学性能、热工性能和经济性,环氧树脂玻璃纤维综合性能最好,尼龙 6 次之,刚性聚氯乙烯最低,聚醚醚酮由于成本过高,不适宜作为热断桥材料。
建筑围护结构中的一些部位,在室内外温差的作用下,形成热流相对密集、内表面温度较低的区域。这些部位成为传热较多的桥梁,称为热桥。建筑结构的热桥会造成建筑物内外热量的传递,导致建筑围护结构隔热性能的下降。因此可采取一定的措施来切断热桥(简称“断桥”),减小建筑物内外热量传递 [1-3] 。
钢结构梁柱部位、节点部位、阳台雨棚挑梁部位等都极易形成热桥 [4] 。目前国内通常采用外墙外保温的方式来解决热桥问题,然而目前常用的建筑外保温做法普遍存在耐久性差、保温层易脱落伤人、不能适应建筑外立面变化等不足。因此,研究更为安全可靠的热断桥技术对节能建筑的可持续发展具有重要意义。
文献[5-7]研究了在外伸部分与室内主体连接部位添加“ 热断桥连接” 来减少或阻断室内外的热量交换,从而达到建筑保温的目的。文献[8-10] 提出用 FRP 筋来代替贯通室内与阳台悬挑部分的钢筋来减少热量的传递。
国外许多公司推出了“ 热断桥连接” 的商业产品,如 Fabreeka、Armadillo、Schock、Farrat 和 Insula 等公司的产品,而目前国内关于“ 热断桥连接” 研究尚处空白。热断桥材料的选择是热断桥连接技术的核心,更是国外各企业的商业秘密,需要同时 具有导热系数低、受力性能好、价格低等特征。我国目前常用的建筑保温材料如模塑聚苯乙烯板(EPS)、挤塑聚苯乙烯板(XPS) 、改性聚氨酯板(PIR) 、酚醛泡沫板(PF) 等 [11- 12] 有机保温材料, 玻化微珠、岩棉、玻璃棉板、发泡水泥板等 [13- 16] 无机保温材料虽然导热系数较低且价格实惠,但是强度和弹性模量较低,不能满足热断桥材料对力学性能的要求。
针对热断桥材料低导热系数和高力学性能的要求,通过大量调研,筛选出以下 4 种复合材料作为备选材料:1)尼龙 6(PA6) ,成型加工简便,可用于高强度结构材料;2)聚氯乙烯(PVC) ,耐腐蚀、牢固耐用,全球使用量在各种合成材料中高居第二;3) FR-4 是一种耐燃材料等级的代号,但是 FR-4 板材(FR4) 一般指的是环氧树脂与玻璃纤维的复合材料,有良好的机械加工性能和隔热性能,成本低,加工便利; 4)聚醚醚酮(PEEK) ,有着耐高温的物理特性,可与玻璃纤维或碳纤维复合制备增强材料,在工业领域有着大量的运用。
对以上 4 种材料的试件进行压缩性能试验和导热系数测定,分别设计制作 40,12 个试件,测试各材料的基本力学性能和热工性能指标,拟合材料受压本构模型,并分析 4 种材料作为热断桥材料的适应性。
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试验研究
对 PA6、PVC、FR4 和 PEEK 进行抗压性能试验和导热系数测定试验,以获得材料的抗压强度、弹性模量、导热系数等基本力学性能和热工性能指标。抗压性能试验按 GB/T 1446—2005《纤维增强塑料性能试验方法总则》 [17] 和 GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》 [18] 进行,导热系数测定试验按照 GB/T 10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》 [19] 进行。
1.1 试件规格
PA6、PVC、PEEK 采用德国盖尔公司的产品, FR4 采用安徽依索拉公司的产品。其中, PA6 和 PEEK掺入 30% 玻璃纤维。材料规格型号如表 1 所示。
按照文献 [18] ,抗压性能试验中试件尺寸为 30 mm×10 mm×10 mm;按照文献[19] ,导热系数测定试验中试件尺寸为 300 mm×300 mm×30 mm。
1.2 抗压性能试验
1.2.1 试验过程
抗压性能试验在实验室环境条件下进行,所用试验仪器为万测 504C-TS 微机控制电子万能试验机。抗压性能试验为静态试验,以 2 mm/min 恒定速率对试件进行压缩。由抗压性能试验后对各试件破坏模式进行对比可知,4 种材料试件除 FR4 试件为脆性分层破坏外,其余 3 种材料的试件均为延性破坏,两种破坏模式如图 1 所示。
1.2.2 试验结果
40 个受压试件的测试结果如表 2 及图 2 所示。材料压缩模量根据 GB/T 1448—2005 的规定计算, 计算式如下:
式中: E c 为压缩弹性模量; σ 0.0025 为 0.0025 应变对应的应力; σ 0.0005 为0.0005 应变对应的应力。
1.3 导热系数测定试验
导热系数测定试验采用双试件装置方法,该方法的试验原理为在试件之间建立均匀的一维热流密度,测量通过试件的热流大小以及试件的温度变化来计算导热系数。采用沈阳合兴牌的智能化导热系数测定仪 DRCD-3030 进行导热系数测量,导热系数测定结果如表 3 所示。
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材料压缩本构关系
2.1 屈服点
冯鹏等提出了一种屈服点定义的简化方法: “最远点法” [20] ,即曲线上距离原点和峰值点连线最远的点为屈服点,如图 3 所示。郑休宁等建议采用 Coplan 法来确定 PVC-U 管材的屈服 [21] ,认为 Coplan 法更接近 ISO 527-1∶1993 中对于屈服点的定义。Coplan 法(图4)规定,平行于原点与峰值点连线的直线与应力-应变曲线相切,其切点为屈服点 [22] 。“最远点法” 跟 Coplan 法虽然表述不同,但是两种方法所确定的屈服点基本相同。
PA6、PVC 和 PEEK 为延性材料,按“最远点法”确定的各试件屈服点如表 4 所示。FR4 属于线弹性材料,不存在屈服点。
2.2 应力-应变曲线拟合
Sherwood-Frost 本构模型考虑了温度、密度和应变率的影响,用 σ = T ( ε ) ρ ( ε ) M ( ε , ε· ) f ( ε ) 来描述聚氨酯动态条件下的应力-应变关系 [23-24] 。其中, σ , ε 分别为名义应力和应变, f ( ε ) 为形状函数,可定义 ( a i 为拟合参数)。 由于研究的是常温恒定压缩速率下 4 种材料的力学性能 ( T ( ε ), ρ ( ε ) , M ( ε , ε· ) 为定值) ,因此用形状函数 f ( ε )来拟合不同材料的应力-应变关系。 根据“ 最远点法” 确定的屈服点, 采用式 (2) 来拟合 PA6、 PVC 和 PEEK 三种材料的应力-应变曲线。 PVC 材料应力-应变曲线中(图 2b) ,达到压缩强度后应力下降不明显,延性较大,故对 PVC 材料应变在 0.01 以前的应力-应变曲线进行拟合。
式中: σ 、 ε 分别为名义应力和名义应变; E 为压缩弹性模量; ε 0 为屈服应变; ε c 为压缩强度应变; a 、 b 、 a i 均为待定参数。
FR4 为线弹性材料,应力-应变曲线全阶段按 σ = Eaε b 进行拟合。
对于待定系数,运用 Matlab 软件,采用最小二乘法进行拟合。理论上,n 值越大,曲线拟合精度越高,但为了提高拟合效率,拟定 n 的取值为 4,拟合结果如图 5 和表 5 所示。图 5 中的数据标识分别为屈服点和压缩强度点,每段拟合曲线的拟合优度 R 2 和均方根误差 σ ′。
由图 5 可知:屈服点前,各曲线段拟合优度都超过 0.95,拟合效果良好;屈服点后,由于试件生产批次等原因,导致同一材料不同试件之间有较大差距, 屈服点后拟合优度偏低,但各曲线的均方根误差值在 3 以内,拟合结果仍具有参考性。相关拟合结果分析如表 6 所示。
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热断桥材料适应性分析
4 种材料基本力学和热工性能试验结果以及材料成本汇总于表 7。
对 PA6、PVC、FR4 三种材料的综合性能进行定量分析。
定量分析采用以下模型:
式中: η c 、 η λ 、 η P 分别为抗压强度、导热系数和成本的控制因子; σ 、 λ 、 P 分别为不同材料的压缩强度、导热系数及成本; σ 0 、 λ 0 、 P 0 分别为压缩强度、导热系数及成本的基准值,其取值为 PA6 材料的各项指标值。
不同材料定量分析的结果如图 6 所示。可见: FR4 的综合性能最高,PA6 次之,PVC 最低。不过, 该模型抗压强度、导热系数、成本对综合性能的权重都为 1,实际工程应用可能会与之不符。因此上述对比结果仅供参考,实际应用中应结合具体情况具体分析。
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