復(fù)合防火自保溫外模板抗折性能試驗(yàn)研究

鄭賢賢，王二成,2*，張京軍，李傳浩，李 沖，趙 陽

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.河北省裝配式結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，河北 邯鄲 056038)

為貫徹落實(shí)國家建筑節(jié)能政策，推進(jìn)建筑節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，研發(fā)了一種新型復(fù)合防火自保溫外模板。該模板具有保溫、隔熱、免拆除、可與墻體和裝飾面層緊密集合等優(yōu)點(diǎn)，并且采用無機(jī)防火保溫板作為保溫材料，其燃燒性能達(dá)到A級，彌補(bǔ)了EPS模塊保溫免拆模板和XPS復(fù)合保溫免拆模板燃燒性能的不足，完全適用于防火要求較高的建筑[1]。目前，國內(nèi)外對保溫免拆模板已有大量相關(guān)試驗(yàn)與理論研究。何棟梁等[2]對自然狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和浸水 24 h 狀態(tài)下的植物纖維保溫免拆模板進(jìn)行了抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究。盧健等[3]制備了以鐵尾礦為主要原材料的自保溫免拆模板，并對其耐久性和粘結(jié)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。李曉光等[4]對巖棉復(fù)合型(RWC)保溫免拆模板的熱工性能和抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。劉元珍等[5]研發(fā)的?；⒅楸啬０?，具有良好的保溫、隔熱、耐老化性能，是一種輕型保溫免拆模板。Biswas K等[6]對含低成本真空絕緣芯的復(fù)合泡沫真空保溫板進(jìn)行了熱工性能測試和評估。吳志敏等[7-12]對保溫免拆模板的物理性能進(jìn)行了深入研究，并取得了豐碩的成果。但目前，對保溫免拆模板抗折性能方面的研究相對較少。

復(fù)合防火自保溫外模板作為一種集防火、保溫、免拆除等特點(diǎn)為一身的新型建筑模板，操作簡便，只需安裝無需拆卸，因此模板本身需要具有一定的抗折強(qiáng)度以保證在運(yùn)輸和施工過程中的受損要求。 為研究復(fù)合防火自保溫外模板的抗折性能，本文對6個(gè)復(fù)合防火自保溫外模板試件進(jìn)行抗折試驗(yàn)，分析試件的破壞形態(tài)、受力性能、抗折強(qiáng)度以及抗折強(qiáng)度與彈性模量之間的相關(guān)性，為復(fù)合防火自保溫外模板的工程應(yīng)用和推廣提供一定參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料

對6個(gè)復(fù)合防火自保溫外模板試件進(jìn)行抗折試驗(yàn)，編號分別為B-1—B-6。試件截面標(biāo)準(zhǔn)尺寸為1 200 mm×100 mm×70 mm。試件寬度在試件長邊中心位置處測量；厚度在試件長邊的兩端距離端部100 mm處測量，計(jì)算時(shí)取兩點(diǎn)算術(shù)平均值，試件具體尺寸如表1所示。本次試驗(yàn)所用復(fù)合防火自保溫外模板是以A級無機(jī)防火保溫板為芯材，表面布置耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布、粘結(jié)砂漿層和抗裂砂漿層，經(jīng)一次輥壓成型的新型建筑外墻保溫產(chǎn)品。該復(fù)合防火自保溫外模板的多層構(gòu)造設(shè)計(jì)形式為：無機(jī)防火保溫板為芯材，保溫板外表面依次設(shè)置外第一道耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布、外粘結(jié)砂漿層和抗裂砂漿層；內(nèi)表面依次設(shè)置內(nèi)第一道耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布、內(nèi)粘結(jié)砂漿層。其中，內(nèi)、外粘結(jié)砂漿層和抗裂砂漿層中分別夾有內(nèi)第二道耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布、外第二道耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布和外第三道耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布。復(fù)合防火自保溫外模板的詳細(xì)構(gòu)造如圖1所示。本次試驗(yàn)研究所用的復(fù)合防火自保溫外模板的主要性能指標(biāo)見表2。

表1 試件尺寸

圖1 試件構(gòu)造詳圖

2 試驗(yàn)方法

2.1 加載裝置與加載制度

試驗(yàn)所用設(shè)備為微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)(型號：WDW10)。抗折強(qiáng)度及彈性模量的測定依據(jù)GB/T 17657—2013[13]進(jìn)行，采用三點(diǎn)測試法。其測試原理是通過在兩點(diǎn)支撐的試件中部施加載荷來進(jìn)行三點(diǎn)彎曲的抗折強(qiáng)度和彈性模量的測定。試驗(yàn)時(shí)直徑為30 mm的兩支承輥的跨距調(diào)節(jié)為1 000 mm，將模板與現(xiàn)澆混凝土接觸面朝上平放在支承輥上，并使支承輥垂直于該模板長軸方向。為了確保在復(fù)合防火自保溫外模板整個(gè)寬度方向施加豎向荷載，試驗(yàn)所用加荷輥的長度應(yīng)與該模板寬度相同。將加荷輥與支承輥平行放置，并使加荷輥與試件中心線重合。加荷輥與支承輥直徑相同、寬度相同。試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。

表2 復(fù)合防火自保溫外模板基本性能指標(biāo)

在試驗(yàn)過程中加荷輥以0.125 mm/s的速率勻速加載，直至試件斷裂為止。記錄試件破壞時(shí)的荷載值、斷裂形式以及最大撓度。

2.2 測點(diǎn)布置與量測內(nèi)容

百分表布置如圖2所示。在加荷輥兩側(cè)各布置一個(gè)百分表，編號分別為D1、D2，用于測量試件跨中位置處的豎向位移；在試件一端支承輥上方布置一個(gè)百分表，編號為D3，用于記錄支承輥處的沉降。在荷載作用下試件的跨中總位移等于跨中豎向位移減去支承輥處的沉降值。試驗(yàn)前需檢查百分表是否能夠正常工作，并通過磁力表座將百分表固定。

圖2 加載裝置與百分表布置

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞形態(tài)

復(fù)合防火自保溫外模板的破壞過程可以分為彈性工作階段和裂縫發(fā)展階段。試件B-1—B-6的破壞現(xiàn)象基本一致。加載初期，試件處于彈性工作階段，試件所受荷載隨著跨中撓度的增加而增加，表面沒有任何明顯變化；加載至接近極限荷載時(shí)，試件底部跨中砂漿層出現(xiàn)細(xì)微裂縫，如圖3(a)所示；此后，試件進(jìn)入裂縫發(fā)展階段，裂縫逐漸向上延伸、變寬形成主裂縫，并在主裂縫的兩側(cè)一定范圍內(nèi)出現(xiàn)幾條與其平行的次裂縫，裂縫方向垂直于模板縱軸線且貫穿整個(gè)寬度，如圖3(b)所示；繼續(xù)加載，試件沿主裂縫發(fā)生斷裂，如圖3(c)所示，加載結(jié)束。在整個(gè)加載過程中，復(fù)合防火自保溫外模板跨中撓度較大，兩端及其它位置無任何損傷。

復(fù)合防火自保溫外模板破壞時(shí)砂漿層斷裂且耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布連接在一起。從試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出：復(fù)合防火自保溫外模板出現(xiàn)主裂縫之后，試件沒有立即喪失承載能力。說明：復(fù)合防火自保溫外模板外側(cè)布置的三層耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布可以起到內(nèi)力傳遞和內(nèi)力重分布作用，有效地防止了模板發(fā)生脆性斷裂。

圖3 試件破壞形態(tài)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

各試件的荷載-跨中位移(F-Δ)曲線如圖4所示。從圖中可以看出，6個(gè)試件的荷載-跨中位移曲線變化規(guī)律基本一致。在加載初期，試件的荷載-位移曲線基本呈線性變化，曲線斜率比較大，此時(shí)的底部砂漿層處于彈性工作階段；隨后，曲線出現(xiàn)微小的波動，其原因是隨著撓度的逐漸增大，加荷輥擠壓復(fù)合防火自保溫外模板上表面接觸部位的粘結(jié)砂漿層，使之出現(xiàn)少量碎屑；繼續(xù)加載，試件所受荷載增長變緩，曲線斜率變小，荷載-位移曲線再次出現(xiàn)微小波動，其原因是試件底部跨中出現(xiàn)第一條貫穿模板寬度方向的細(xì)微裂縫，部分砂漿層退出工作，此時(shí)試件進(jìn)入裂縫發(fā)展階段；最大荷載之后，荷載-位移曲線驟降，說明底部砂漿層發(fā)生斷裂，試件喪失承載能力。

圖4 試件荷載-跨中位移(F-Δ)曲線

4 抗折強(qiáng)度和彈性模量

4.1 抗折強(qiáng)度和彈性模量計(jì)算

抗折強(qiáng)度和彈性模量是建筑外墻保溫板用材重要的力學(xué)性能指標(biāo)。依據(jù)規(guī)范[13]，復(fù)合防火自保溫外模板的抗折強(qiáng)度σb計(jì)算公式如下所示：

(1)

式(1)中：σb為試件的抗折強(qiáng)度；Fmax為試件破壞時(shí)最大荷載；l1為兩支座間距離；b為試件寬度；t為試件厚度。

復(fù)合防火自保溫外模板的彈性模量Eb計(jì)算公式如下所示：

(2)

式(2)中：Eb為試件的彈性模量；F2-F1為荷載-位移曲線中直線段內(nèi)荷載的增加量；a2-a1為試件中部變形的增加量，即在力F2～F1區(qū)間試件變形量。

各試件破壞時(shí)的最大荷載、抗折強(qiáng)度和彈性模量如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

由表3數(shù)據(jù)可得：復(fù)合防火自保溫外模板的抗折強(qiáng)度與彈性模量的均值分別為2.59、5 125 MPa，滿足規(guī)范DB43/T 1080—2015[14]的要求，具有良好的抗折性能。

4.2 抗折強(qiáng)度和彈性模量分析

為探求復(fù)合防火自保溫外模板的抗折強(qiáng)度與彈性模量之間的相關(guān)性，對6個(gè)試件的抗折強(qiáng)度與彈性模量進(jìn)行線性回歸分析。σb與Eb的回歸曲線如圖5所示，得到線性回歸方程：σb=0.068Eb+2.238 3，其相關(guān)系數(shù)R=0.972 5>R4,0.01=0.917，因此復(fù)合防火自保溫外模板的抗折強(qiáng)度與彈性模量之間在0.01水平上具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。

圖5 抗折強(qiáng)度與彈性模量的相關(guān)性

5 結(jié)論

本文通過對6個(gè)復(fù)合防火自保溫外模板試件進(jìn)行抗折試驗(yàn)和分析，得出以下結(jié)論：

1)復(fù)合防火自保溫外模板破壞時(shí)砂漿層斷裂且耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布連接在一起，試件沒有立即喪失承載能力。說明：耐堿玻璃纖維網(wǎng)格布可以起到內(nèi)力傳遞和內(nèi)力重分布作用，防止模板發(fā)生脆性斷裂。

2)各試件的荷載-跨中位移曲線變化規(guī)律基本一致，最大荷載、抗折強(qiáng)度和彈性模量的均值分別為846.34 N、2.59 MPa、5 125 MPa，滿足相應(yīng)規(guī)范的要求，說明復(fù)合防火自保溫外模板具有良好的抗折性能。

3)復(fù)合防火自保溫外模板的抗折強(qiáng)度與彈性模量在0.01水平上，相關(guān)系數(shù)R=0.972 5，具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性。