具有保溫功能的夾芯式復(fù)合剪力墻的研制

宋小軟，牛偉，王國勇，徐宋兵，閆朝

（1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中核四達工程設(shè)計咨詢有限公司，北京 100038）

具有保溫功能的夾芯式復(fù)合剪力墻的研制

宋小軟1，牛偉2，王國勇1，徐宋兵1，閆朝1

（1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中核四達工程設(shè)計咨詢有限公司，北京 100038）

提出了一種具有保溫功能的復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻兩側(cè)的復(fù)合層（外側(cè)復(fù)合層附有保溫層）在施工階段可起到模板的作用，在使用階段則可作為剪力墻的一部分與混凝土協(xié)同工作．簡要介紹了此類復(fù)合剪力墻的結(jié)構(gòu)形式及特點，然后對各復(fù)合層間的界面粘結(jié)性能進行了試驗，得出了性能較優(yōu)的界面關(guān)聯(lián)方式用于復(fù)合剪力墻試制，并對復(fù)合剪力墻在靜力荷載作用下的整體工作性能進行了試驗研究，研究結(jié)果初步證明了這種復(fù)合剪力墻的可行性，為進一步試驗和研究提供了依據(jù)．

保溫層；界面粘結(jié)性能；復(fù)合剪力墻；工作性能

近年來“綠色建筑”和“節(jié)能減排”的理念在建筑設(shè)計中逐漸深入，針對墻體保溫方面的新材料和新技術(shù)也不斷涌現(xiàn)[1-4]．目前常見的墻體保溫技術(shù)中，一般是建筑物主體施工完畢后，再在混凝土墻體的外表面另外敷裝一層保溫材料，保溫層敷設(shè)多以砂漿粘結(jié)輔以保溫釘外掛保溫板的形式或保溫材料噴涂的形式進行，而后，往往還要在保溫層外表面進行涂料或面磚飾面[5]．這些方法的不足之處在于：1）施工過程繁瑣，耗費工時、浪費原材料，導(dǎo)致成本增加；2）任何環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，都可能出現(xiàn)保溫材料脫離開裂、面層剝落等現(xiàn)象；3）目前我國不滿足消防要求的墻體保溫材料仍占較大比例，對保溫材料直接外置的情況，一旦接觸明火，極易引起火災(zāi)．

基于上述現(xiàn)狀，提出了一種具有保溫功能的復(fù)合剪力墻結(jié)構(gòu)．剪力墻施工中，兩側(cè)復(fù)合層可作為現(xiàn)澆混凝土的模板起支護作用；剪力墻澆筑成型后，僅需移除配套支護部件，兩側(cè)復(fù)合層則作為剪力墻的組成部分，與混凝土協(xié)同受力、共同工作．本文介紹了復(fù)合界面的粘結(jié)關(guān)聯(lián)方式及復(fù)合剪力墻整體工作性能的初步試驗研究結(jié)果．

1 保溫復(fù)合剪力墻的結(jié)構(gòu)形式及特點

此類保溫型復(fù)合剪力墻的結(jié)構(gòu)形式見圖1所示．墻體由內(nèi)復(fù)合層、外復(fù)合層和夾芯混凝土層3部分復(fù)合而成．其中，內(nèi)復(fù)合層為本課題組先期研制的各項物理力學(xué)性能均適合用作建筑施工模板的厚度為10～12mm的纖維增強水泥基平板[6]，外復(fù)合層為水泥基平板與保溫材料疊合而成的復(fù)合保溫層[7]，通過專門的配套支護體系支撐成型[8-9]，在內(nèi)復(fù)合層和外復(fù)合層之間的空隙澆筑混凝土即形成具有保溫功能的復(fù)合剪力墻．

這種具有保溫功能的新型復(fù)合剪力墻有如下特點：1）兩側(cè)復(fù)合層可作為模板使用，且模板是永久性的．完成支護功能之后，模板不再拆除，可極大簡化工序、縮短工期、降低造價．2）具有自保溫功能．建筑物主體結(jié)構(gòu)完成的同時，保保溫層也附帶完成，無需再另外裝設(shè)保溫層，節(jié)能又環(huán)保．3）降低火災(zāi)風(fēng)險．復(fù)合保溫模板最外側(cè)為水泥平板，保溫層不與外界直接接觸，可降低保溫材料遇明火發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險．

2 各復(fù)合層間的抗剪粘結(jié)性能試驗研究

圖1 具有保溫功能的復(fù)合剪力墻示意圖（使用階段支護裝置將移除）Fig.1 Structureschemeof compositeshearwall w ith thermal insulation function

為了研究夾芯式復(fù)合剪力墻各界面間的粘結(jié)性能及破壞模式，尋求可靠的界面關(guān)聯(lián)方式，設(shè)計了抗剪粘結(jié)推出試驗，對不同保溫材料、不同混凝土類型和不同的界面粘結(jié)方式進行了研究．

2.1 試驗方案設(shè)計

材料選擇：保溫層材料采用目前市場上常用的擠塑聚苯乙烯泡沫塑料（簡稱XPS）和聚氨酯（簡稱PUR）兩種，混凝土采用普通C30和自密實SCC30兩種．

試件形式及尺寸：為方便試驗，試件設(shè)計為如圖2所示的兩側(cè)復(fù)合層均為附帶保溫層的對稱形式，試件外觀尺寸為200mm× 200mm×200mm，保溫層外側(cè)水泥平板厚度為10 mm，保溫層厚度為30mm（PUR）或40mm（XPS），水泥平板與保溫層間為界面I，保溫層與混凝土間為界面II．

界面處理方式：界面I采用涂覆新拌環(huán)氧樹脂或聚氨酯發(fā)泡劑粘結(jié)兩種方式；界面II采用5種連接方式，即：完全自然表面粘結(jié)、涂覆新拌環(huán)氧樹脂粘結(jié)、聚氨酯發(fā)泡劑粘結(jié)、機械連接（以復(fù)合層中心部位穿透保溫層并深入混凝土內(nèi)30 mm的￠6鋼筋作為抗剪連接件）、以及保溫材料表面開槽（凹槽深5mm、寬10mm、間距100mm，對稱布置）形成混凝土鍵粘結(jié)．

試件類型設(shè)計見表1．

2.2 試驗結(jié)果及分析

通過對表1中13組試件進行推出試驗及抗剪粘結(jié)分析，結(jié)果表明：

1）PUR材料與混凝土界面的最佳連接方式是機械連接，其次依次為開槽、涂覆環(huán)氧樹脂及自然粘結(jié)；這幾種連接試件的破壞均由聚氨酯材料的撕裂引起，為了提高整體抗剪性能，宜選用密實度較高的聚氨酯．

圖2 界面抗剪粘結(jié)試驗的試件形式及尺寸（單位：mm）Fig.2 Specimen form and size for theinterface bonding test(unit：mm)

表1 復(fù)合試件各界面的抗剪粘結(jié)性能試驗設(shè)計表Tab.1 Testdesign of the interface bonding performance for com posite specimens

2）XPS材料與混凝土界面的最佳連接方式為涂覆新拌環(huán)氧樹脂粘結(jié)，其次依次為開槽、機械連接及自然粘結(jié)；后3種連接試件的破壞均由XPS層與混凝土界面發(fā)生過大滑移或脫離引起，說明XPS與混凝土表面的自然粘結(jié)性能較差，一般不建議采用自然粘結(jié)．

3）聚氨酯發(fā)泡劑雖與水泥平板、XPS、PUR以及混凝土的結(jié)合面均粘結(jié)良好，但在常規(guī)施工條件下，發(fā)泡劑固化后的密實度較低，自身抗剪性能較差，在較低荷載下即發(fā)生破壞．因此各界面均不宜采用聚氨酯發(fā)泡劑粘結(jié)．

4）采用普通混凝土或自密實混凝土對復(fù)合試件的界面抗剪粘結(jié)性能沒有明顯影響．

根據(jù)上述試驗結(jié)果，結(jié)合材料性能及方便施工等因素，最終選擇PUR、自密實SCC30混凝土用于復(fù)合剪力墻試驗，界面I采用涂覆新拌環(huán)氧樹脂粘結(jié)、界面II采用保溫層表面開槽澆筑中形成混凝土鍵的形式粘結(jié)[10]．

3 保溫復(fù)合剪力墻的整體工作性能試驗研究

3.1 試驗方案設(shè)計

為了研究保溫型復(fù)合剪力墻的可行性及其與普通剪力墻和非保溫型復(fù)合剪力墻的工作性能差異，設(shè)計了五榀“一”字形短肢剪力墻試件，其中保溫型復(fù)合剪力墻兩榀、非保溫型復(fù)合剪力墻兩榀、傳統(tǒng)的普通剪力墻一榀．剪力墻試件均由頂梁、墻身和底座3部分組成，墻身設(shè)計參數(shù)見表2，結(jié)構(gòu)形式及配筋情況見圖3．

表2 剪力墻試件的墻身設(shè)計參數(shù)Tab.2 Designed parametersof shearwallspecimens

采用液壓伺服加載系統(tǒng)加載，先按相應(yīng)軸壓比施加豎向荷載至預(yù)定值，并保持豎向荷載不變，然后分級施加水平荷載，直至試件破壞[11]．

圖3 保溫復(fù)合剪力墻的結(jié)構(gòu)形式及配筋圖Fig.3 Thestructure type and reinforcementof the insulated compositeshearwall

3.2 試驗結(jié)果及分析

圖4 不同剪力墻試件的破壞形態(tài)對比Fig.4 Failure pattern contrastof differentspecimens

1）試驗結(jié)果顯示，3類試件的破壞形態(tài)相似，均為墻體受拉側(cè)根部開裂并與底座分離，破壞時受拉側(cè)中下部出現(xiàn)3條主裂縫，裂縫形態(tài)也均呈現(xiàn)先彎曲為主后剪切為主的特征；壓區(qū)根部混凝土均被壓碎，但普通剪力墻PQ1壓碎區(qū)的混凝土破碎更嚴重、出現(xiàn)較大塊混凝土脫落現(xiàn)象，兩類復(fù)合剪力墻的壓區(qū)混凝土僅局部壓碎脫落，外側(cè)的水泥平板及復(fù)合保溫層仍基本完好，并保持在原位未被壓碎，且除混凝土壓碎區(qū)附近的復(fù)合層與混凝土剝離外，復(fù)合層的其他部位依然與混凝土粘結(jié)良好，未發(fā)生脫離現(xiàn)象．試件破形態(tài)別見圖4a）～f）．試驗現(xiàn)象表明，兩側(cè)復(fù)合層的存在，在一定程度上起到了防止芯體混凝土被壓潰的約束作用．

2）試驗發(fā)現(xiàn)，混凝土中的裂縫不但可直接傳遞至無保溫層一側(cè)的水泥板復(fù)合層表面，而且能夠跨越保溫層，傳遞至保溫層外側(cè)的水泥平板表面，說明混凝土與水泥基平板、保溫層三者間的相互界面均粘結(jié)良好，能夠協(xié)同工作；不過由于保溫層柔性較大，在應(yīng)力傳遞過程中已經(jīng)耗散掉部分能量，及后期發(fā)生界面粘結(jié)裂縫等原因，位于保溫層一側(cè)的水泥平板表面的裂縫長度和寬度均小于另一側(cè)的水泥板復(fù)合層表面裂縫．通過對比還發(fā)現(xiàn)，兩類復(fù)合剪力墻的墻身裂縫寬度均小于普通剪力墻的裂縫寬度，說明兩側(cè)模板對墻身裂縫開展具有一定程度的抑制作用．

3）數(shù)據(jù)分析表明，同等條件下，保溫型復(fù)合剪力墻的屈服荷載和極限荷載均略小于非保溫型復(fù)合剪力墻，但相差并不大，原因是前者由于保溫層的隔斷，墻體有效承載厚度僅為110 mm，比后者薄了10 mm；說明在同等條件下，復(fù)合層類型的不同并未顯著影響復(fù)合剪力墻的承載能力．?dāng)?shù)據(jù)顯示，復(fù)合剪力墻與普通剪力墻相比，承載能力也無明顯差異．

4 結(jié)論及建議

1）保溫型復(fù)合剪力墻的整體工作性能和破壞形態(tài)與非保溫型復(fù)合剪力墻及普通剪力墻類似，承載能力亦未發(fā)生明顯降低．混凝土與水泥平板復(fù)合層、混凝土與保溫材料復(fù)合層、保溫材料與水泥平板復(fù)合層之間的所有界面均粘結(jié)良好，應(yīng)力和裂縫能夠跨越水泥平板復(fù)合層及保溫材料層傳遞，復(fù)合剪力墻的整體工作性能良好，初步證明了自帶保溫層的夾芯式復(fù)合剪力墻的可行性．

2）復(fù)合剪力墻兩側(cè)的復(fù)合層對夾芯的混凝土具有約束作用，在一定程度上抑制了墻身裂縫的開展，改善了受壓區(qū)的破壞形態(tài)；保溫層在傳遞裂縫過程中能夠吸收部分能量，延緩了外側(cè)水泥平板復(fù)合層表面裂縫的開展與延伸．

3）雖保溫復(fù)合剪力墻的各復(fù)合層之間的界面均粘結(jié)良好，但出于安全考慮，仍建議在進一步的研究和應(yīng)用中設(shè)置抗剪連接件．

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[2]糜嘉平．模板工程施工專業(yè)化是必然趨勢[J]．施工技術(shù)，2008，37（8）：55-57．

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[11]Song Xiaoruan，NiuWei，ShanWenchao，etal．Researchonstaticperformanceofcompositeshearwallw ith insulation layer[J]．Applied Mechanics and Materials，2013，470：1039-1044．

[責(zé)任編輯 田豐]

Sandw ich composite shearwallw ith thermal insulation function

SONG Xiao-ruan1，NIUWei2，WANG Guo-yong1，XU Song-bing1，YAN Chao1

(1.Schoolof CivilEngineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China;2.Beijing Nuclear Star Engineering Design&Consulting Co Ltd,Beijing 100038,China)

A type of composite shearwall structurew ith thermal insulation layer isproposed.The composite layers on both sides of thewall could actas formworks during construction and servewith concreteasa partof shearwallduring using stage.Thermal insulationmaterial isattached w ith the composite layer outside ofwall.The structure and the characteristicsof the com posite shearwallare introduced.In order to getmore reliable connectionmodesof interface among the composite layers,push-out testw as proceeded to research the interface bonding properties.Then some shearwall specimenswerebuiltby using theselected connectionmodeand theoverallservicebehaviorof thespecimens in static load w as studied.Theexperiment resultshaveproved the feasibility of the compositeshearwalland provided a gist for further experimentand research.

thermal insulation layer;interfacebonding properties;composite shearwall;servicebehavior

TU 528.7

A

1007-2373(2014)06-0101-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.026

2014-09-17

北京市自然科學(xué)基金（8122018）；北京市青年拔尖人才培養(yǎng)項目（CIT&TCD201304003）

宋小軟（1972-），女（漢族），副教授．Email：sxr@ncut.edu.cn．

數(shù)字出版日期：2014-12-22數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141222.0923.002.htm l