多孔結構建筑材料力學性能的有限元分析

李燦 田忠喜 邢帥 張傳帥 田哲

【摘? 要】多孔材料是一種新興的材料，制備較易，成本較低。相對于一般連續介質材料而言，多孔材料具有比強度高、比表面積高、相對密度低、重量輕、隔音、隔熱等優點。它最大的特點是具有排列規則、大小可調的孔道結構，在建筑材料中也有很多的應用。因此，對非均勻孔洞與均勻孔洞建筑材料力學性能的研究是很重要的課題。論文通過建立非均勻孔洞和均勻孔洞的有限元模型，對比分析兩種模型的受力性能，更好地進行多孔建筑材料的推廣和使用。

【關鍵詞】多孔建筑材料;非均勻孔洞;均勻孔洞;力學性能

【Abstract】Porous material is an emerging material that is easier to prepare and less costly to prepare. Compared with the general continuous media materials， porous materials have the advantages of high specific strength， high specific surface area， low relative density， light weight， sound insulation， heat insulation and so on. It is characterized by regular arrangement and adjustable size of the pore structure， and has many applications in building materials. Therefore， it is very important to study the mechanical properties of non-uniform cavity and uniform cavity building materials. By establishing the finite element model of non-uniform cavity and uniform cavity， the paper compares and analyzes the mechanical properties of the two models， so as to promote and use the porous building materials better.

【Keywords】porous building materials; non-uniform cavity; uniform cavity; mechanical properties

1 引言

多孔材料內部有一系列相互連通或封閉的孔洞，構成網狀結構。多孔材料性能優良，具有較高的孔隙率和比面積、良好的化學性能、物理性能、吸附性能和滲透性能。目前已經成為重要的功能結構材料，廣泛應用于石油化工、航空航天、建筑材料、過濾分離等領域，并作為催化劑、超級電容器、吸附劑和過濾裝置等使用[1]。但是多孔材料在制作工藝上也存在一定的困難，在制作材料時，孔洞要與承壓面垂直，這就對原材料的要求比較高，在多孔材料的制備技術研發上能力不足，生產效率低下。此外，在制備過程中，對材料中的孔徑及孔隙度等微觀結構仍不能進行很好的控制與調控。近年來，我國也在不斷推進對多孔材料的制備及應用研究，并且取得了很大進展。

多孔結構材料在建筑材料中的應用很多，主要集中在砌筑材料和混凝土材料，如焦渣空心磚、水泥空心磚、小型混凝土砌塊、空心粘土磚、加氣混凝土砌塊等以及加氣混凝土、大孔性混凝土、粉煤灰加氣混凝土等。多孔材料中非均勻孔洞與均勻孔洞對材料性能的影響是不同的。本文基于ABAQUS軟件，通過建立非均勻孔洞模型和均勻孔洞模型，分析研究其對材料性能產生的不同影響。

2 多孔材料的特性

多孔材料是一種特殊的結構，可以看作材料與空氣的復合材料，這樣不僅可以減輕材料的質量，又可以很好地實現各種功能。由于具備很多優異性能，多孔材料在航空航天、石油化工以及建筑工程等領域都具有廣泛的應用價值。

①質量輕，強度高。多孔材料內部有很多孔隙，或分布均勻，或分布不均與，比強度和比模量高。例如，泡沫鋁的表觀密度為200～500kg/m3，屈服強度為20～60MPa，比強度在0.04～0.3MPa·kg/m3，遠高于普通混凝土0.012MPa·kg/m3和低碳鋼0.053MPa·kg/m3的數值[2]。輕質高強材料應用于新型墻體中，既能確保材料輕質環保又能滿足高層建筑墻體要求，促進了我國建筑材料行業的發展。

②吸聲性能好。多孔材料由于具有大量內外連通的孔洞和孔隙，當聲波射入內部時，會引起空隙中空氣的振動。孔隙內空氣的黏滯效應導致曳力引起空氣表面產生剪應力，從而產生聲阻尼，使聲能轉換為熱能[3]。在材料進行安裝時，多孔材料背后留有空腔，低頻的吸聲系數會有所提高。例如，無機高強隔聲板是一種既可以隔聲又能夠防潮防腐的板材。當室內濕度偏高時，多孔結構可以吸收濕氣，調節濕度，使它具有良好的透氣性能。

3 非均勻孔洞與均勻孔洞對材料性能的影響

3.1 模型建立

為了說明非均勻孔洞的力學性能優于均勻孔洞，本文做的非均勻孔洞模型為邊長L=20mm的正方形單向板，高為10mm，其中上半部分內嵌3排10列半徑R=0.5mm的圓，下半部分內嵌1排5個半徑R=1.5mm的圓。另外做1個相同大小的均勻孔洞模型用于對比，內嵌4排13列半徑R=0.6mm的圓，并保證兩種模型孔洞的體積分數相同，經計算，體積分數均為29.4%。非均勻孔洞模型和均勻孔洞模型如圖1和圖2所示。

有限元網格劃分采用三角形單元。邊界條件采用四邊簡支的方式，即設置底面（Z=0的面）四條邊為：U3=UR1=UR2=0，其中U3為Z方向的位移，UR1、UR2分別為X、Y方向的轉角。分別在非均勻和均勻孔洞模型的上表面上施加均布載荷，大小為1MPa。邊界條件和加載情況如圖3和圖4所示。

通過研究發現，孔洞分布是否均勻會對材料的性能產生影響。對平板施加均布荷載后，根據ABAQUS軟件的分析結果，對荷載作用下材料性能進行具體研究，比較均勻孔洞模型和非均勻孔洞模型的最大應變量和最大應力。

3.2 有限元分析

當均布荷載作用在非均勻孔洞模型時，孔洞邊緣出現了明顯的應力集中，如圖5和圖6所示。

孔兩側出現最大壓應力，孔頂和頂底出現最小壓應力，但沒有出現拉應力，這種加載和受力狀態與彈性力學中的基爾斯解答是相符的。且最大壓應力出現在大孔兩側。為避免孔上部及兩側應力疊加，造成不利的應力狀態，孔間距不易小于5r。

當均布荷載作用在均勻孔洞模型時（見圖7和圖8），孔洞邊緣也出現了明顯的應力集中，但最大和最小孔邊應力都明顯大于非均勻孔洞結構。

由圖可見，在相同荷載下，非均勻孔洞模型的最大應變明顯低于均勻孔洞模型的值。這說明均勻孔洞模型容易發生很大的變形，從而引起復合材料層乃至整個機構的損傷，最大應變顯然與孔洞的分布密切相關。不論是均勻孔洞還是非均勻孔洞，在孔邊都出現了明顯的應力集中，但非均勻孔洞結構使最大和最小孔邊應力都明顯小于均勻孔洞結構。

3.3 實驗結論

通過對非均勻孔洞模型和均勻孔洞模型的有限元模型分析，發現在孔洞體積分數相同的情況下，并且載荷也相同的條件下，非均勻孔洞結構的最大應力和最大應變均明顯小于均勻孔洞。非均勻孔洞模型通過在外層排列細而密的孔，在內層排列較大的孔，使結構具有更好的彎曲剛度和穩定性，實現了用最少的材料來承擔最大的外荷載。

4 多孔材料在建筑領域應用中的問題

多孔材料之所以得到推廣，與其在建筑結構、建筑節能、裝配式建筑等諸多領域中潛在的應用價值密不可分。隨著材料制造技術的進步，人們對材料性能認識的不斷深入，多孔材料必將在建筑領域發揮日益重要的作用，但是目前仍然存在一些需要解決的問題：

①多孔建筑材料的制備技術和研發能力欠缺，一些新工藝的工業化程度不高，生產效率較低。

②某些多孔建筑材料的制備工藝非常煩瑣且復雜，對生產設備的要求相對較高，僅適合在實驗室內研究卻不適合在實際中推廣應用。

③大規模生產的多孔和建筑材料，抗震及腐蝕等性能，難以滿足特定環境的應用環境要求。

④多孔建筑材料的開孔率對建筑物影響很大，開孔率對建筑物整體的觀光性、透氣性、吸聲性、耐久性、抗震性、保溫性的綜合作用需要進一步的探索研究。

⑤不同孔型多孔建筑材料的物理性能及力學性能，以及對建筑物的影響作用尚需研究。

5 結語

縱觀多孔材料的發展歷程，正在向一個新的時代快速前進。本文通過建立非均勻孔洞模型和均勻孔洞模型的有限元模型分析可得，在外層排列細而密的孔，在內層排列較大孔的非均勻孔洞材料，結構具有更好的彎曲剛度和穩定性。在建筑領域，要充分發揮多孔材料輕質高強、吸聲性能好等特性，提高對多孔建筑材料的研發能力，加強工業化程度，進一步開展對多孔建筑材料透氣性、抗震性、耐熱性等綜合作用的研究。

【參考文獻】

【1】馬玉，明廣天，班青，等.多孔材料的合成研究與應用[J].齊魯工業大學學報（自然科學版），2016，30（03）：14-19.

【2】魏劍，桑國臣.金屬多孔材料在建筑領域的應用展望[J].熱加工工藝，2009，38（22）：59-63.

【3】盧天健，Iain D. J. Dupère，Ann P. Dowling.多孔泡沫材料的聲吸收特性[J].西安交通大學學報，2007（09）：1003-1011.