玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的保温性能和力学性能研究

封雷，封叶，王庆华（.吉林大学建设工程学院，吉林长春　3006；.辽宁省石油化工规划设计院有限公司，辽宁沈阳　0000）



玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的保温性能和力学性能研究

封雷1，封叶2，王庆华1
（1.吉林大学建设工程学院，吉林长春130061；2.辽宁省石油化工规划设计院有限公司，辽宁沈阳110000）

摘要：对玻璃纤维网格布增强复合保温墙板进行了抗弯和抗压性能试验研究，得到了其受力变形和破坏特点，以及极限抗弯、抗压承载力；此外，对墙板的保温性能进行了测试。研究表明：墙板的保温性能符合GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》标准；墙板在横向抗弯和轴向荷载的作用下具有良好的力学性能，与不加纤维网的墙板相比，极限荷载平均值提高了14.98%，跨中所能承受的最大弯矩平均值提高了8.06%，墙板的抗压强度为4.29 MPa，符合JG/T 169—2005《建筑隔墙用轻质条板》规定的非承重墙板抗压强度要求。

关键词：玻璃纤维网格布；复合保温墙板；保温性能；抗弯性能；抗压性能

0 引言

为响应可持续发展观，节能绿色保温建材的应用势在必行。目前我国正在大力开展建筑节能保温方面的科学研究［1］。而发展新型墙体材料是建筑节能最有效的途径之一，如今墙体发展的总体要求是由黏土质向非黏土质、由实心向空心、由小块向大块、由重质向轻质、由低强向高强、由耗能高向耗能低、由单功能向多功能发展。可见，研发新型墙体材料同时是改善建筑功能、提高资源利用率和保护环境的重要措施。

前期工作中研发了一种聚苯乙烯（EPS）颗粒与聚苯乙烯发泡板相结合的复合保温墙板［2］，该墙板具有良好的力学性能，传热系数、保温性能等均符合吉林省地方标准DB22/T450—2007《居住建筑节能设计标准》及DB22/T 436—2006《公共建筑节能设计标准》的要求［3］，但是在横向荷载作用下，墙板开裂后，裂缝迅速扩展形成通缝，表现出明显的脆性破坏特点。因此，在该墙板基础上，加入了纤维网，以改善其脆性性质，进而提高其力学性能。

本文对玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的保温和力学性能进行研究，为该墙体在实际工程中的应用与推广提供依据。

1 玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的组成及构造

玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的主要组成材料有：普通硅酸盐水泥、EPS颗粒、EPS板、粉煤灰、玻璃纤维网格布、玻璃纤维及各种添加剂等。墙板主要由防水砂浆层、保温砂浆层、EPS板层等组成，玻璃纤维网格布布置在防水砂浆层与保温砂浆层之间，墙板的构造及试件实物如图1、图2所示。

图1 复合墙板构造示意

图2 复合墙板试件

2 玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的保温性能

复合墙板主要由保温砂浆和聚苯乙烯发泡板组成。评价材料保温性能最主要的参数为导热系数等，因此依据JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》测试保温砂浆的导热系数等热物性参数。

图3 保温砂浆试块热物性参数测试

制作3个60 mm×60 mm×30 mm试块，在标准条件下进行养护。利用瑞典Hotdisk热常数分析仪采用双面法测试试块的热物性参数，如图3所示，以评价保温墙板的保温性能。保温砂浆试块热物性测试的结果见表1。

表1 保温砂浆的保温性能测试结果

保温材料一般是指导热系数≤0.2 W/（m·K）的材料。由表1可以看出，保温砂浆的导热系数满足保温材料的基本条件，同时墙板中又加入100 mm厚的聚苯乙烯泡沫板，进一步降低了墙板的导热系数，符合GB 50176—93《民用建筑热工设计规范》标准要求。

3 玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的抗弯性能

3.1 试件及试验设备

用于抗弯试验的墙板尺寸为1200 mm×400 mm×180 mm，共3块，编号为W1～W3。墙板的加载方式如图4所示，即利用八分点集中力加载来模拟均布荷载［4］。在跨中及两端支座处布置位移计，用以测量支座沉降和跨中挠度［5］。试验采用DNS300型电子万能试验机进行加载，利用IMC测试系统采集荷载及位移数据，试验加载装置及数据采集系统如图5所示。

图4 抗弯试验加载方式示意

图5 抗弯试验加载装置及数据采集系统

3.2 试验结果及分析

各墙板试件的极限荷载、跨中最大挠度等试验数据如表2所示。

表2 抗弯试验结果

由表2可知，纤维增强复合保温墙板的极限荷载平均值为7634.9 N，跨中弯矩平均值为987.5 N·m，与不加玻璃纤维网格布的墙板［2］相比分别提高了14.98%和8.06%，因此，加入玻璃纤维网格布后明显提高了墙板的承载能力，抗弯性能也得到明显改善。

此外，本墙板自重为43 kg，抗弯极限荷载为7634.9 N，为墙板自重的17.8倍，参考JG/T 169—2005《建筑隔墙用轻质条板》的规定，非承重墙板的最小抗弯极限荷载不小于1.5倍的自重，因此，本复合墙板的抗弯极限荷载满足要求。

根据实验数据绘制的荷载-挠度曲线如图6所示。

图6 抗弯试件的荷载-挠度曲线

由图6可以看出，3个试件的荷载-挠度曲线的变化趋势相似，大致可分为5个阶段：（1）OA段：荷载与挠度接近于直线变化，随着荷载增加，挠度增加的幅度不大，在此阶段墙板表面无显著变化，近似处于弹性阶段；（2）AB段：当加载到A点，即3个试件分别达到各自极限荷载的72%、75%、77%时，挠度增加幅度变大，曲线斜率逐渐减小，开始出现明显塑性变形；加载过A点不久，荷载分别达到极限荷载的75%、78%、80%时，墙板的下表面开始出现细小裂缝；（3）BC段：加载到B点，即荷载达到各自极限荷载的92%、90%、96%时，曲线突然下降，墙板承载能力开始降低，降至C点后，墙板下侧的防水砂浆层已经开裂，此时荷载为极限荷载的75%、73%、78%；（4）CD段：此阶段曲线又呈现上升的趋势，说明防水砂浆层与保温砂浆层之间的玻璃纤维网格布承受拉力，墙板承载能力有所回升，但复合墙板的抗弯刚度仍继续降低，挠度显著增大；（5）DE段：到峰值D点后，曲线开始再次下降，此时纤维网开始屈服，最后可以听到墙板内传来噼啪声，表明玻璃纤维网格布被拉断，但没有观察到其与砂浆层剥离的现象，仍可以和墙板共同工作，到达E点后，墙板已经完全破坏，不能再承受荷载，裂缝贯通（见图7）。峰值D点荷载即为墙板的极限荷载，对应此时的跨中挠度分别为10.21、10.39、8.26 mm，分别为极限挠度的56%、51%、44%。总体来看，玻璃纤维网格布增强复合墙板在水平均布荷载作用下的破坏机理类似于适筋梁的抗弯破坏。

图7 复合墙板试件抗弯破坏

3.3 复合墙板等效抗弯刚度的计算

当复合墙板作为一般建筑物的外墙时，需考虑风荷载和地震作用的影响。由于墙板由多种材料复合而成，需要计算等效抗弯刚度［6-7］：

式中：f——跨中挠度，取跨中极限挠度平均值9.62 mm；

q——等效线荷载，6.53 N/mm，等效为P/l0，P为极限荷载平均值，取7634.9 N；

l0——计算跨度，1100 mm；

EI——等效抗弯刚度，N·mm2。

根据式（1）求得本复合墙板的等效抗弯刚度EI=1.36×1010N·mm2。

由试验结果可知，墙板沿长度方向的开裂弯矩M0=M/b= 2.47 kN·m，其中M为跨中弯矩平均值987.5 N·m，b为墙板的宽度400 mm。当墙板作为外墙时，假设建筑物层高为3.3 m，每层墙板的上下端与主体结构铰接，则根据公式M0=ql2/8可得到玻璃纤维网格布增强复合墙板所能承担的最大平均风荷载q为1.81 kN/m2。以长春地区高度小于30 m的建筑物为例，查GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，基本风压ω0取0.55 kN/m2，风振系数βz取1.0，风荷载体型系数μs取0.8，风压高度变化系数μz取1.39，可得风荷载标准值ωk=0.61 kN/m2，远小于墙板可承担的最大风荷载，因此，本玻璃纤维网格布增强复合墙板具有足够的抗风荷载能力。

4 玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的抗压性能

4.1 试件及试验设备

制作3块墙板试件，其尺寸与抗弯试验的相同，编号分别为Z1、Z2、Z3。试验时，使用YAW-2000型电液伺服压力机对墙板进行轴向加载。试件在压力机上进行几何对中后，开始对其进行预加载。试验采用单调竖向加载法，以每级荷载20 kN加载，每一级荷载加载完毕，维持5 min左右，然后进行下一级加载，直到试件破坏。

4.2 试验结果及分析

轴向抗压试验测得的极限荷载及墙板中部侧向变形如表3所示。试件及加载破坏情况如图8所示。

表3 抗压极限荷载及跨中极限变形

图8 墙板轴压破坏照片

由表3和图8可知：该墙板的抗压极限荷载平均值为180.2 kN；极限变形平均值为4.59 mm。试验过程中，当3个试件所施加荷载分别达到极限荷载的65%、58%、63%时，墙板的底部和顶部首先出现宽度0.05 mm左右、长度为30～50 mm的裂缝，此时，变形分别达到2.01、1.78、2.28 mm；随着荷载的增加，墙体的侧面也相继出现少量的斜向裂缝。伴随荷载的不断加大，裂缝逐渐发展，并沿着墙板的宽度方向延伸。当分别达到极限荷载的80%、68%、75%时，侧面的横向裂缝基本贯通，试件的跨中侧向变形显著增加，最大可达4～5 mm。直至达到极限荷载时，水泥砂浆层和保温砂浆层之间的粘结力基本丧失，墙板表面出现通缝，此时墙板破坏。

4.3 墙板的抗压强度

根据JG/T 169—2005，非承重墙板的抗压强度计算公式为：

式中：R——抗压强度，MPa；

P——轴向压力，取极限荷载平均值180.2 kN；

l——受压面长度，mm；

b——受压面宽度，mm。

根据式（2）求得本复合墙板的抗压强度R=4.29 MPa，符合JG/T 169—2005中非承重墙板的抗压强度不小于3.5 MPa的要求。

5 结语

（1）复合保温墙板中保温砂浆的导热系数平均值为0.1447 W/（m·K），符合GB 50176—93标准要求。

（2）在均布荷载作用下，复合墙板能承受的极限荷载为

7634.9 N，跨中最大挠度平均值为18.92 mm；轴压试验中，该复合墙板的抗压极限荷载平均值为180.2 kN；极限变形平均值为4.59 mm。

（3）复合墙板在横向荷载作用下，荷载-挠度曲线呈现明显的5个阶段，当荷载达到极限荷载的70%之前，一直近似处于弹性阶段；当荷载达到极限荷载的75%左右时，开始进入弹塑性阶段，接近极限荷载的80%时，墙板出现裂缝；达到极限荷载的90%以上时，墙板的防水砂浆层完全开裂，直至达到极限荷载，玻纤网被拉断，墙板完全破坏。通过试验可以看出，玻璃纤维网格布可以与墙板很好地共同承受荷载，从而改善墙板的脆性。

（4）玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的等效抗弯刚度为1.36×1010N·mm2，所能承担的最大平均风荷载为1.81 kN/m2，符合GB 50009—2012中的抗风压要求。此外，本墙板抗弯极限荷载为自重的17.8倍，符合JG/T 169—2005中非承重墙板最小抗弯极限荷载不小于1.5倍自重的规定。

（5）玻璃纤维网格布增强复合保温墙板的抗压强度为4.29 MPa，符合JG/T 169—2005规定的非承重墙板抗压强度要求。墙板在横向受弯和轴向荷载的作用下均表现出良好的力学性能。

参考文献：

［1］冯琳.新型夹芯板抗弯性能试验与理论研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

［2］封叶，王庆华，刘家钦，等.EPS颗粒-EPS板复合保温墙板的力学性能研究［J］.新型建筑材料，2014（7）：10-12.

［3］王庆华，封叶，汪纯鹏，等.EPS颗粒-EPS板复合保温墙板的热工性能研究［J］.新型建筑材料，2014（3）：48-51.

［4］杨展，邵珊，麦敬波.关于墙板抗弯承载试验的探讨［J］.砖瓦，2012 （4）：37-39.

［5］盖广清，孔朦，徐韬，等.框架结构围护保温复合墙板的力学性能研究［J］.新型建筑材料，2013（7）：32-35.

［6］减海涛，侯和涛，陈璐.轻质复合墙板的抗弯承载力试验与理论研究［C］//中国力学学会.第十四届北方七省市区力学学会学术会议，威海，2012：243-248.

［7］卞晓峰，赵考重.纤维增强石膏板抗弯性能试验研究［J］.山东建筑大学学报，2009（3）：256-260.

Study on insulation and mechanical properties of the composite insulation wallboard reinforced by fiberglass mesh

FENG Lei1，FENG Ye2，WANg Qinghua1
（1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130061，China；2.Liaoning Province Petroleum-Chemical Industry Planning & Designing Institute Co. Ltd.，Shenyang 110000，China）

Abstract：The glass fiber mesh-reinforced composite insulation wallboard was conducted with bending and compression properties experimental studies，and its deformation and damage characteristics and ultimate flexural，compressive bearing capacity were obtained；In addition，wallboard insulation properties were tested. Studies have shown that：thermal insulation properties of the wall board were in line with GB 50176—93 "Code for thermal design of civil building"，wallboard has good mechanical properties in the lateral bending and axial load effect，compared to the wallboard with and without fiber mesh，average ultimate load of wallboard increased 14.98%，and the mean value of greatest moment suffered by the middle of span improved 8.06%，the compressive strength of wallboard was 4.29 MPa，in line with the compressive strength requirements of non-load-bearing wallboard as specified in standard JG/T 169—2005 "Light board for building partition wall".

Key words：fiberglass mesh，composite insulation wallboard，insulation property，bending property，compressive property

中图分类号：TU52

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）03-0073-04

基金项目：吉林省科技发展计划项目（20130206064NY）

收稿日期：2015-10-23；

修订日期：2015-12-04

作者简介：封雷，男，1992年生，河南南阳人，硕士研究生。