预制保温墙体用连接件研究进展及检测技术概要

夏炳虎，周俊钧，刘占清，潘超

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

0 前 言

随着现代化进程的不断加快，世界能源消耗量以年均2%的速率增长。目前我国建筑耗能在总耗能的占比达到了30%，高耗能建筑的巨大存量受到了社会的广泛关注，切实有效的降低建筑能耗成为重中之重[1]。近年来，节能建筑、绿色低碳的概念不断被提及，国家也出台了相应的政策，而装配式节能建筑因其低能耗、工期短、质量高等优点已成为建筑行业的焦点[2]。在这种背景下，预制保温墙体作为装配式和低能耗建筑的外围护构件，成为了节能建筑的重要核心。

作为近几年在国内新兴的墙体形式，预制保温墙体由内外页墙、保温层和连接内外页墙的连接件组合而成，相比于传统的外保温与内保温墙体，预制保温墙体兼具保温和承重的双重作用。由于保温层位于两层钢筋混凝土板之间，不易受到外界环境的影响，具备优良的防火性能、耐久性以及耐腐蚀性能。在预制保温墙体中，连接件承担了连接内外混凝土墙板以及保温层的作用，连接件的存在保证了预制保温墙体的完整性，为各个构件发挥协同作用提供了保障，因此，建筑行业中对连接件的各方面性能提出了较高的要求，主要表现在力学性能、热工性能和耐久性方面，同时相对应的检测标准制定也在不断完善。

1 连接件分类和产品介绍

目前，预制保温墙体连接件从材质上主要分为不锈钢连接件和纤维增强塑料（FRP）连接件，根据构型不同，不锈钢连接件又可分为桁架式、板式、棒状等，作为应用广泛的一种金属材料，不锈钢具有耐高温、耐腐蚀、高强高韧的特点，其中桁架式连接件应用较为广泛，其由不锈钢斜腹杆和弦杆组成[见图1（a）]，并根据使用位置差异化设计，在很大程度上缓解了保温墙体间的热传递，并且在抗拉，抗剪等力学性能方面也表现优异。

随着复合材料的发展，FRP 连接件应运而生，作为高性能的复合材料，其具有强度高、耐腐蚀等优点，传热系数远低于金属和混凝土，避免了保温墙体冷热桥问题，保证了墙体耐久性，已在保温墙体中得到广泛应用[3]。纤维增强塑料是以纤维为增强相，热固性或者热塑性树脂为基体相，通过挤拉工艺成型得到，根据增强相所用纤维分类，FRP 连接件可分为玻璃纤维增强塑料（CFRP）连接件、玄武岩纤维增强塑料（BFRP）连接件、芳纶纤维增强塑料连接件等[4]；基体相一般采用环氧树脂或乙烯基树脂。按横截面划分，FRP 连接件又分为片材、棒材和异型材。

如图1（b）为传统的FRP 连接件构型，根据构件在墙体的位置，可以把连接件大概分为4 个区域：内页墙锚固区、外页墙锚固区、保温层区域部分和套环。套环用于连接件在保温层中的定位，一般用工程塑料或短纤维增强塑料经模压工艺制成，4 个区域作为整体把预制保温墙体3 个部分连接到一起，共同发挥作用。

基于连接件的基本构型，逐渐发展了众多的连接件产品，如日本AGC 公司生产的棒状FRP 连接件，内部为空心状，具有优异的热工性能；意大利Edilmatic 公司研发的热“断桥”式连接件，该连接系统很大程度上减少了热量散失；芬兰佩克利用桁架式不锈钢连接件和销钉连接件开发了PD 型保温墙体。另外，国内同济大学与万科合作研发的板式FRP 连接件，具有完全的自主知识产权，已经开始商业化应用。

2 国内外研究现状

预制保温墙体的研究可以追溯到20 世纪70 年代，1969～1978 年德国卡尔斯鲁厄大学的乌泰舍教授在德国《建筑技术》《混凝土杂志》《预制混凝土技术》等期刊发表了多篇论文，由此奠定了三明治夹心墙板设计和验算的理论依据；预制保温墙体的应用进入快车道。随后，不锈钢连接件和FRP连接件的出现使得预制保温墙体进一步完善，1980 年采用FRP 连接件的预制墙板首次被用于美国的一栋公寓，打开了FRP 连接件应用的开端。

连接件在保温墙体中处于复杂的受力状况，因此国内外学者对连接件的力学性能进行了大量的研究。1991 年德国kaiserslautern 大学对FRP 连接件进行抗拔和抗剪实验，对连接件的破坏形式进行了系统的研究[5]；之后Kurama 等[6]利用格构式FRP 连接件保温墙体，进行了抗震性能实验，并提出了基于抗震性能的设计方法；Pantelides 等[7]基于层压理论设计了一种CFRP 连接件，试件表现出良好的力学性能和抗腐蚀性能，其破坏形式为非延性破坏；Benayoune 等[8]研究了不同刚度的不锈钢连接件对保温墙板极限强度的影响，并研究了墙板的破坏模式。在国内，也有众多的科研院所对连接件进行研究，同济大学的薛伟辰等[9]以FRP 连接件为研究目标，结合实际应用，进行了大量全面的实验，对FRP 的抗拔承载力、破坏形式、荷载下的滑移与应变关系进行了分析，提出了基于实验的抗拔承载力计算方法。此外，其还对桁架式不锈钢连接件的抗拔和抗剪性能进行了研究，结果表明，桁架式连接件的破坏形式主要为腹杆和焊点断裂[10]；孟宪宏等[11]研究了不同形式的GFRP 连接件，对其锚固性能、抗拉和抗剪强度进行了测定，为GFRP 连接件的实际工程应用提供了依据。

作为贯穿保温层的构件，且长期处于混凝土的碱性环境下，连接件耐久性和热工性能尤为重要，钢制材料在混凝土中的应用有很长的历史，其在混凝土中的耐久性有足够的安全保证，目前的耐久性研究集中在FRP 连接件。薛伟辰等[12]在模拟混凝土环境的碱性溶液中对FRP 进行加速老化试验，研究老化机理，实验证明老化过程中伴随有增强纤维与树脂的脱粘现象，导致力学强度一定程度上降低，并同时提出了FRP连接件的退化模型；王雪明等[13]制备了一种复合连接件，在不锈钢连接件外层包裹了一层尼龙材料，用该型连接件制备保温墙体，并进行传热系数计算和有限元分析，证明了该型连接件减小了热量传递，减弱了热桥效应。

总的来说，目前对连接件的研究较为全面，涵盖众多的构型跟思路，加快了连接件的发展。但相对来说，在连接件的理论研究和建立相关数学模型方面，依然有所欠缺，这使得进一步的研究缺乏足够的理论支撑。

3 预制保温墙体用连接件相关检测标准和检测方法

当前，预制保温墙体连接件在建筑行业已经大量应用，为规范连接件的使用，国内外相继制定了一系列标准和规范，美国ICC-ES 协会先后发布了AC320《锚固于混凝土中的纤维复合连接件验收标准》、ESR—1746《整体保温墙板用THERMOMASS MC 和纤维塑料连接件》，对纤维增强连接件在力学性能、耐久性和安全性能上提出了要求，同时对实验方法和计算方式进行了阐述。在国内，同济大学等单位编制了针对FRP 连接件的产品标准JG/T 561—2019《预制保温墙体用纤维增强塑料连接件》，在DG/TJ 08-2158—2017《预制混凝土夹心保温外墙板应用技术标准》中则对FRP 和不锈钢两种材质的连接件做出了性能要求。表1 为JG/T 561—2019 和DG/TJ 08-2158—2017 两个标准中对FRP 连接件的力学要求和试验依据。表2 为DG/TJ 08-2158—2017 标准中对不锈钢连接件的力学要求和试验依据，根据标准的内容，以下将对连接件的检测方法进行阐述。

表1 FRP 连接件的力学要求和试验依据

表2 不锈钢连接件的力学要求和试验依据

3.1 力学性能检测

FRP 连接件分为板状与棒状，板状连接件的拉伸强度和拉伸弹性模量依据标准GB/T 1447—2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》的实验方法进行测定，试样尺寸250 mm×25 mm×h（厚度）mm，拉伸速率一般取2 mm/min，为保证初始拉伸时处于弹性拉伸，施加初载（大概为破坏荷载的5%），直至试样破坏，计算拉伸强度与拉伸弹性模量。对于棒状FRP 连接件样品，依据GB/T 30022—2013《纤维增强复合材料筋基本力学性能试验方法》实验方法，如图2 所示钢管作为夹持端对样品进行夹持，锚固长度150～400 mm，工作段长度20～30 d（d 为试样直径），引伸计进行夹持，得出连续应力-应变曲线。不锈钢连接件的屈服强度、拉伸强度和拉伸弹性模量依据GB/T 228.1—2010《金属材料拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》进行测试。

图2 FRP 棒状连接件拉伸示意

利用3 点弯曲式短梁法对FRP 连接件进行层间剪切强度的检测，试验如图3 所示，具体参数：压头半径5 mm，支座的圆角半径2 mm，样品尺寸10h×5h，跨距5h（h 为样品厚度）；以1 mm/min 的速率向下施压，记录实验过程的载荷，直至层间剪切失效，其失效形式为单层剪切和多重剪切时方为有效值，否则，不属于层间剪切，所得数据不是层间剪切强度。计算公式为：

式中：τM——层间剪切强度，MPa；

F——破坏荷载或最大荷载，N；

b——试样宽度，mm；

h——试样厚度，mm。

FRP 连接件的弯曲强度和弯曲弹性模量依据GB/T 1449—2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，标准中针对不同厚度规定了相应的尺寸，加载上压头半径为5 mm，弯曲弹性模量的计算需要用百分表对试验时的挠度进行记录，在应变0.0005 和0.0025 时取值，计算弯曲弹性模量。

3.2 耐久性能检测

不锈钢连接件不涉及耐久性的问题，耐久性能检测只针对FRP 连接件。相关研究表明，混凝土内部属于碱性环境，pH值在12.0～12.5 之间，因此需要模拟混凝土环境对FRP 连接件进行耐久性检测，配置模拟溶液如表3 所示，pH 值控制在12.6～13.0 之间。

表3 模拟混凝土环境溶液配置 g/L

将试样放入60 ℃恒温溶液中进行加速老化试验，检测试样的耐久性，应定期测量并调整碱溶液，保证溶液pH 值在规定范围，侵蚀浸泡183 d，按3.1 有关的试验进行拉伸强度与层间剪切强度试验，得出残余拉伸强度与残余层间剪切强度。

3.3 抗拔承载力和抗剪承载力

在JG/T 561—2019 和DG/TJ 08-2158—2017 中都对FRP连接件的抗拔承载力与抗剪承载力检测方法进行了陈述，有关力学性能的检测仅仅针对连接件本身材质的性能进行研究，而抗拔承载力和抗剪承载力则主要在于连接件在实际使用时的真实效能。图4（a）为抗拔承载力试验的加载示意，试件由混凝土板、FRP 连接件和夹持端组成，混凝土板的抗压强度宜在30～40 MPa，试样锚固长度按样品实际规格确定，夹持端灌浆料应符合JGJ 1—2014《装配式混凝土结构技术规程》的规定。试样加载时，应沿轴向匀速拉伸，直至试样断裂或拔出，加载速度控制在1～3 kN/min。

FRP 连接件的抗剪承载力示意如图5 所示，试件由3 层混凝土板和FRP 连接件组成，两层空腔之间均匀分布8 个连接件，锚固长度按样品实际规格确定加载时，对中间混凝土板施加均匀荷载，加载速度控制在1～15 kN/min，直至试件破坏，记录最大荷载。当中间混凝土板滑移超过10 mm 时，取10 mm之前的最大荷载参与计算。

图5 抗剪承载力加载示意

对于不锈钢连接件的抗拔和抗剪承载力性能检测，在DG/TJ 08-2158—2017 中进行了规范，对于板式和棒式不锈钢连接件可参照FRP 的抗拉拔试验方法，试件由一个连接件锚入混凝土板组成，混凝土板尺寸为500 mm×500 mm×150 mm，配置双向双层钢筋，混凝土强度等级为C30，钢筋选用HRB400。连接件的两端在内页和外页混凝土板中的锚入深度均为55 mm。桁架式连接件可参照图4（b）中的示意锚固进行抗拔性能试验，每次试验时使用1 个桁架节点。不锈钢连接件的抗剪承载力试验与FRP 试验方法一致，其中桁架式连接件以桁架节点进行锚固，抗剪试验高度不应低于2 个桁架节间长度。

4 结 语

我国虽然在预制保温墙体连接件的研究上晚于欧美国家，但近些年预制保温墙体连接件已经受到了足够重视，对保温连接件的研究不断深入，相关标准不断颁布。产品的设计和应用逐渐规范化。从广度上来看，国内行业已经初具模型，但深层次的研究和产业规模与国外依然存在差距。从检测行业来看，目前仅仅对FRP 连接件出台了相关行业标准，但对占比很大的不锈钢连接件仍然没有相关的行业标准。这为连接件的产业化造成了阻碍。针对目前的问题，应加大力度进行更深入的研究，针对薄弱环节加大投入，除了材料本身的研究，还应对连接件的构型、布局、热工等综合性能进行开发，不断推进预制保温墙体向前发展。