新型复合夹芯保温墙板抗剪性能研究摘要：预制混凝土夹芯保温墙板在装配式建筑中运用越来越广泛，对一种新型材料的复合夹芯保温板进行了剪切试验，墙板采用轻集料混凝土和改性聚氨酯保温材料复合而成，改进了一种新型工字型FRP连接件的构造，解决保温墙板的连接问题。
研究结果表明，采用此FRP连接件时，此保温墙板力学性能符合安全使用条件，利用有限元进行分析，结果与试验数据基本吻合。
关键词：工字型FRP接件；夹芯保温板；剪切试验1.复合夹芯墙板的构造墙板示意图1-1如下，由抗裂砂浆面层、轻集料防火层、改性聚氨酯保温层组合，使用连接件连接内、外叶板。
图1-1夹芯墙板构造示意图抗裂砂浆面层主要作用为面层防水、面层抗裂。
轻集料防火层选用SG超轻聚合物骨料防火保温混凝土。
A级防火，轻质保温，容重可达到传统混凝土容重的1/10～1/8，抗冲击性能优越、施工速度快。
适用于屋面保温、轻质隔墙、自保温墙体等用途。
改性聚氨酯保温层主要作用为保温。
改性聚氨酯保温层导热系数低，防火性能好，吸水率低。
2.改进工字型FRP连接件构造本文采用的改进工字型FRP连接件设计来源于河北盛信研发专利，连接件由两部分组成，包括受力主筋和锚固钢片部分。
整体如图2-1。
受力主筋，其外边缘轮廓为工字型。
主筋末端带有锯齿状能更好增加锚固效果。
锚固部分由钢片和一尼龙固定螺钉组成，钢片作为金属卡件，让工字型主筋穿过，在工字型筋上面打入一发尼龙螺钉，更好的增加了锚固效果。
金属卡件。
3.试验设计方案本试验设计的试件SW-1采用FRP连接方式，连接件锚固深度40mm，连接件个数4个。
所有试件全部采用新型材料轻集料混凝土，材性试验按照GB/T50081-2002 进行，混凝土的力学性能：抗压强度7.5Mpa，弹性模量27337Mpa。
4.试验构件设计试验墙板采用二层超轻混凝土夹一片聚氨酯保温板构造，试验构件整体尺寸为950mm*260mm*600mm（高×宽×长），两侧超轻混凝土墙板厚度为 50mm，保温层厚度为 160mm.①SW-1复合墙板共设计使用4个连接件，每边2个（2 行 2 列），对称布置。
预制夹芯保温墙体FRP连接件抗拉强度加速老化试验研究薛伟辰;付凯;秦珩【摘要】基于ACI 440.3R-04规定的试验方法,将60根FRP连接件分别放入40,60℃的模拟混凝土环境中进行加速老化试验,侵蚀时间分别为3.65,18.00,36.50,92.00,183.00 d.采用扫描电子显微镜(SEM)对侵蚀前后FRP连接件的微观形貌进行了观测,发现侵蚀后FRP连接件劣化区域内的纤维不断被腐蚀,与周围树脂之间出现了明显的脱黏现象,且随着侵蚀时间的延长和温度的提高这种脱黏现象更加明显.在40,60℃模拟混凝土环境作用下,侵蚀183.00 d后,FRP连接件的抗拉强度分别下降了32.91％,38.85％.基于阿列纽斯方程提出了模拟混凝土环境下FRP连接件抗拉强度的退化模型.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2014(017)003【总页数】5页(P420-424)【关键词】预制夹芯保温墙体;模拟混凝土环境;FRP连接件;加速老化试验;抗拉强度;退化模型【作者】薛伟辰;付凯;秦珩【作者单位】同济大学建筑工程系,上海200092;同济大学建筑工程系,上海200092;北京万科企业有限公司,北京100125【正文语种】中文【中图分类】TU377.4预制夹芯保温墙体是一种集承载与保温一体化的新型保温墙体，一般由保温层、内外混凝土墙板、纤维增强塑料（FRP）连接件等构件组成.与传统的内保温或外保温墙体相比，预制夹芯保温墙体具有施工速度快、保温隔热性能优良等优点，在工业化住宅，尤其是工业化保障房建设中的应用前景广阔［1－3］.FRP是一种高性能复合材料，具有较高的比强度和良好的耐腐蚀性能，而且导热系数很低，约为钢材的1／150，混凝土的1／30.研究［4－5］表明，在夹芯保温墙体中采用FRP连接件是避免连接件部位冷热桥、保证墙体耐久性的一个行之有效的方法.FRP连接件是预制夹芯保温墙体的关键部件，其受力性能直接影响墙体的使用安全性及耐久性.目前，关于FRP连接件的研究主要集中在正常使用环境下FRP连接件的抗拉强度、抗压性能和抗剪性能等方面［6－7］.预制夹芯保温墙体中的FRP连接件处于混凝土环境，而混凝土环境属于强碱环境，pH值可达12.0～13.5，因此有必要对预制夹芯保温墙体FRP连接件的耐久性能进行研究.研究［8］表明，预制夹芯保温墙体FRP连接件的抗剪性能具有较高的安全储备.在60℃模拟混凝土环境下侵蚀183.00d（对应自然环境50a）后，FRP连接件的层间剪切强度下降了26.89%，但与设计荷载值相比仍具有较大的安全系数.Vistasp等［9］的研究表明，GFRP筋在80℃模拟混凝土环境下侵蚀80周后，其抗拉强度降低40.00%.Mukherjee等［10］的研究表明，GFRP筋在60℃碱溶液腐蚀6个月后，其抗拉强度降低了56.00%；Nkurnziza［11］将拉应力水平分别为25%，38%的GFRP筋浸入60℃模拟混凝土环境中417.00d后，发现其抗拉强度分别下降了11.63%，31.68%；Chen［12］将 GFRP筋在60℃碱溶液中浸泡70.00d后发现，其抗拉强度下降了29.00%；李杉等［13］将GFRP片材在pH 值为12的碱溶液中浸泡60.00d，试验温度分别为40，50，60℃，结果发现其抗拉强度分别下降了41.70%，49.10%，55.00%.综上可见，腐蚀前后FRP材料的抗拉强度变化幅度差别较大.为验证预制夹芯保温墙体在50a使用寿命期间的耐久性，实现主体结构与围护结构同寿命，有必要对预制夹芯保温墙体FRP连接件的耐久性能进行研究.本文基于ACI 440.3R－04《Guide Test Methods for Fiber－Reinforced Polymers （FRPs）for Reinforcing or Strengthening Concrete Structures》中规定的试验方法对FRP连接件进行了183.00d（模拟自然环境下50a［14－15］）的加速老化试验研究，重点分析了侵蚀时间和环境温度等对FRP连接件抗拉强度的影响.同时，采用扫描电子显微镜（SEM）对腐蚀前后FRP连接件的微观形貌进行了观察.最后，基于阿列纽斯方程提出了模拟混凝土环境下FRP连接件抗拉强度的退化模型.1 试验设计1.1 试验原材料及试验参数选用南京斯贝尔复合材料公司拉挤成型工艺生产的FRP连接件.FRP连接件的纤维材料为无碱玻璃纤维（E－glass），基体材料为乙烯基树脂（vinyl ester）.试验在自制的恒温溶液箱中进行，溶液温度分别为40，60℃，侵蚀时间分别为3.65，18.00，36.50，92.00，183.00d，每一温度、侵蚀时间下测试5个试件，共计50个.1.2 试验方法侵蚀溶液的配比参照ACI 440.3R－04中的有关规定，采用Ca（OH）2，KOH，NaOH 的混合溶液来模拟真实混凝土环境，pH 值为12.6～13.0.FRP连接件的抗拉强度试验在上海试验机厂生产的 WE－30液压式压缩试验机上进行，由英国产ISOLATED MEASUREMENT PODS的数据采集系统实时连续采集，加载时间持续2～4min.采用PHILIPS公司生产的XL－30型扫描电子显微镜（SEM）对侵蚀前后FRP连接件内部形貌进行观察.2 抗拉强度FRP连接件在40，60℃模拟混凝土环境中侵蚀前后的抗拉强度变化如图1所示，图2为FRP连接件典型的受拉破坏形态.图1 FRP连接件抗拉强度随时间的变化规律Fig.1 Curve of tensile strengthvs.time图2 FRP连接件受拉破坏形态Fig.2 Tensile failure modes of FRP connectors由图1，2可见：（1）随着侵蚀时间的延长，FRP连接件的抗拉强度呈退化趋势，在60℃模拟混凝土环境中侵蚀92.00d后，其抗拉强度退化速率趋缓.模拟混凝土环境温度为60℃时，FRP连接件侵蚀3.65，18.00，36.50，92.00，183.00d后，其抗拉强度分别下降了 8.69%，19.42%，26.61%，32.91%，38.85%.这主要是由于随着侵蚀时间的增加，FRP连接件中的纤维不断被腐蚀，从而造成了FRP连接件抗拉强度的不断退化.（2）在40，60℃模拟混凝土环境作用下，侵蚀183.00d后，FRP连接件的抗拉强度分别下降了26.39%，38.85%.这主要是由于随着温度的升高，模拟混凝土环境中的OH—运动速度加快，从而加速了FRP连接件中纤维与OH—的化学反应，导致抗拉强度不断退化.（3）在60℃模拟混凝土环境下侵蚀183.00d后（对应自然环境50a）FRP连接件的抗拉强度下降了38.85%.因此，对应于自然环境50a，FRP连接件的抗拉强度环境影响系数建议取偏于安全的2.0.3 SEM分析图3为FRP连接件在模拟混凝土环境中侵蚀前后的截面侵蚀状况.图3 侵蚀前后FRP连接件截面侵蚀状况Fig.3 SEM images of the FRP connectors before and after being exposed to simulated concrete environment由图3可见：（1）随着侵蚀时间的增加，FRP连接件的劣化程度逐渐增大.侵蚀前，FRP连接件内部结构比较致密，纤维比较饱满，纤维和树脂结合也较紧密；侵蚀后，纤维和树脂之间的界面变得松散，纤维与周围树脂之间出现较为明显的脱黏现象.（2）在40℃模拟混凝土环境中侵蚀36.50d后，纤维和树脂之间的界面仍比较紧密，没有出现明显的脱黏现象，而在60℃碱溶液中，纤维与周边树脂之间出现了明显的脱黏现象.侵蚀183.00d后，纤维和树脂间界面脱黏现象较为严重.（3）在60℃模拟混凝土环境中，随着侵蚀时间的增加，纤维的侵蚀程度愈发明显.183.00d后，纤维的侵蚀程度较为严重，在GFRP连接件内部出现很多孔洞.这是由于FRP连接件中的纤维与模拟混凝土环境溶液中的OH—不断发生化学反应，致使Si—O键断裂，从而对FRP连接件抗拉力学性能造成不利影响［12］.4 FRP连接件抗拉强度退化模型根据文献［13－14］，本文采用阿列纽斯方程来建立不同温度下FRP连接件抗拉强度退化模型.4.1 退化模型根据阿列纽斯方程，模拟混凝土环境下FRP连接件强度退化速率可用式（1）表示［16］.式中：k为FRP连接件的强度退化速率，MPa／d；A为与材料特性和劣化过程有关的常数；Ea为引起FRP连接件强度退化的活化能，J／mol；R为气体常数，8.314 3J／（mol·K）；T 为环境绝对温度，K.根据图1的试验数据，分别对模拟混凝土环境不同温度下FRP连接件的抗拉强度退化速率随时间变化的数据进行拟合，可得到抗拉强度退化速率Vt（%）与侵蚀时间t的关系为：基于阿列纽斯方程，可得不同温度下FRP连接件抗拉强度退化速率Vt随时间t和温度T的变化关系为：4.2 模型计算值与试验值对比4.2.1 与本文试验结果的对比图4为FRP连接件的抗拉强度退化速率随时间变化的试验值和模型计算值.由图4可见，基于阿列纽斯方程的FRP连接件抗拉强度退化速率试验值与模型计算值之比的平均误差均在10%以内，二者吻合较好.图4 FRP连接件抗拉强度模型计算值与试验值对比Fig.4 Comparison of experimental and calculated results of FRP connectors4.2.2 与已有文献试验结果对比表1为本文抗拉强度退化模型对国内外已有文献中FRP连接件及片材的抗拉强度退化速率计算值与试验值对比.由于FRP材料组成的复杂性以及侵蚀溶液的差异，个别文献试验值与本模型计算值相差较大（达到1.93）.但总体上看，已有文献试验值与本文抗拉强度退化模型计算值之比的平均值为1.73，结果偏安全.表1 FRP连接件抗拉强度退化速率试验值与计算值对比Table 1 Comparison of experimental and calculated results of tensile strength decrease rate of FRP connectorsLiterature source Temperature／℃ Time／d Ve／%Vc／%Ve／Vc ［13］ 40 60 31.21 20.15 1.55 60 60 35.48 31.01 1.14［16］23 7 11.50 6.26 1.84［17］23 784 29.79 21.72 1.37续表1Note：Veis experimental results of tensile strength decrease rate of GFRP rebars in literature；Vcis calculated results of GFRP rebars based on the prediction model in this paper.Literature source Temperature／℃ Time ／d Ve／%Vc／%Ve／Vc 20 30 17.13 10.26 1.67 90 20.86 13.57 1.54 15027.81 15.11 1.84［18］60 30 44.71 25.76 1.74 90 65.64 34.08 1.93 15070.04 37.95 1.85 Average value 1.735 结论（1）侵蚀后FRP连接件的劣化区域内纤维和周围树脂之间出现了明显的脱黏现象，而且随着侵蚀时间的增加和环境温度的提高这种现象更为明显.（2）随着侵蚀时间的增加，40，60℃模拟混凝土环境下的FRP连接件抗拉强度均呈下降趋势.（3）在40，60℃模拟混凝土环境作用下，侵蚀183.00d后，FRP连接件的抗拉强度分别下降了26.39%，38.85%.（4）对应自然环境50a时，FRP连接件的抗拉强度环境影响系数建议取2.0.参考文献：［1］薛伟辰.预制混凝土框架结构体系研究与应用进展［J］.工业建筑，2002，32（11）：47－50.XUE Weichen.Progress of studies and applications of precast concrete frame structure systems［J］.Industrial Construction，2002，32（11）：47－50.（in Chinese）［2］张泽平，李珠，董彦丽.建筑保温节能墙体的发展现状与展望［J］.工程力学，2007，24（S）：121－127.ZHANG Zeping，LI Zhu，DONGYanli.Development and prospects of heat preserving and energy conservation wall system in buildings［J］.Engineering Mechanics，2007，24（S）：121－127.（in Chinese）［3］张之晔.节能围护墙体的力学性能和热工性能研究［D］.上海：上海交通大学，2009.ZHANG Zhiye.The mechanical and thermal properties of energy－saving wall panels［D］.Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2009.（in Chinese）［4］ EINEA A，SALMON D C.State of the art of precast concrete sandwich panels［J］.PCI Journal，1991，36（6）：78－98.［5］ KURAMA，YAHYA，PESSIKI.Seismic behavior and design 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