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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2019, Vol. 53 Issue (11): 2185-2196    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.11.017
土木工程、市政工程     
采用发泡聚苯乙烯保温砂浆芯材的夹芯叠合板受弯性能
罗斌(),黄炜*(),马相,李斌,周文彩,任杉杉
西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055
Flexural behavior of sandwich composite panels with core material of expanded polystyrene thermal insulation motar
Bin LUO(),Wei HUANG*(),Xiang MA,Bin LI,Wen-cai ZHOU,Shan-shan REN
Civil Engineering Institute, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China
 全文: PDF(1788 KB)   HTML
摘要：

为了提升装配式建筑预制夹芯保温叠合板（CSICPs）的工业化生产效率，从材料密度、吸水率、导热系数、抗压强度、抗折强度、压折比及软化系数等指标出发，借助正交试验设计方法，采用极差及方差分析，确定适用于夹芯保温叠合板的发泡聚苯乙烯保温砂浆（ETIM）的最佳配比. 在此基础上，针对2块ETIM夹芯保温叠合板、1块发泡聚苯乙烯（EPS）板夹芯保温叠合板及1块普通钢筋桁架叠合板进行受弯性能对比试验，分别从承载能力、荷载-挠度曲线、荷载-钢筋应变曲线及抗滑移性能方面展开分析. 结果表明：夹芯保温叠合板与普通钢筋桁架叠合板的受弯破坏过程类似，均经历弹性阶段、弹塑性阶段及破坏阶段；预制底板构造形式及芯材对夹芯叠合板的受弯性能有较大影响；采用ETIM芯材的夹芯保温叠合板的受弯性能优于采用EPS板的夹芯保温叠合板；钢筋桁架的配置对提升夹芯保温叠合板的受弯及抗滑移性能有较为显著的作用.
关键词： 发泡聚苯乙烯保温砂浆（ETIM）;  配合比;  叠合板;  受弯性能;  滑移    
Abstract:

In order to improve the industrial production efficiency of prefabricated concrete sandwich insulation composite panels (CSICPs) for fabricated buildings, the effects of density, water absorption, thermal conductivity, compressive strength, flexural strength, tension-compression ratio, and softening coefficient of the block material were considered using the method of orthogonal experimental design. The optimum mix proportion of core materials, i.e. expanded polystyrene thermal insulation mortar (ETIM), which was suitable for CSICP was obtained by the analysis of range and variance. Based on this, comparison tests of bending performance were conducted among two CSICPs with ETIM core, one CSICP with expanded polystyrene board (EPS) core and one ordinary concrete composite slab with steel bar truss. Analysis were conducted from the perspectives of ultimate bearing capacity, load-deflection curves, load-rebar strain curves and anti-slip performance. Results show that the four specimens share similar flexural behaviors and undergo elastic phase, elastic-plastic phase and failure phase. The shape of precast bottom panel and the core material have great impact on the flexural performance of CSICPs. The flexural behavior of CSICP with ETIM core is better than that of CSICP with EPS core. Configuration of steel bar truss has a significant improvement on the flexural performance and anti-horizontal-slip performance of CSICPs.
Key words: expanded polystyrene thermal insulation mortar (ETIM)    mix proportion    composite slab    flexural behavior    slip
收稿日期: 2018-09-04 出版日期: 2019-11-21
CLC:  TU 375  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目（51578446，51508021）；教育部创新团队发展计划资助项目（IRT-17R84）
通讯作者: 黄炜     E-mail: Robin198595@163.com;huanwei2005@126.com
作者简介: 罗斌（1985—），男，工程师，博士生，从事新型材料与新型结构体系研究. orcid.org/0000-0003-4710-6921. E-mail： Robin198595@163.com
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罗斌
黄炜
马相
李斌
周文彩
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罗斌,黄炜,马相,李斌,周文彩,任杉杉. 采用发泡聚苯乙烯保温砂浆芯材的夹芯叠合板受弯性能[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(11): 2185-2196.

Bin LUO,Wei HUANG,Xiang MA,Bin LI,Wen-cai ZHOU,Shan-shan REN. Flexural behavior of sandwich composite panels with core material of expanded polystyrene thermal insulation motar. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2019, 53(11): 2185-2196.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2019.11.017    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2019/V53/I11/2185

材料名称 材料型号 材料参数
水泥 P.O 42.5R普通硅酸盐水泥 密度为2 841.4 kg/m3，初凝时间为203 min，终凝时间为230 min
EPS颗粒 原发性EPS颗粒 粒径为3~7 mm，堆积密度为10~12 kg/m3，表观密度为29.0 kg/m3，吸水率≤4.0，传热系数为0.039 W/(m2·K)，抗压强度为0.18 MPa，抗拉强度为0.25 MPa
可分散乳胶粉 国产 XA-05 型 最低成膜温度为0~5 ℃，固体质量分数≥98.0%，粒径大于400 μm，
灰分的质量分数为10%±2%
硅粉 郑州吉兴硅粉有限公司 堆积密度为0.2 g/cm3，细度为1 000 目，比表面积为18~20 m2/g
保水剂 羟丙基甲基纤维素醚 细度≥100 目，黏度为20 000 mPa·s
混杂纤维 聚丙烯纤维与木纤维按体积比1∶1掺入 聚丙烯纤维长度为10 mm，比重为0.91 g/cm3，弹性模量为3 500 MPa，抗拉强度为400 MPa；木纤维规格为H-1 000 μm
引气剂 国产 DARAVAIR110 型引气剂 —
减水剂 国产 FDN-C 型减水剂 —
防水剂 有机硅防水剂 S —
表 1  ETIM的主要材料
w(SiO2)/% w(Al2O3)/% w(Fe2O3)/% w(MgO)/% w(CaO)/% w(NaO)/% pH平均值
75.0~98.0 1.0 ± 0.2 0.9 ± 0.3 0.7 ± 0.1 0.3 ± 0.1 1.3 ± 0.2 中性
表 2  硅粉的主要化学成分
图 1  EPS颗粒表面改性示意图
测试内容 测试标准号 试样尺寸/mm
物理测试 密度 《胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统》JGT 158-2004[17] 70.7×70.7×70.7
吸水率 《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70-2009[18] 70.7×70.7×70.7
软化系数 《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T 70-2009[18] 70.7×70.7×70.7
力学性能 抗压强度 《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T70-2009[18] 70.7×70.7×70.7
抗折强度 《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》GB/T 17571-1999[19] 40.0×40.0×160.0
热工学性能 导热系数 《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》GB/T 10295-2008[20] 300.0×300.0×30.0
表 3  ETIM试块的测试内容、规格及方法
试件编号 ρ/（kg·m?3） ${W_{\rm{x}}}$ $\psi $ ${f_{{\rm{c}}}}$/MPa ${f_{\rm{f}}}$/MPa ${f_{\rm{c}}}/{f_{\rm{f}}}$ $\lambda $/（W·m?1·K?1）
1 502.91 0.76 0.96 1.38 0.54 2.56 0.121
2 527.88 0.60 0.97 1.88 1.07 1.76 0.137
3 535.45 1.02 0.66 2.27 0.75 3.03 0.124
4 377.54 1.20 0.84 0.89 0.80 1.10 0.104
5 411.54 1.24 0.84 1.13 0.88 1.28 0.110
6 412.01 1.51 0.65 1.04 0.75 1.39 0.117
7 344.69 1.22 0.69 0.84 0.66 1.28 0.101
8 355.58 1.15 0.81 0.70 0.68 1.03 0.102
9 353.70 1.73 0.70 0.74 0.43 1.71 0.133
10 458.31 1.69 0.87 1.33 0.82 1.62 0.141
11 517.08 0.58 0.85 1.44 0.97 1.49 0.144
12 523.36 1.01 0.66 2.06 0.90 2.28 0.137
13 388.09 3.10 0.82 0.73 0.63 1.15 0.143
14 410.01 0.89 0.88 1.24 0.91 1.36 0.140
15 422.38 1.57 0.81 1.25 0.98 1.27 0.105
16 369.23 1.56 0.89 0.84 0.77 1.09 0.097
17 315.76 2.12 0.61 0.76 0.76 1.00 0.118
18 345.39 1.35 0.86 0.72 0.59 1.22 0.116
表 4  ETIM物理、力学及热工性能正交设计试验结果
因素 ρ/（kg·m?3） ${W_{\rm{x}}}$ $\psi $ ${f_{{\rm{c}}}}$/MPa
K1 K2 K3 R K1 K2 K3 R K1 K2 K3 R K1 K2 K3 R
A 510.83 403.60 347.39 166.44 0.94 1.59 1.52 0.64 0.83 0.81 0.76 0.07 1.73 1.05 0.77 0.96
B 406.80 422.98 432.05 25.25 1.59 1.10 1.37 0.49 0.85 0.83 0.72 0.12 1.00 1.19 1.35 0.35
C 414.90 423.49 423.43 8.60 1.33 1.42 1.30 0.12 0.80 0.81 0.79 0.01 1.07 1.23 1.24 0.16
D 422.02 429.33 410.48 18.85 1.05 1.18 1.82 0.77 0.82 0.83 0.75 0.08 1.11 1.27 1.16 0.16
E 416.29 412.14 433.40 21.26 1.61 1.24 1.20 0.41 0.75 0.85 0.79 0.10 1.11 1.13 1.30 0.18
F 428.56 413.51 419.90 14.95 1.20 1.45 1.40 0.25 0.82 0.76 0.81 0.06 1.23 1.18 1.13 0.11
G 416.02 428.00 417.80 11.98 1.29 1.51 1.24 0.27 0.86 0.81 0.72 0.14 1.09 1.11 1.34 0.26
主次
因素 		以密度为考核指标的影响因素主
次顺序为：A>B>E>D>F>G>C；配
比为：A3 B1 C3 D3 E1 F2 G1制备的
ETIM密度最低 		以吸水率为考核指标的影响因
素主次顺序为：D>A>B>E>G>F>C；配比为：
A1 B2 C3 D1 E3 F1 G3制备的ETIM吸水率最低 		以软化系数为考核指标的影响
因素主次顺序为：G>B>E>D>A>F>C；配比为：
A1 B1 C2 D2 E2 F1 G1制备的ETIM软化系数最大 		以抗压强度为考核指标的影响
因素主次顺序为：A>B>G>E>C>D>F；配比为：
A1 B3 C3 D2 E3 F1 G3制备的ETIM抗压强度最高
表 5  ETIM物理、力学及热工性能极差分析表
考核指标 方差来源 偏差平方和 方差估计值 F值 显著性1） 考核指标 方差来源 偏差平方和 方差估计值 F值 显著性
干密度 A 82 742.302 41 371.150 0 281.856 ** 抗折强度 A 0.138 0.069 0 19.714 *
B 1 963.697 981.848 5 6.689 — B 0.105 0.052 5 15.000 —
C 293.562 146.781 0 1.000 — C 0.006 0.003 0 0.857 —
D 1 084.209 542.104 5 3.693 — D 0.083 0.041 5 11.857 —
E 1 523.586 761.793 0 5.190 — E 0.047 0.023 5 6.714 —
F 675.884 337.942 0 2.302 — F 0.042 0.021 0 6.000 —
G 501.345 250.672 5 1.708 — G 0.007 0.003 5 1.000 —
误差 293.562 146.781 0 — — 误差 0.007 0.003 5 — —
总和 89 078.147 — — — 总和 0.435 — — —
吸水率 A 1.500 0.750 0 32.609 * 压折比 A 3.125 1.562 5 115.741 **
B 0.727 0.363 5 15.804 — B 0.781 0.390 5 28.926 *
C 0.046 0.023 0 1.000 — C 0.027 0.013 5 1.000 —
D 2.011 1.005 5 43.717 * D 0.134 0.067 0 4.963 —
E 0.607 0.303 5 13.196 — E 0.048 0.024 0 1.778 —
F 0.215 0.107 5 4.674 — F 0.329 0.164 5 12.185 —
G 0.248 0.124 0 5.391 — G 0.190 0.095 0 7.037 —
误差 0.046 0.023 0 — — 误差 0.027 0.013 5 — —
总和 5.400 — — — 总和 4.661 — — —
软化系数 A 0.015 0.007 5 15.000 — 导热系数 A 0.001 57 0.000 79 0.990 —
B 0.052 0.026 0 52.000 * B 0.000 15 0.000 08 0.100 —
C 0.001 0.000 5 1.000 — C 0.000 05 0.000 02 0.030 —
D 0.022 0.011 0 22.000 * D 0.000 64 0.000 32 0.400 —
E 0.032 0.016 0 32.000 * E 0.000 67 0.000 34 0.420 —
F 0.010 0.005 0 10.000 — F 0.000 04 0.000 02 0.020 —
G 0.057 0.028 5 57.000 * G 0.000 50 0.000 25 0.310 —
误差 0.001 0.000 5 — — 误差 0.000 80 0.000 40 — —
总和 0.190 — — — 总和 0.004 42 — — —
抗压强度 A 2.925 1.462 5 86.029 * 1）注“**”表示非常显著；“*”表示显著；2. 表中各考核指标下的7个因素及误差的自由度均为2，总和自由度均为16；3. 7个因素在密度、吸水率、抗压强度、抗折强度、压折比及软化系数下的F0.01=99.000、F0.05=19.000，在导热系数考核指标下的F0.01=30.800、F0.05=9.550
B 0.358 0.179 0 10.529 —
C 0.096 0.048 0 2.824 —
D 0.080 0.040 0 2.353 —
E 0.120 0.060 0 3.529 —
F 0.034 0.017 0 1.000 —
G 0.242 0.121 0 7.118 —
误差 0.034 0.017 0 — —
总和 3.889 — — —
表 6  ETIM物理、力学及热工性能方差分析表
试件编号 预制底板构造/材质 夹芯层材质 后浇层材质 L/mm W/mm hb/mm hc/mm ht/mm
DHB-1 钢筋桁架/C30混凝土 — C30混凝土 3 000 900 60 0 60
JXB-1 钢筋桁架/C30混凝土 ETIM C30混凝土 3 000 900 60 30 60
JXB-2 平面拉毛/C30混凝土 ETIM C30混凝土 3 000 900 60 30 60
JXB-3 钢筋桁架/C30混凝土 EPS板 C30混凝土 3 000 900 60 30 60
表 7  叠合板的基本参数
图 2  叠合板的几何尺寸及构造
图 3  叠合板试件加载现场
图 4  叠合板试件的混凝土应变及位移计测点布置
试件编号 Fcr /kN1） Fy/kN Fu/kN
1）注：叠合板特征荷载均未计入自重及加载分配梁重量
DHB-1 17.00 53.35 78.60
JXB-1 34.30 122.06 142.30
JXB-2 30.30 89.86 105.50
JXB-3 26.30 83.15 101.10
表 8  叠合板的特征荷载
图 5  叠合板的破坏形态和裂缝分布
图 6  叠合板试件荷载-跨中挠度曲线
图 7  叠合板荷载-钢筋应变曲线
图 8  叠合板荷载-板端滑移曲线
试件编号 ${\sigma _{\rm{t}}}$/MPa ${\sigma _{\rm{b}}}$/MPa Ie/(106 mm4) Ie/Ig1)
1）注：Ig=253.13×106 mm4
JXB-1 –4.39 3.01 246.83 97.51%
JXB-2 –4.22 2.98 224.10 88.53%
JXB-3 –3.22 2.78 233.41 92.21%
表 9  夹芯保温叠合板在弹性阶段的复合工作性能
图 9  夹芯保温叠合板的受弯承载力计算简图
试件编号 Mut/（kN·m） Mun/（kN·m） Muf/（kN·m） Mut/Muf
JXB-1 67.92 10.76 91.51 74.22%
JXB-2 54.85 10.76 91.51 59.94%
JXB-3 53.19 10.76 91.51 58.12%
表 10  夹芯保温叠合板在破坏阶段的复合工作性能
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