邵艷麗 ,聶光臨 ,曲軍輝 ,徐長(zhǎng)春 ,江威 ,王彬 ,趙矗
(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司,北京 100013;2.中國(guó)建材檢驗(yàn)認(rèn)證集團(tuán)股份有限公司,北京 100024)
目前,提高建筑物節(jié)能降耗的方法之一是在混凝土基層墻體外面粘附保溫隔熱材料,來(lái)提高外墻的保溫隔熱性能,減少外墻的熱量流失[1-3]。有機(jī)保溫材料以其導(dǎo)熱系數(shù)小、強(qiáng)度高、耐久性能好而應(yīng)用比較廣泛,常見(jiàn)的有機(jī)保溫材料有模塑聚苯乙烯泡沫塑料板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)EPS板)、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)XPS板)、硬泡聚氨酯板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)聚氨酯板)、酚醛泡沫板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)酚醛板)[4-5]。作為保溫材料除了具備符合標(biāo)準(zhǔn)要求的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)降低建筑能耗外,其良好的力學(xué)性能對(duì)于保證保溫構(gòu)件的服役安全性至關(guān)重要,其中彎曲性能是體現(xiàn)保溫材料力學(xué)性能的一個(gè)重要方面。在工程應(yīng)用中,如外墻用保溫材料的彎曲性能差,受到一定彎曲負(fù)荷作用時(shí)易發(fā)生開(kāi)裂破壞。此外,若保溫材料的彎曲變形較小時(shí),即柔度較差,不易釋放由基體層與飾面層變形失配所引入的內(nèi)應(yīng)力,當(dāng)內(nèi)應(yīng)力超過(guò)保溫材料的本征強(qiáng)度時(shí),即會(huì)造成斷裂,繼而導(dǎo)致與基層墻體和飾面層脫落[6]。因此,準(zhǔn)確評(píng)價(jià)有機(jī)保溫材料的彎曲斷裂負(fù)荷與彎曲變形具有重要意義。
有關(guān)有機(jī)保溫材料的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)較多,其中對(duì)彎曲性能表征的參數(shù)指標(biāo)不僅多還差異較大。表1列舉了有關(guān)以上4種保溫材料應(yīng)用較多的標(biāo)準(zhǔn)中所涉及到彎曲性能的情況。
表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同保溫材料彎曲性能要求
從表1可以看出:表征材料彎曲性能的參數(shù)有彎曲變形和彎曲負(fù)荷;同一種材料有些標(biāo)準(zhǔn)中以彎曲變形或彎曲負(fù)荷其中1個(gè)指標(biāo)來(lái)表征;有些標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)以彎曲變形和彎曲負(fù)荷2個(gè)指標(biāo)來(lái)表征;并且存在同一種材料用一種參數(shù)表征時(shí)其指標(biāo)不同的情況;其中EPS板的彎曲性能試驗(yàn)方法還有差別。這種不統(tǒng)一的情況,不僅不利于客觀地表征材料的本征性能,同時(shí)不利于產(chǎn)品質(zhì)量的健康發(fā)展。因此,統(tǒng)一保溫材料的彎曲性能參數(shù)指標(biāo)是當(dāng)務(wù)之急。
彎曲性能試驗(yàn)的原理:有機(jī)保溫材料在三點(diǎn)式彎曲負(fù)荷作用下,其中負(fù)荷應(yīng)垂直于試樣施加在兩支點(diǎn)中央,記錄其在斷裂時(shí)所產(chǎn)生的形變,或在規(guī)定形變下的負(fù)荷值,或斷裂時(shí)的負(fù)荷值[7]。有關(guān)EPS板的標(biāo)準(zhǔn)中彎曲性能的試驗(yàn)方法會(huì)有不同,見(jiàn)表2。
表2 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)保溫材料彎曲性能試驗(yàn)要求
GB/T8812.1—2007中說(shuō)明記錄試樣形變達(dá)到(20±0.2)mm時(shí)的負(fù)荷,若試樣在形變達(dá)到20 mm之前就斷裂,記錄斷裂點(diǎn)時(shí)的負(fù)荷和形變。
有機(jī)保溫材料的彎曲性能會(huì)受到密度的影響,因此本試驗(yàn)中所用EPS板的密度為19~21 kg/m3;XPS板的密度為22~35 kg/m3;聚氨酯板的密度為38~50 kg/m3;酚醛板的密度為45~51kg/m3。有機(jī)保溫材料在進(jìn)行試驗(yàn)前應(yīng)進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié),即樣品或試樣達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的溫度和濕度而規(guī)定的操作過(guò)程:對(duì)有機(jī)保溫材料進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié)的原因在于高分子材料原始貯存狀態(tài)不同則測(cè)試的物理、力學(xué)性能也不同。為了使結(jié)果有可比性,必須經(jīng)過(guò)狀態(tài)調(diào)節(jié),以使原始狀態(tài)處于基本一致。本試樣按照GB/T 2918—1998《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境》中要求空氣溫度23℃,相對(duì)濕度50%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行狀態(tài)調(diào)節(jié),時(shí)間為96h。標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件為21~25℃和相對(duì)濕度45%~55%。試驗(yàn)選用美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司的CMT6104型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。
目前,聚氨酯板主要應(yīng)用形式是復(fù)合硬泡聚氨酯板,是以硬泡聚氨酯為芯材,六面用一定厚度的水泥基聚合物砂漿(稱(chēng)為表皮)進(jìn)行包覆處理,一般厚度大于20mm。因此聚氨酯在做彎曲性能試驗(yàn)時(shí)應(yīng)分2種情況,一種是帶表皮的;另一種是芯材。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出EPS板、XPS板、聚氨酯板和酚醛板彎曲性能試驗(yàn)中負(fù)荷-彎曲變形過(guò)程如圖1所示。
圖1 EPS板、XPS板、聚氨酯板和酚醛板彎曲性能試驗(yàn)中負(fù)荷-彎曲變形過(guò)程
從圖1(a)可以看出,對(duì)于聚氨酯芯材和酚醛板,隨著施加負(fù)荷的增加其彎曲變形量逐漸增大直至斷裂。根據(jù)脆性材料定義,材料在損壞之前沒(méi)有發(fā)生塑性變形,脆性材料沒(méi)有屈服點(diǎn),斷裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度一樣,因此可以將聚氨酯芯材和酚醛板歸為脆性材料。
圖1(b)中的帶皮聚氨酯板進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí),表皮位于受壓側(cè),可以看出,負(fù)荷值先是均勻增大,達(dá)到最大值之后開(kāi)始逐漸減小,降到一定值后又有緩慢增加的趨勢(shì),最后趨于平穩(wěn),彎曲變形量卻是一直增大直至材料斷裂。這種情況與金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)類(lèi)似,起初的負(fù)荷-彎曲變形曲線(xiàn)近似直線(xiàn),負(fù)荷與彎曲變形成線(xiàn)性正比關(guān)系,類(lèi)似金屬的彈性階段發(fā)生彈性變形符合胡克定律,卸載負(fù)荷,變形消失材料可以恢復(fù)原來(lái)的形狀;達(dá)到最大值后,出現(xiàn)了一段鋸齒形曲線(xiàn),這一階段負(fù)荷沒(méi)有增加,而彎曲變形依然在增大,材料失去了抵抗變形的能力,類(lèi)似金屬的屈服階段,在這個(gè)階段卸載負(fù)荷,將出現(xiàn)不能消失的塑形變形;經(jīng)過(guò)屈服階段后,負(fù)荷又有緩慢的增加才能使彎曲變形繼續(xù)增大,材料又恢復(fù)了抵抗變形的能力[8]。
圖1(c)中的帶皮聚氨酯板進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)表皮位于受拉側(cè),可以看出,負(fù)荷值先是均勻的快速增大,達(dá)到一定值后,開(kāi)始緩慢增加,然后負(fù)荷趨于保持不變,期間彎曲變形一直增大,最后負(fù)荷值直線(xiàn)下降,彎曲變形不變直至材料滑落支座。依然與金屬材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)進(jìn)行類(lèi)比,初期材料仍是出現(xiàn)近似彈性變形階段,然后出現(xiàn)屈服階段,最后材料還出現(xiàn)了一段蠕變即施加在材料上的負(fù)荷保持不變的條件下,彎曲變形隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大的現(xiàn)象,由此說(shuō)明,帶皮面處于受拉側(cè)時(shí),聚氨酯試樣的柔度較好,在較大的變形(彎曲變形>20 mm)下而不發(fā)生開(kāi)裂破壞。
從圖1(b)、(c)可以看出,帶皮的聚氨酯在進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)時(shí),當(dāng)表皮處于壓縮或拉伸時(shí),其負(fù)荷最大值比較接近,但是當(dāng)表皮處于壓縮狀態(tài)時(shí)負(fù)荷值要稍微大些。
根據(jù)GB/T8812.1—2007中描述“若試樣在形變達(dá)到20 mm之前就斷裂,記錄斷裂點(diǎn)時(shí)的負(fù)荷和形變”,據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明,聚氨酯硬泡和酚醛這類(lèi)材料的彎曲變形量均小于20 mm,所以對(duì)于聚氨酯芯材和酚醛板之類(lèi)保溫材料來(lái)說(shuō),彎曲變形量和彎曲負(fù)荷即是斷裂時(shí)的值。但是對(duì)于圖1(b)中的帶皮聚氨酯(帶皮面受壓)來(lái)說(shuō),簡(jiǎn)單的認(rèn)為斷裂時(shí)的負(fù)荷和彎曲變形量即為材料本身的彎曲性能不妥,因?yàn)閿嗔烟幍呢?fù)荷值要比材料本身的最大負(fù)荷值小,甚至小20%;而對(duì)于帶皮聚氨酯(帶皮面受拉),其斷裂時(shí)彎曲變形量大于20 mm,按照GB/T 8812.1—2007中描述“記錄形變達(dá)到(20±0.2)mm 時(shí)的負(fù)荷”此時(shí)的負(fù)荷近似于最大值,所以用此時(shí)的負(fù)荷值來(lái)表征其對(duì)外載的抵抗能力是合適的。一般是以材料所能承受的最大力值表征其抵抗破壞的能力,因此對(duì)于圖1(b)與圖1(c)建議采用彎曲負(fù)荷的最大值表征其彎曲性能參數(shù)。
對(duì)于EPS板和XPS板此類(lèi)非脆性材料來(lái)說(shuō),其彎曲性能試驗(yàn)過(guò)程的負(fù)荷-彎曲變形存在2種情況,如圖2所示。
圖2 2種典型的EPS板和XPS板負(fù)荷-彎曲變形
從圖2(a)可以看出,一些EPS板、XPS板隨著施加負(fù)荷的增加其彎曲變形量先增加,當(dāng)負(fù)荷值達(dá)到一定值時(shí)力值不變,材料的變形位移量一直增大直至斷裂。同以上分析酚醛和聚氨酯的加載負(fù)荷破壞過(guò)程類(lèi)似成金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程可知,實(shí)際上EPS板的加載負(fù)荷破壞過(guò)程也包括彈性變形線(xiàn)性階段(負(fù)荷-彎曲變形曲線(xiàn)為近似直線(xiàn))與塑形變形非線(xiàn)性階段(負(fù)荷-彎曲變形曲線(xiàn)為曲線(xiàn)),同時(shí)在加載負(fù)荷后期發(fā)生了蠕變。
從圖2(b)可以看出,另一些EPS板、XPS板隨著施加負(fù)荷的增加其彎曲變形量先增加,當(dāng)負(fù)荷達(dá)到一定值時(shí)不再增加,材料的彎曲變形繼續(xù)增加;當(dāng)彎曲變形達(dá)到一定值時(shí),負(fù)荷開(kāi)始減小,直至斷裂。與圖2(a)的類(lèi)似金屬材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)分析類(lèi)似,在此不再贅述;但是對(duì)于圖2(b)中的最后階段加載負(fù)荷逐漸減小,彎曲變形量一直增加的情況也是符合材料發(fā)生塑形變形的規(guī)律的。
依據(jù)GB/T8812.1—2007中描述“若試樣在形變達(dá)到20 mm之前就斷裂,記錄斷裂點(diǎn)時(shí)的負(fù)荷和形變”。據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析此類(lèi)材料的彎曲變形量極少能達(dá)到20 mm,所以當(dāng)彎曲變形量小于20 mm時(shí),圖2(a)這類(lèi)材料的料的彎曲變形量和彎曲負(fù)荷即為材料斷裂時(shí)的負(fù)荷值和彎曲變形量;圖2(b)這類(lèi)材料斷裂時(shí)的負(fù)荷要比最大負(fù)荷小20%左右,若取材料斷裂時(shí)的值來(lái)表征其彎曲性能,那么材料本身的彎曲性能就人為的降低了。所以針對(duì)這種情況,應(yīng)以施加負(fù)荷值的最大值記為彎曲負(fù)荷,斷裂時(shí)的彎曲變形量為彎曲變形量值,這樣更加合理。
對(duì)EPS板、XPS板、聚氨酯板和酚醛板進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出的結(jié)果如表3所示。針對(duì)EPS板彎曲性能的不同試驗(yàn)方法做了對(duì)比試驗(yàn)得出:同一廠(chǎng)家的材料按照這2個(gè)不同的試驗(yàn)方法測(cè)得的彎曲性能試驗(yàn)結(jié)果相差較大,按照GB/T10801.1—2002方法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)得出的彎曲負(fù)荷、彎曲變形量分別是GB/T 8812.1—2007方法標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的1.68倍和2.22倍。
表3 不同廠(chǎng)家按2種不同方法測(cè)的彎曲性能結(jié)果統(tǒng)計(jì)
由圖2(a)EPS板的負(fù)荷-彎曲變形曲線(xiàn)可以看出,EPS板的加載破壞過(guò)程包括線(xiàn)性階段與非線(xiàn)性階段,即在加載后期發(fā)生了塑性變形、蠕變。按照線(xiàn)彈性彎曲,由材料力學(xué)計(jì)算可得試樣的彎曲強(qiáng)度為(試驗(yàn)已屬于大變形,不產(chǎn)生純彎曲性,不可用該式計(jì)算彎曲強(qiáng)度或表觀彎曲彈性模量,這里只是近似分析[9-10]):
式中:σ——彎曲強(qiáng)度;P——斷裂載荷;L——跨距;b——試樣寬度;h——試樣厚度。
將GB/T8812.1—2007試樣尺寸代入式(1)可得:
將GB/T10801.1—2002中試樣尺寸代入式(1)可得:
由于測(cè)的是同一家EPS板材料,在相近應(yīng)變速率條件下(GB/T8812.1—2007與GB/T 10801.1—2002雖然加載速率相差較大,但試樣的應(yīng)變速率相近,由計(jì)算試樣的應(yīng)變速率分別為0.12、0.15,vf為位移速率),同一家材料其彎曲強(qiáng)度應(yīng)該相等,即:
由式(2)~式(4)可解得
即GB/T 10801.1—2002的彎曲負(fù)荷值為GB/T 8812.1—2007的2倍,而試驗(yàn)測(cè)得二者比值為1.68,較為接近;試驗(yàn)測(cè)得比值略小于計(jì)算值的原因在于EPS板試樣在加載破壞過(guò)程中發(fā)生了非線(xiàn)性變形,此階段不可利用式(1)計(jì)算其彎曲強(qiáng)度;另外GB/T 10801.1—2002彎曲試樣的尺寸較大,由強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)[11]可知,尺寸越大其破壞載荷峰值越小,由于樣品尺寸的影響也會(huì)使GB/T10801.1—2002與GB/T8812.1—2007的彎曲負(fù)荷值之比小于2.0。由表3可知,GB/T10801.1—2002與GB/T 8812.1—2007彎曲負(fù)荷值之比為1.68,所測(cè)試5個(gè)廠(chǎng)家中二者比值均較為接近,標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.05。同理,按照彈性模量計(jì)算公式為載荷增量;△f為變形增量),可得GB/T 10801.1—2002與GB/T 8812.1—2007的彎曲變形之比為4.0,與表3中試驗(yàn)測(cè)得的2.22相差較大,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.33,離散度比較大,其原因在于非線(xiàn)性階段對(duì)于彎曲變形的影響較大。因此,對(duì)于2種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),其彎曲負(fù)荷值之比可近似為1.68,而2種標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的彎曲變形并不具備可比性。
有機(jī)保溫材料是以其優(yōu)良的保溫隔熱性能而在建筑行業(yè)廣泛應(yīng)用,這得益于其本身材料的氣孔結(jié)構(gòu),但凡事均有兩面性,氣孔在有利于有機(jī)保溫材料的隔熱性能時(shí)卻給其力學(xué)性能造成了不利影響。但從有機(jī)保溫材料材料所含缺陷的角度說(shuō),樣品尺寸越大,越能客觀地反映材料的本征力學(xué)性能[12-13]。XPS板、聚氨酯板、酚醛板這3種有機(jī)保溫材料的彎曲性能試驗(yàn)是按照GB/T 8812.1—2007的方法,其中規(guī)定樣品尺寸為120mm×25mm×20mm,較GB/T10801.1—2002規(guī)定的樣品尺寸250 mm×100 mm×20 mm小,因此GB/T 10801.1—2002規(guī)定的大尺寸試樣更加能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)材料的本征力學(xué)性能[11,14-15]。
對(duì)照表1可以看出,EPS板按照GB/T 8812.1—2007或GB/T10801.1—2002進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)時(shí),其彎曲變形量幾乎很少能達(dá)到20 mm這一指標(biāo),但EPS板的彎曲負(fù)荷值能達(dá)到GB/T 10801.1—2002標(biāo)準(zhǔn)中≥15 N的指標(biāo)要求,如圖3(a)、(b)所示。
圖3 幾種保溫板的彎曲性能
從圖3(c)可以看出:XPS板的彎曲變形量大于5 mm,小于12mm,在8mm處相對(duì)集中一些,但是均小于20 mm;表1中對(duì)XPS板的彎曲性能要求彎曲變形≥20 mm,這顯然與實(shí)際情況有些不符,標(biāo)準(zhǔn)中指標(biāo)定得過(guò)高。從圖3(d)可看出:聚氨酯板的彎曲變形量會(huì)有少數(shù)小于6.5 mm的情況,絕大多數(shù)都是大于6.5mm,符合表1中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)。關(guān)于聚氨酯的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為聚氨酯芯材和聚氨酯帶皮面位于受壓側(cè)的試驗(yàn)數(shù)據(jù),因?yàn)楫?dāng)聚氨酯帶皮面位于受拉側(cè)時(shí)其在彎曲變形量為20 mm處時(shí)不發(fā)生斷裂,此時(shí)的負(fù)荷值與其最大力值近似相等。因此可以看出,表1中的有關(guān)聚氨酯的彎曲性能指標(biāo)均是根據(jù)聚氨酯芯材和聚氨酯帶皮面位于受壓側(cè)的時(shí)制定的指標(biāo)。從圖3(e)可以看出:酚醛板的彎曲變形量分布較分散,一部分小于4 mm,一部分大于4 mm;彎曲負(fù)荷均大于15 N;表1中相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)酚醛板的彎曲變形量要求大于4mm,彎曲負(fù)荷≥15 N,這與實(shí)際情況基本相符。
(1)EPS板分別按照GB/T10801.1—2002和GB/T8812.1—2007兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)時(shí),測(cè)得的彎曲斷裂負(fù)荷值具有可比性,比值為1.68;而彎曲變形不具有可比性。當(dāng)同種材料按照不同方法進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)時(shí),將結(jié)果與比值1.68進(jìn)行運(yùn)算后再進(jìn)行比較可得出材料的力學(xué)性能優(yōu)劣。但是因?yàn)槌叽缧?yīng)的影響,還是選用GB/T 10801.1—2002中大尺寸試樣進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)更能客觀體現(xiàn)材料的本征機(jī)械性能。
(2)GB/T 8812.1—2007 中規(guī)定“試樣形變達(dá)到(20±0.2)mm時(shí)的負(fù)荷,若試樣在形變達(dá)到20 mm之前就斷裂,記錄斷裂點(diǎn)時(shí)的負(fù)荷和形變”。隨著有機(jī)保溫材料的不斷發(fā)展,材料彎曲性能試驗(yàn)過(guò)程并不是完全與標(biāo)準(zhǔn)上相符,材料斷裂時(shí)的負(fù)荷并不是材料本身彎曲極限值。所以相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)該做到與時(shí)俱進(jìn),有關(guān)部門(mén)可以組織專(zhuān)家對(duì)標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)部分進(jìn)行修訂。
(3)將EPS板、XPS板、聚氨酯板和酚醛板按照有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行彎曲性能試驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得出了這幾種保溫材料的實(shí)際彎曲斷裂力值和位移的分布情況,并與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較,同時(shí)得出一些標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定指標(biāo)值與目前產(chǎn)品的實(shí)際性能所達(dá)到值有一定的距離。并且發(fā)現(xiàn)同種材料在不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)彎曲性能的表征項(xiàng)目和指標(biāo)不統(tǒng)一的情況,這些問(wèn)題的存在不利于產(chǎn)品的健康發(fā)展,所以應(yīng)急需解決。
彎曲性能表征項(xiàng)目的多元化和差異化以及標(biāo)準(zhǔn)中相應(yīng)指標(biāo)的不合理并不利于體現(xiàn)材料本身的特性,也不利于材料之間性能的比較。所以當(dāng)務(wù)之急就是對(duì)有機(jī)保溫材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的彎曲性能檢測(cè)項(xiàng)目統(tǒng)一化,指標(biāo)合理化,為材料的健康發(fā)展樹(shù)立方向標(biāo)。