建筑绝热复合材料连接器的探讨

张 彬 王 胜 罗本福

（1.西华大学能源与环境学院，四川成都 610039）

（2.中冶赛迪工程技术股份有限公司水资源事业部，重庆 400013）

近几年，绝热预制混凝土墙板由于其高热能效和快速建筑循环时间的特征，开始被政府和房地产开发商重视并重点采用，建筑材料正在逐步使用制式的建筑绝热系统[1-3]．本文主要调研了一种比较新颖的复合材料连接器，探讨了其在预制混凝土建筑系统中的应用以及将来可能的生产方法．

1 建筑绝热系统简介

建筑绝热系统由绝热组分和结构组分组成，一般情况下以整体系统进行出售供应，各部件一般不会分开出售．结构部件是穿过绝热层上的孔从而连结混凝土两层的连接器．非结构部分是能够起到绝热能力的核心部件——各种厚度的挤塑聚苯板刚性板，该板被浇筑在内外混凝土层之间．挤塑聚苯板刚性板在提供给建筑绝热板制造商时，需要有预先热形成的孔排列成标准结构．孔间距需要在使用之前根据服役时的载荷范围进行确定，从而为每个连接器确定相等固定的附属荷载范围，同时这些孔还能够用于保证工人在现场工作时连接器的准确位置．建筑绝热系统的制作流程见图1[5]．

图1 建筑绝热系统预制件的制作流程Fig.1 Precast production process of the building insulation system

此结构做成的建筑绝热系统，能够大大增大建筑物的建造速度，增强建筑物的绝热效果．方法灵活，既可以制成预制件，也可以在建筑工地上直接进行浇注，避免了外加保温材料造成的二次施工和保温层容易脱落的技术难题．

图2为采用夹芯结构的方法制作的建筑绝热系统预制件，在钢筋混凝土内部使用热传导率极低的XPS（聚苯乙烯挤塑板）泡沫，即内部的白色泡沫部分．

图2 建筑绝热夹芯结构Fig.2 Building insulation sandwich structure

2 建筑绝热系统的市场前景及应用情况

2.1 市场前景

随着绿色建筑在世界范围内的兴起，建筑保温材料正朝着精细化的方向发展．绝热性能和力学性能优异的复合材料连接器是目前保温墙所用钢钉的最优替代产品，并且已经得到应用，其发展前景会越来越被受到重视．

2.2 应用情况调查

2.2.1 境外应用情况

澳大利亚公司 Composite Global Solutions（CGS），在澳大利亚、迪拜、新加坡和香港均有业务，他们向预制制造商供应综合绝热系统来制造预制混凝土夹心板，即整体的建筑绝热系统．CGS公司的产品在澳大利亚、新西兰和中东已经应用于住宅、仓库（特别是冷藏库）、清洁制造设备、大学和其他教育机构以及监狱设施，使用规模正在扩大．

2.2.2 在国内的应用情况

北京特迈斯建筑科技有限公司（TMS）是在北京市工商局注册登记的外资企业，其母公司是澳大利亚注册公司Composite Global Solutions（CGS），目前此公司主要与万科进行合作，提供建筑绝热系统预制件，是目前国内唯一有记录的制造商家．

目前国内有三个重大的正在建筑或接近尾声的实验项目使用这种建筑绝热工艺，在建的项目有[5]：

（1）使用6 500平米的建筑绝热墙板，天津东丽湖阅湖园项目中3座11层建筑，49-51号楼（图3）．

（2）万科预制研究和发展研究所在北京丰台的建筑，使用了500平米的建筑绝热墙板．

（3）北京朝阳区亮马桥3号和4号楼，使用2 000平米建筑绝热墙板．建筑绝热系统的墙板授权制造商为北京丰台榆树庄构件厂．

图3 万科东丽湖试验项目，墙板正在立板Fig.3 Dongli Lake pilot project of Wanke, the wall panels are rising

3 建筑绝热系统复合材料连接器介绍

复合材料连接器（图 4，图 5）是建筑绝热系统中的重要结构件，连接器是由纤维合成材料构成，而纤维合成材料由连续玻璃纤维和乙烯基酯聚合体树脂组成．纤维通过热固树脂溶液和温度控制冲模进行拉伸，加热树脂从而引起化学反应将纤维结合在一起．在另一过程中，在连接器裸棒周围注模形成聚合体套，从而适应绝热板上孔的摩擦，并且通过套边缘保证在湿混凝土中正确的嵌入深度[5-6]．

连接器必须在各个方面与混凝土兼容，这表示使用的材料必须抗碱腐蚀，不亲水，并且和混凝土有同样的热膨胀系数，非兼容材料会导致表层爆裂，可能造成结构能力的损失．

连接器在湿混凝土中通过有槽口的梁腋的嵌入而形成结合作用．实际嵌入后的连接器在养护好的混凝土中的拉拔强度是普通荷载条件下，如风吸力（即便是台风区域）以及脱版时受力的二十多倍（图5）．

纤维合成连接器开发之前，整体混凝土建筑唯一的混凝土层之间的结构连接器的选择为销（也叫栓），材料为低碳钢或不锈钢．与低碳钢相比，连接器出色的剪切能力消除了钢销或固体混凝土浇筑穿过绝热板的结构需要．整体建筑最近的类型由于温度差别和变化造成的两混凝土层之间存在的大量不独立的运动约束，会造成开裂．

连接器的纤维合成材料拥有1.0 W/M.K的热传导率，其他相关材料的数值为[5]：

不锈钢 26.25 W/K.M

低碳钢 52.64 W/K.M

混凝土 1.80 W/K.M

挤塑聚苯板 0.028 W/K.M

纤维合成连接器的使用保留了实际潜能，或者说“购买了”墙板绝热的R值．第三方监视的热箱测试（ASTM C236）显示，建筑绝热系统达到了墙板绝热所要求的效率，高达99%．

连接器已经经过如下试验：拉伸强度、抗压强度、剪切强度、疲劳和循环（地震）加载、低温压力、防火、弯曲、蠕动等．

图4 复合材料连接器Fig.4 Connectors of composite materials

图5 复合材料连接器使用示意图Fig.5 Composite connectors using schematic

4 复合材料连接器的技术改进措施探讨

4.1 传统的制作方法

从目前的资料能够看出，建筑绝热系统用的复合材料连接器的传统制作工艺是采用拉挤成型后续机械加工的方式进行生产．这种工艺在生产规则形状的产品时效率非常高，但对于建筑绝热连接器而言，由于连接器的两端形状不规则，需要进行二次机械加工，这样就会造成复合材料中的纤维遭到部分破坏，而且纤维增强复合材料的机械加工难度大，对工人的技能要求较高．

4.2 改进的制作方法

如何避免后续的机械加工是制作建筑绝热连接器的改进方向和核心内容．具体改进措施可以考虑采用以下两种方式：

（1）真空灌注成型、间歇式生产的方法，在模具中保证复合材料连接器的外型，使用单向纤维在模具中进行填充，然后进行真空灌注，但其缺点是对单向布的填充过程要求比较高，可能会有部分的弯曲纤维产生；

（2）采用真空辅助成型和拉挤成型相结合的方式，进行二次成型，拉伸成型工艺用于生产连接器中的中心部分，然后将其放置在真空辅助成型的模具中，真空辅助成型用于原来需要进行后续加工的部分，这样能够避免复合材料在成型过程中的破坏，而且避免了后续的机械加工造成复合材料加工缺陷．

4.3 需要克服的技术难题

复合材料连接器必须在各个方面与混凝土兼容，这就要求使用的材料必须符合以下几个方面的要求：

（1）抗碱腐蚀，不亲水；

（2）复合材料连接器要和混凝土有同样的热膨胀系数．非兼容材料会导致表层爆裂，可能造成结构能力的损失．

针对这些技术难度，可以首先考虑树脂与混凝土的膨胀系数匹配性，寻找与混凝土具有相同膨胀系数的树脂，主要是不饱和树脂；其次是采用具有不同膨胀系数的不饱和树脂来改变混合比例，从而研制出符合要求的树脂配方体系．

5 开展本新产品研究的意义

绝热复合材料连接器作为一种新型技术，目前技术还不够成熟，因此，加强对其开发应用的探讨有利于该技术的更新完善，从而使得该技术能更快应用到我国建筑业领域．

[1]张大厚，王继辉.复合材料在建筑领域的使用现状及发展方向[J].武汉理工大学学报，2009，31（4）：63-66.

[2]赵永花.浅谈绝热、吸声材料在房屋建筑节能中的应用[J].工业建筑，2005，35（zl）：38-40.

[3]胡小媛，许琳.我国建筑绝热材料的应用现状及其前景[J].建筑技术，2000，31（10）：690-691.

[4]郑其俊.绝热材料的发展与应用[J].新型建筑材料，2002（6）：44-47.

[5]John Morgan. THERMOMASS©建筑绝热系统在中国[C].第五届中国预应力会议，昆明，2008.

[6]Kim Seeber, PE, F.PCI.THERMOMASS©墙板的结构分析和设计以及标准考虑[C].第五届中国预应力会议，昆明，2008.