具有保温功能的夹芯式复合剪力墙的研制

宋小软，牛伟，王国勇，徐宋兵，闫朝

（1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2.中核四达工程设计咨询有限公司，北京 100038）

具有保温功能的夹芯式复合剪力墙的研制

宋小软1，牛伟2，王国勇1，徐宋兵1，闫朝1

（1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2.中核四达工程设计咨询有限公司，北京 100038）

提出了一种具有保温功能的复合剪力墙结构，剪力墙两侧的复合层（外侧复合层附有保温层）在施工阶段可起到模板的作用，在使用阶段则可作为剪力墙的一部分与混凝土协同工作．简要介绍了此类复合剪力墙的结构形式及特点，然后对各复合层间的界面粘结性能进行了试验，得出了性能较优的界面关联方式用于复合剪力墙试制，并对复合剪力墙在静力荷载作用下的整体工作性能进行了试验研究，研究结果初步证明了这种复合剪力墙的可行性，为进一步试验和研究提供了依据．

保温层；界面粘结性能；复合剪力墙；工作性能

近年来“绿色建筑”和“节能减排”的理念在建筑设计中逐渐深入，针对墙体保温方面的新材料和新技术也不断涌现[1-4]．目前常见的墙体保温技术中，一般是建筑物主体施工完毕后，再在混凝土墙体的外表面另外敷装一层保温材料，保温层敷设多以砂浆粘结辅以保温钉外挂保温板的形式或保温材料喷涂的形式进行，而后，往往还要在保温层外表面进行涂料或面砖饰面[5]．这些方法的不足之处在于：1）施工过程繁琐，耗费工时、浪费原材料，导致成本增加；2）任何环节处理不当，都可能出现保温材料脱离开裂、面层剥落等现象；3）目前我国不满足消防要求的墙体保温材料仍占较大比例，对保温材料直接外置的情况，一旦接触明火，极易引起火灾．

基于上述现状，提出了一种具有保温功能的复合剪力墙结构．剪力墙施工中，两侧复合层可作为现浇混凝土的模板起支护作用；剪力墙浇筑成型后，仅需移除配套支护部件，两侧复合层则作为剪力墙的组成部分，与混凝土协同受力、共同工作．本文介绍了复合界面的粘结关联方式及复合剪力墙整体工作性能的初步试验研究结果．

1 保温复合剪力墙的结构形式及特点

此类保温型复合剪力墙的结构形式见图1所示．墙体由内复合层、外复合层和夹芯混凝土层3部分复合而成．其中，内复合层为本课题组先期研制的各项物理力学性能均适合用作建筑施工模板的厚度为10～12mm的纤维增强水泥基平板[6]，外复合层为水泥基平板与保温材料叠合而成的复合保温层[7]，通过专门的配套支护体系支撑成型[8-9]，在内复合层和外复合层之间的空隙浇筑混凝土即形成具有保温功能的复合剪力墙．

这种具有保温功能的新型复合剪力墙有如下特点：1）两侧复合层可作为模板使用，且模板是永久性的．完成支护功能之后，模板不再拆除，可极大简化工序、缩短工期、降低造价．2）具有自保温功能．建筑物主体结构完成的同时，保保温层也附带完成，无需再另外装设保温层，节能又环保．3）降低火灾风险．复合保温模板最外侧为水泥平板，保温层不与外界直接接触，可降低保温材料遇明火发生火灾的风险．

2 各复合层间的抗剪粘结性能试验研究

图1 具有保温功能的复合剪力墙示意图（使用阶段支护装置将移除）Fig.1 Structureschemeof compositeshearwall w ith thermal insulation function

为了研究夹芯式复合剪力墙各界面间的粘结性能及破坏模式，寻求可靠的界面关联方式，设计了抗剪粘结推出试验，对不同保温材料、不同混凝土类型和不同的界面粘结方式进行了研究．

2.1 试验方案设计

材料选择：保温层材料采用目前市场上常用的挤塑聚苯乙烯泡沫塑料（简称XPS）和聚氨酯（简称PUR）两种，混凝土采用普通C30和自密实SCC30两种．

试件形式及尺寸：为方便试验，试件设计为如图2所示的两侧复合层均为附带保温层的对称形式，试件外观尺寸为200mm× 200mm×200mm，保温层外侧水泥平板厚度为10 mm，保温层厚度为30mm（PUR）或40mm（XPS），水泥平板与保温层间为界面I，保温层与混凝土间为界面II．

界面处理方式：界面I采用涂覆新拌环氧树脂或聚氨酯发泡剂粘结两种方式；界面II采用5种连接方式，即：完全自然表面粘结、涂覆新拌环氧树脂粘结、聚氨酯发泡剂粘结、机械连接（以复合层中心部位穿透保温层并深入混凝土内30 mm的￠6钢筋作为抗剪连接件）、以及保温材料表面开槽（凹槽深5mm、宽10mm、间距100mm，对称布置）形成混凝土键粘结．

试件类型设计见表1．

2.2 试验结果及分析

通过对表1中13组试件进行推出试验及抗剪粘结分析，结果表明：

1）PUR材料与混凝土界面的最佳连接方式是机械连接，其次依次为开槽、涂覆环氧树脂及自然粘结；这几种连接试件的破坏均由聚氨酯材料的撕裂引起，为了提高整体抗剪性能，宜选用密实度较高的聚氨酯．

图2 界面抗剪粘结试验的试件形式及尺寸（单位：mm）Fig.2 Specimen form and size for theinterface bonding test(unit：mm)

表1 复合试件各界面的抗剪粘结性能试验设计表Tab.1 Testdesign of the interface bonding performance for com posite specimens

2）XPS材料与混凝土界面的最佳连接方式为涂覆新拌环氧树脂粘结，其次依次为开槽、机械连接及自然粘结；后3种连接试件的破坏均由XPS层与混凝土界面发生过大滑移或脱离引起，说明XPS与混凝土表面的自然粘结性能较差，一般不建议采用自然粘结．

3）聚氨酯发泡剂虽与水泥平板、XPS、PUR以及混凝土的结合面均粘结良好，但在常规施工条件下，发泡剂固化后的密实度较低，自身抗剪性能较差，在较低荷载下即发生破坏．因此各界面均不宜采用聚氨酯发泡剂粘结．

4）采用普通混凝土或自密实混凝土对复合试件的界面抗剪粘结性能没有明显影响．

根据上述试验结果，结合材料性能及方便施工等因素，最终选择PUR、自密实SCC30混凝土用于复合剪力墙试验，界面I采用涂覆新拌环氧树脂粘结、界面II采用保温层表面开槽浇筑中形成混凝土键的形式粘结[10]．

3 保温复合剪力墙的整体工作性能试验研究

3.1 试验方案设计

为了研究保温型复合剪力墙的可行性及其与普通剪力墙和非保温型复合剪力墙的工作性能差异，设计了五榀“一”字形短肢剪力墙试件，其中保温型复合剪力墙两榀、非保温型复合剪力墙两榀、传统的普通剪力墙一榀．剪力墙试件均由顶梁、墙身和底座3部分组成，墙身设计参数见表2，结构形式及配筋情况见图3．

表2 剪力墙试件的墙身设计参数Tab.2 Designed parametersof shearwallspecimens

采用液压伺服加载系统加载，先按相应轴压比施加竖向荷载至预定值，并保持竖向荷载不变，然后分级施加水平荷载，直至试件破坏[11]．

图3 保温复合剪力墙的结构形式及配筋图Fig.3 Thestructure type and reinforcementof the insulated compositeshearwall

3.2 试验结果及分析

图4 不同剪力墙试件的破坏形态对比Fig.4 Failure pattern contrastof differentspecimens

1）试验结果显示，3类试件的破坏形态相似，均为墙体受拉侧根部开裂并与底座分离，破坏时受拉侧中下部出现3条主裂缝，裂缝形态也均呈现先弯曲为主后剪切为主的特征；压区根部混凝土均被压碎，但普通剪力墙PQ1压碎区的混凝土破碎更严重、出现较大块混凝土脱落现象，两类复合剪力墙的压区混凝土仅局部压碎脱落，外侧的水泥平板及复合保温层仍基本完好，并保持在原位未被压碎，且除混凝土压碎区附近的复合层与混凝土剥离外，复合层的其他部位依然与混凝土粘结良好，未发生脱离现象．试件破形态别见图4a）～f）．试验现象表明，两侧复合层的存在，在一定程度上起到了防止芯体混凝土被压溃的约束作用．

2）试验发现，混凝土中的裂缝不但可直接传递至无保温层一侧的水泥板复合层表面，而且能够跨越保温层，传递至保温层外侧的水泥平板表面，说明混凝土与水泥基平板、保温层三者间的相互界面均粘结良好，能够协同工作；不过由于保温层柔性较大，在应力传递过程中已经耗散掉部分能量，及后期发生界面粘结裂缝等原因，位于保温层一侧的水泥平板表面的裂缝长度和宽度均小于另一侧的水泥板复合层表面裂缝．通过对比还发现，两类复合剪力墙的墙身裂缝宽度均小于普通剪力墙的裂缝宽度，说明两侧模板对墙身裂缝开展具有一定程度的抑制作用．

3）数据分析表明，同等条件下，保温型复合剪力墙的屈服荷载和极限荷载均略小于非保温型复合剪力墙，但相差并不大，原因是前者由于保温层的隔断，墙体有效承载厚度仅为110 mm，比后者薄了10 mm；说明在同等条件下，复合层类型的不同并未显著影响复合剪力墙的承载能力．数据显示，复合剪力墙与普通剪力墙相比，承载能力也无明显差异．

4 结论及建议

1）保温型复合剪力墙的整体工作性能和破坏形态与非保温型复合剪力墙及普通剪力墙类似，承载能力亦未发生明显降低．混凝土与水泥平板复合层、混凝土与保温材料复合层、保温材料与水泥平板复合层之间的所有界面均粘结良好，应力和裂缝能够跨越水泥平板复合层及保温材料层传递，复合剪力墙的整体工作性能良好，初步证明了自带保温层的夹芯式复合剪力墙的可行性．

2）复合剪力墙两侧的复合层对夹芯的混凝土具有约束作用，在一定程度上抑制了墙身裂缝的开展，改善了受压区的破坏形态；保温层在传递裂缝过程中能够吸收部分能量，延缓了外侧水泥平板复合层表面裂缝的开展与延伸．

3）虽保温复合剪力墙的各复合层之间的界面均粘结良好，但出于安全考虑，仍建议在进一步的研究和应用中设置抗剪连接件．

[1]谷长娥．建筑的保温技术及材料分析[J]．现代经济信息，2008，（8）：257．

[2]糜嘉平．模板工程施工专业化是必然趋势[J]．施工技术，2008，37（8）：55-57．

[3]刘柱平．建筑墙体保温材料的研究现状与发展趋势[J]．广东化工，2010，37（7）：91-92．

[4]Viney Tim．Precastpermanent formwork in the 21stcentury[J]．Concrete（London），2005，39（5）：10-11．

[5]DB11/729-2010，外墙外保温工程施工防护安全技术规程[S]．

[6]宋小软，高建岭，曲俊义．GRC模板的物理力学性能试验研究[J]．北京工业大学学报，2008，34（7）：708-713．

[7]牛伟．自保温免拆水泥复合模板的试验研究[D]．北京：北方工业大学，2013．

[8]瞿雨亭．永久性水泥基墙体模板的支撑体系研究[D]．北京：北方工业大学，2012．

[9]宋小软．一种用于水泥模板的支护结构：中国，ZL201020150146.1[P]．2010-10-24．

[10]宋小软，牛伟，姜余丰，等．复合保温模板夹芯混凝土的界面粘结性能试验研究[J]．混凝土与水泥制品，2013（8）：62-67．

[11]Song Xiaoruan，NiuWei，ShanWenchao，etal．Researchonstaticperformanceofcompositeshearwallw ith insulation layer[J]．Applied Mechanics and Materials，2013，470：1039-1044．

[责任编辑 田丰]

Sandw ich composite shearwallw ith thermal insulation function

SONG Xiao-ruan1，NIUWei2，WANG Guo-yong1，XU Song-bing1，YAN Chao1

(1.Schoolof CivilEngineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China;2.Beijing Nuclear Star Engineering Design&Consulting Co Ltd,Beijing 100038,China)

A type of composite shearwall structurew ith thermal insulation layer isproposed.The composite layers on both sides of thewall could actas formworks during construction and servewith concreteasa partof shearwallduring using stage.Thermal insulationmaterial isattached w ith the composite layer outside ofwall.The structure and the characteristicsof the com posite shearwallare introduced.In order to getmore reliable connectionmodesof interface among the composite layers,push-out testw as proceeded to research the interface bonding properties.Then some shearwall specimenswerebuiltby using theselected connectionmodeand theoverallservicebehaviorof thespecimens in static load w as studied.Theexperiment resultshaveproved the feasibility of the compositeshearwalland provided a gist for further experimentand research.

thermal insulation layer;interfacebonding properties;composite shearwall;servicebehavior

TU 528.7

A

1007-2373(2014)06-0101-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2014.06.026

2014-09-17

北京市自然科学基金（8122018）；北京市青年拔尖人才培养项目（CIT&TCD201304003）

宋小软（1972-），女（汉族），副教授．Email：sxr@ncut.edu.cn．

数字出版日期：2014-12-22数字出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20141222.0923.002.htm l