覆面材料对结构保温板力学性能的影响

王雪花，方露，陈红，吴智慧，费本华

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，南京210037；2.国际竹藤中心，北京100102)

覆面材料对结构保温板力学性能的影响

王雪花1,2，方露1，陈红1，吴智慧1，费本华2*

(1.南京林业大学家居与工业设计学院，南京210037；2.国际竹藤中心，北京100102)

结构保温板(structural insulated panels，SIP)作为建筑构件具有轻质高强、保温隔声性能好等优点，但因木材资源缺乏，其应用受到限制。为寻求更广泛的原料来源，引入两种竹质板材竹帘胶合板和重组竹，测定以木质定向刨花板、竹帘胶合板和重组竹覆面的SIP板式结构的拉伸黏结强度、抗剪强度及过梁弯曲性能。结果表明：三者的拉伸黏结强度分别为0.157，0.150和0.059 MPa，前两者符合JGJ 144—2004中对聚苯乙烯泡沫板现浇混凝土外墙外保温系统现场黏结强度的要求，而重组竹覆面板材低于限定值；抗剪强度分别为0.096，0.078和0.062 MPa，过梁抗弯强度分别为2.87，4.04和0.66 MPa。为提高重组竹的拉伸黏结强度，应注意避免材料制作过程中的热伤害；为提高其过梁抗弯性能，当开设洞口作为过梁使用时，可以考虑改变覆面重组竹的竹束走向，以避免载荷对板材连接强度较弱界面的应力集中。

结构保温板；覆面板；拉伸黏结性能；剪切性能；过梁抗弯性能

结构保温板(structural insulated panel，SIP)是以轻质、保温、多孔、绝热材料为芯材，压型钢板和木板等为覆面材料的夹芯式预制复合板材[1]，作为建筑构件使用，具有轻质高强、保温隔声性能好和便于快速施工的优点，是实现建筑保温隔热的较好途径[2]。在这种结构中，界面黏结及其连接层结构是使用轻质高效泡沫保温材料十分重要的环节。泡沫保温材料的界面连接部位及泡沫的抗拉强度[3]，是外墙外保温工程最薄弱的环节[4]，也是衡量保温体系好坏的一项重要指标。JGJ 144—2004《外墙外保温工程技术规程》中对聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene，EPS)板现浇混凝土外墙外保温系统现场黏结强度给出了限定。墙体一面受到载荷作用而导致的弯曲变形，也使墙体内部受到剪切作用，对以硬质聚苯乙烯泡沫为芯层的定向刨花板(oriented strand board，OSB)层压胶合复合结构板，ASTM D7446-09对其剪切性能给出了限值。此外，当在墙体上开设门窗洞口，且墙体洞口口径大于300 mm时，为支撑洞口上部砌体所带来的各种荷载，墙体需起到过梁的作用[5]，需对墙板进行过梁抗弯测试。

对于SIP板式结构体系，面芯层的拉伸黏结强度、剪切性能和过梁抗弯性能是重要的性能特征。构成SIP的覆面材料以OSB、胶合板和纤维板等为主，但又以OSB最多[6-7]。基于全球木材资源严重短缺的现状，迫切需要寻找可替代材料。竹材人造板中，重组竹力学性能卓越，且具有较强的装饰效果[8]；竹帘胶合板则具有制造工艺简单和成本低廉等优点[9]。笔者选用木质OSB、重组竹和竹帘胶合板作为SIP夹芯板的覆面材料，测定泡沫保温材料的界面连接部位及泡沫本身的抗拉强度、剪切性能及过梁抗弯性能，分析3种覆面材料对SIP夹芯板性能的影响，为竹材在SIP中的应用提供理论依据和基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

木质OSB(密度0.65 g/cm3、弹性模量4.5 GPa)，大连阔森特新型建材有限公司；重组竹(密度1.10 g/cm3、弹性模量20.7 GPa)，安徽龙华竹业有限公司；竹帘胶合板(密度0.85 g/cm3、弹性模量11.4 GPa)，湖南汇元板业有限公司；聚苯乙烯，上海兴旺包装材料厂；聚氨酯胶，宁波化工原料有限公司；EP002环氧树脂胶，常州市北亚化工有限公司。

1.2 试验方法

分别以木质OSB、重组竹和竹帘胶合板为覆面材料，以聚苯乙烯为芯层制备三层结构保温板，覆面材料与芯层材料间以聚氨酯胶黏结。

1.2.1 拉伸黏结强度测试

3种拉伸黏结强度测试试件的长和宽均为150 mm，芯层高89 mm，覆面材料高12(木质OSB)或6 mm(重组竹、竹帘胶合板)。

参照ISO 22452：2011规定的方法测定拉伸黏结强度。试样与钢板模具采用环氧树脂胶均匀黏合。将拉伸夹具与力学试验机(MDW-W型微机控制电子力学试验机，济南试金公司)连接，使试件在拉伸作用下破坏，加载速度为2 mm/min。

1.2.2 剪切性能测试

剪切性能测试试件长1 000 mm，宽和高同拉伸黏结强度测试试件。试件长度方向为实际使用时的宽度方向，试件宽度方向为实际使用时的高度方向。重组竹为覆面材料时竹束沿试件宽度方向排列，竹帘胶合板为覆面材料时表层竹篾方向与试件宽度方向平行。

参照ISO 22452：2011规定的剪切性能测试方法，采用四点加载法进行测试，载荷均衡施加于支撑之间跨距三分点处。试件跨距900 mm，加载速度20 mm/min，记录试件破坏载荷，按照式(1)计算试件的剪切强度fcv：

fcv=Fmax/(2be)

(1)

式中：Fmax为试件承受的最大载荷，kN；b为试件宽度，mm；e为面心距，其值为两面层厚度的一半与芯层厚度之和，mm。

1.2.3 过梁抗弯性能测试

过梁抗弯性能测试试件长1 000 mm，高150 mm，芯层宽89 mm、覆面材料宽12 mm(木质OSB)或6 mm(重组竹、竹帘胶合板)。试件实际使用时长度和宽度的规定及板材排列同剪切性能测试。

采用三点加载法测定过梁抗弯性能。跨距L为900 mm，加载速度5 mm/min，记录试件破坏的最大载荷等，按式(2)计算过梁抗弯强度：

σbw=3PmaxL/(2bh2)

(2)

式中：Pmax为破坏载荷，N；L为两支座间跨距，b为宽度，h为高度，mm。

2 结果与分析

2.1 拉伸黏结性能

2.1.1 拉伸黏结性能试件破坏现象

不同覆面材料下各试件受拉伸作用时的破坏情况见图1。复合材料受拉伸作用时，破坏发生在黏结强度较弱的部位[10]。本试验对象为由覆面材料、胶层和芯层材料构成的多层复合材料，其中聚苯乙烯芯板的内结合强度最小[11-13]，3种试件的破坏理论上都应发生在聚苯乙烯芯板内部。但从图1中可以看出，三者破坏情况不尽相同。木质OSB覆面试件的破坏发生在聚苯乙烯芯板内部，而重组竹和竹帘胶合板覆面试件的破坏发生在靠近试验机拉伸头一侧的覆面板处。重组竹覆面板的聚苯乙烯芯板内部发生破坏导致其与覆面重组竹板之间发生脱离，这是由于重组竹厚度小于木质OSB，而导热系数大于竹帘胶合板及木质OSB[14]，制备板材时(胶黏剂为常温固化型聚氨酯，但常温下固化不良，实际采用50℃胶合)，重组竹传热速度快、热效率高，与竹帘胶合板和木质OSB相比，重组竹覆面聚苯乙烯芯板靠近胶层处温度较高，受热影响程度较大，导致板材在受拉作用时靠近胶层附近发生破坏。

图1 拉伸测试试件破坏情况Fig. 1 Sample damage situation in tension tests

2.1.2 拉伸黏结强度载荷-位移曲线

3种SIP受拉伸作用时的载荷-位移情况如图2所示。在拉伸作用的初始阶段，试件在拉力作用下产生位移，但此时应力很小，可忽略不计。这是由于制备板材时，在压力作用下聚苯乙烯板被压缩，而在受拉伸作用的初始阶段，聚苯乙烯板原有的压缩被释放，在压缩变形未被完全释放且聚苯乙烯板自身结构未开始破坏前，试件只发生位移而未产生明显应力。随着变形量的增大，聚苯乙烯板原来累积的压缩变形完全恢复；随着变形量的继续增大，聚苯乙烯板内部在拉力作用下出现破坏，直至达到最大载荷。3种SIP的载荷-位移曲线上载荷开始逐渐增加时的位移量不同，这可能是由于板材制备过程中聚苯乙烯板压缩量的不同而造成的。

图2 拉伸黏结强度载荷-位移曲线Fig. 2 Load-displacement curves for tension strength

2.1.3 拉伸黏结强度

经测定，3种SIP的拉伸黏结强度从大到小依次为木质OSB覆面板(0.157 MPa)>竹帘胶合覆面板(0.150 MPa)>重组竹覆面板(0.059 MPa)。根据JGJ 144—2004中对EPS板现浇混凝土外墙外保温系统现场黏结强度的限定，拉伸黏结强度在干燥状态下不得小于0.1 MPa，从试验结果看，木质OSB及竹帘胶合板覆面SIP板的拉伸黏结强度均可满足标准中的限定值，但重组竹覆面板的拉伸黏结强度低于标准限定值。这是由于重组竹的导热系数较大，重组竹覆面板的厚度较小，在板材压制过程中高温传递到聚苯乙烯板芯层而使其受热破坏，降低了拉伸黏结强度。为使重组竹覆面SIP板的拉伸黏结强度满足标准要求，应选择常温固化性能良好的胶黏剂，降低固化温度以减少高温对芯层板的破坏，或者增加覆面材料的厚度以减少表层到胶层的热传导。

2.2 剪切性能

2.2.1 剪切性能试件破坏形式

木质OSB、重组竹和竹帘胶合板覆面试件在剪切试验破坏后的形式见图3。木质OSB覆面试件在芯层发生破坏，这说明与木质OSB和胶合界面相比，聚苯乙烯板的剪切强度最小。重组竹覆面板严格来说是弯曲破坏而非剪切破坏，造成弯曲破坏的原因是：覆面板为条状重组竹单板通过胶黏剂横向拼接而成的整幅大板，拼缝处连接力薄弱，容易造成应力集中[15]，在压力作用下板材拼缝处首先开裂，进而造成泡沫断裂。竹帘胶合板覆面试件的覆面板、芯层和胶层均未见明显破坏，但在施力点处，板材表面有一定的凹陷。这是由于竹帘胶合板变形能力较好，且聚苯乙烯板具有可压缩性，在载荷作用下聚苯乙烯板被压缩，因此，表层竹帘胶合板在加载辊作用下出现向下的凹陷。

注：a、d为木质OSB覆面试件；b、e为重组竹覆面试件；c、f为竹帘胶合板覆面试件。图3 剪切试样破坏形式Fig. 3 Shear failure types of samples

2.2.2 剪切性能载荷-位移曲线

不同覆面试件的剪切试验载荷-位移曲线见图4。木质OSB覆面试件的破坏载荷最大，重组竹覆面试件最小。木质OSB和重组竹覆面试件的破坏位移较为接近，而竹帘胶合板覆面试件的破坏位移最大。这是由于竹帘胶合板易于弯曲，其对芯层硬度和刚度的增强效果较小，试件受力作用容易产生弯曲变形。

图4 抗剪性能载荷-位移曲线Fig. 4 Load-displacement curve for shear strength

2.2.3 抗剪强度

经测定，木质OSB、重组竹和竹帘胶合板覆面试件的抗剪强度分别为0.096，0.062和0.078 MPa。ASTM D7446-09中对抗剪强度的限值为0.062 MPa，因此，竹帘胶合板及木质OSB覆面试件均能满足标准要求。从破坏形式看，通过采用整体性覆面板、面层拼缝错位拼贴或增加覆面板厚度的方法可以提高重组竹及竹帘胶合板覆面SIP的抗剪强度。

2.3 过梁抗弯性能

2.3.1 过梁抗弯性能试件破坏情况

3种覆面材料SIP过梁抗弯性能测试试件的破坏情况如图5所示。从图中可以看出，木质OSB覆面试件的单侧面板和靠近面板侧的芯层出现开裂，但开裂程度较小；重组竹覆面试件的面层和芯层均完全断裂；竹帘胶合板覆面试件压辊部分陷入试件内，在试件表面形成凹陷。产生不同破坏形式是由于3种覆面材料的厚度和材料组成方式不同。木质OSB面板的厚度为12 mm，另外两种材料的厚度只有6 mm，三者的刚度和硬度不同。对试件施加压力作用时，木质OSB覆面试件的硬度和刚性较大，使压辊难以压入。竹帘胶合板试件由于覆面材料较薄，刚度和硬度较小，在压力作用下压辊陷入试件中。重组竹板的刚度和硬度都较好，但由于重组竹面板是由窄单板组合而成，横向连接强度较差，在对试件施加压力载荷的过程中，窄单板之间因拉伸作用而开裂，芯层在面板牵扯下逐渐被撕开，重组竹试件发生整体断裂。

图5 过梁抗弯试件破坏情况Fig. 5 Lintel flexural damage situation of samples

2.3.2 过梁抗弯性能载荷-位移曲线

木质OSB、重组竹和竹帘胶合板覆面试件过梁抗弯性能的载荷-位移曲线见图6。从图中可以看出，木质OSB覆面试件的破坏载荷最大，竹帘胶合板覆面试件次之，重组竹覆面试件最小。木质OSB和重组竹覆面试件的破坏载荷位移相近，而竹帘胶合板覆面试件最小。达到破坏载荷后，木质OSB和重组竹覆面试件的承载力迅速下降，竹帘胶合板覆面试件则缓慢下降。

图6 过梁抗弯性能载荷-位移曲线Fig. 6 Load-displacement curves for lintel flexural performance

2.3.3 抗弯强度

经测定，木质OSB、重组竹和竹帘胶合板覆面试件的抗弯强度分别为2.87，0.66和4.04 MPa。重组竹覆面试件的抗弯强度最小，其破坏发生在由重组竹窄板在宽度方向上拼接时的拼缝处。这是由于重组竹板是由窄单板横向拼接而成，横向连接强度较小；此外，与竹帘胶合板单元纵横交错、木质OSB单元不定向交叉相比，重组竹竹束本身是一维高度定向的，更容易出现应力集中而破坏。为了提高重组竹覆面试件的抗弯性能，当开设洞口作为过梁使用时，可以考虑改变洞口处覆面重组竹的竹束走向、采用整幅单板或面板厚度增加的方式，避免载荷对板材连接强度较弱界面的应力集中，提高抗弯强度。

3 结论与讨论

对木质OSB、重组竹和竹帘胶合板覆面的墙板进行拉伸黏结强度、抗剪强度及过梁弯曲性能测试，结果表明：

1)木质OSB、竹帘胶合板墙板的拉伸黏结强度分别为0.157和0.150 MPa，符合JGJ 144—2004中对EPS板现浇混凝土外墙外保温系统现场黏结强度的要求；重组竹覆面板材的拉伸黏结强度为0.059 MPa，低于限定值。

2)木质OSB、重组竹和竹帘胶合板墙板的抗剪强度分别为0.096，0.062和0.078 MPa，均能满足ASTM D7446-09中的抗剪强度要求。

3)木质OSB、重组竹和竹帘胶合板覆面试件的过梁抗弯强度分别为2.87，0.66和4.04 MPa。

4)重组竹覆面墙板拉伸黏结强度较低的原因，是由于重组竹面板的厚度较小而导热系数较大，板材压制过程中高温通过覆面板传递到聚苯乙烯芯板造成其受热破坏；过梁抗弯性能较低的原因，与竹束走向及拼缝处的应力集中有关。为了提高重组竹的拉伸黏结强度，应注意避免材料制作过程中的热伤害；为提高其过梁抗弯性能，当在墙体上开设门窗洞口作为过梁使用时，可以考虑改变覆面重组竹的竹束走向，避免载荷对板材连接强度较弱界面的应力集中。

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Mechanical properties of structural insulated panelsfaced with different materials

WANG Xuehua1,2, FANG Lu1, CHEN Hong1, WU Zhihui1, FEI Benhua2*

(1. College of Furnishings and Industrial Design, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;2. International Centre for Bamboo and Rattan, Beijing 100102, China)

As a building component, structural insulated panel (SIP) has advantages of light weight, high intensity, excellent thermal and sound insulation, while its application was limited by the shortage of wood resources. In an attempt to seek broad sources for the building material, two types of bamboo-based panels (bamboo scrimber and bamboo plywood) were used to evaluate the possibility of SIP in the building application. The tensile bond strength, shear strength and lintel flexural performances of SIP shelled with wooden oriented strand board (OSB), bamboo plywood and bamboo scrimber were tested according to the ISO 22452：2011 standard. The results showed that the tensile bond strength of SIP shelled with wooden OSB, bamboo plywood and bamboo scrimber were 0.157, 0.150 and 0.059 MPa, respectively. The former two could satisfy the requirements of JGJ 144-2004 standard, in which the tension bond strength requirement of expanded polystyrene was 0.10 MPa, while the tensile bond strength of SIP shelled with bamboo scrimber was lower than the requirement. The shear strengths were 0.096, 0.078 and 0.062 MPa, respectively, and lintel flexural performances were 2.87, 4.04 and 0.66 MPa, respectively. The SIP shelled with bamboo scrimber had lower tension bond strength because bamboo scrimber has a higher heat transfer coefficient than that of wooden OSB and bamboo plywood. In order to improve the tension bond strength, the thermal damage should be avoided in the manufacture process. The SIP shelled with bamboo scrimber also had a lower flexural behavior because the bamboo scrimber was glued together along the loading direction, and therefore it was difficult to make a perfect product. In order to improve the flexural behavior when SIP is used as lintel, the bamboo bundle direction should be adjusted to avoid stress concentration on the weak interface.

structural insulated panels; face panel; tensile bond strength; shear strength; lintel flexural performance

2016-12-05

2017-01-21

“十三五”国家重点研发计划(2016YFD0600702)；南京林业大学高层次人才科研启动基金(GXL1023)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)。

王雪花，女，讲师，研究方向为木/竹质建筑材料。通信作者：费本华，男，研究员。E-mail:feibenhua@icbr.ac.cn

TU366

A

2096-1359(2017)03-0016-06