方管增强型GFRP夹芯屋面板的传热性能

苏 波, 陈家乐, 张 抟, 尹丹宁

(江苏大学 土木工程与力学学院, 江苏 镇江 212013)

方管增强型玻璃纤维(glass-fiber reinforced plastic, GFRP)夹芯板是以玻璃纤维及其制品为增强材料和基体材料,通过一定的成型工艺复合而成的一种材料,具有强度高、重量轻及耐久性好的特点[1],目前被广泛应用于航空航天、机械和化工等行业.在土木工程领域,随着复合材料技术的成熟,近几年来增强型GFRP夹芯板已作为桥面板应用于桥梁领域[2].增强型GFRP夹芯板结构简单,组装方便,并具有较好的力学性能[3].此外,与传统的钢筋混凝土板相比,GFRP夹芯板具有轻质、高强和自防水等优点[4],可作为装配式结构,用于建筑屋面板,但其热工性能应满足相关规范要求.为此，已有学者对复合材料夹芯板热工性能进行了研究.R. T. SWANN等[5]建立了蜂窝夹心板等效导热模型,提出了计算该类型夹芯板导热系数的半经验公式.张锐等[6]提出一种复合材料热传导系数均匀化计算的方程,该方程可用以计算金属蜂窝夹芯板的等效热传导系数.郑吉良等[7]建立了玻璃钢蜂窝板流体与固体耦合传热平面模型,通过试验和模拟研究了等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板的传热机制.上述夹芯板热工性能的研究主要集中于航空航天领域,且主要针对蜂窝芯夹芯板,而对土木工程领域中常用的方管增强型GFRP夹芯板传热性能的研究尚未见报道.

为此,以夏热冬冷地区为例,基于等效传热理论,分析方管增强型GFRP夹芯板的传热路径,研究其传热系数计算方法和计算公式,并采用稳态热传递防护热箱试验,对无填充材料及填充工程中常用的玻璃棉、挤塑聚苯板和聚氨酯等3种材料的方管增强型夹芯板热工性能进行试验研究,最后在理论和试验基础上,对方管增强型GFRP夹芯板的热工性能进行评价.

1 方管增强型GFRP夹芯板结构参数

1.1 构 造

图1为方管增强型GFRP夹芯保温板构造及截面尺寸.方管增强型GFRP夹芯板由上下面板、增强方管和保温填充材料组成.间隔布置增强方管可有效提高夹芯板的抗剪切能力,降低结构的挠度.夹层板截面整体厚度为70.0 mm,其中上下面板的厚度为4.0 mm,增强方管高62.0 mm,增强方管壁厚为4.0 mm.

图1 方管增强型GFRP夹芯保温板构造及截面尺寸

考虑试验室IMWT-1515型智能稳态热传递测定系统的洞口尺寸,方管增强型GFRP夹芯板的平板尺寸设计为1 500 mm×1 500 mm×70 mm.图2为制作过程中及完成后的方管增强型GFRP夹芯板.其面板及支撑管材料密度为1 950 kg·m-3,材料均由河北科力集团有限公司提供.

图2 制作完成前后的夹芯板试件

1.2 填充材料

选取3种工程中常见的保温材料(玻璃棉、挤塑聚苯乙烯和聚氨酯),作为方管增强型GFRP夹芯板的填充材料.3种材料均由镇江智辉保温材料有限公司提供.图3为填充保温材料照片.填充材料相关物理性能见表1.

图3 填充保温材料照片

表1 填充保温材料性能表

填充材料吸水率/%密度/(kg·m-3)导热系数/(W·m-2·K-1)玻璃棉≤180≤0.048挤塑聚苯乙烯≤138≤0.028聚氨酯≤332≤0.024

2 方管增强型GPRP夹芯板传热理论

方管增强型GFRP夹芯板的传热主要有3种路径:路径1为面板-方管侧壁-面板;路径2为面板-方管上壁-填充材料-方管下壁-面板;路径3为面板-填充材料-面板.图4为方管增强型夹芯板3种传热路径示意图.图中h1为上、下面板厚度;h2为方管上、下壁厚度;h3为方管内部净高.

图4 方管增强型夹芯板3种传热路径示意图

根据热传导的叠加原理,可计算出方管增强型GPRP夹芯板在上述3种路径下的热阻,再算出夹芯板的总热阻,进一步得到其热阻系数.

假定3种传热路径的等效热阻分别为R1,R2和R3.根据热传导的叠加原理,假设GFRP夹芯板的等效热阻为

R=γ1R1+γ2R2+γ3R3,

(1)

式中:γ1,γ2和γ3分别为3种传热路径下的体积与整块夹芯板体积的比值.

根据传热学经典公式[8],热阻为

(2)

式中:Ri为传热路径i的热阻;hi为传热路径i的材料厚度;λi为传热路径i的材料导热系数；i为传热路径，i=1,2,3.

路径1的热阻为

(3)

式中:λg为GFRP导热系数.

路径2的热阻为

(4)

式中:λc为保温材料的导热系数.

路径3的热阻为

(5)

为此,填充保温材料的方管增强夹芯板热阻可写为

(6)

根据热阻与传热系数之间的关系,夹芯板的传热系数[8]为

(7)

根据式(6)和(7),当填充材料采用玻璃棉、挤塑聚苯板和聚氨酯泡沫板时,方管增强型GFRP夹芯板的理论传热系数分别为0.641 0,0.468 8和0.396 3 W·m-2·K-1.

3 试验研究

3.1 试验装置及原理

试验装置为IMWT-1515型智能稳态热传递测定系统,由贝英尔(天津)测控设备有限公司生产.该系统主要由试件架、冷箱、热箱、采集系统和计算机控制系统等组成(见图5).

图5 智能稳态热传递测定系统

冷箱的温度控制范围为环境温度至-20 ℃,热箱温度控制范围为环境温度至50 ℃.根据GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》中的要求,冷热箱温度差应为40 ℃,试验设定冷箱温度为-10 ℃,热箱温度为30 ℃.

依据GB/T 13475—2008《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》,试验采用稳态热传递防护热箱法.计算公式为

q=kΔt/d,

(8)

式中:q为单位时间内通过夹芯板的热流密度;Δt为平板两侧温差;k为平板的导热率;d为平板的厚度.

根据式(8),在已知平板两侧的温差和厚度的情况下,通过检测平板的热流密度可以计算出平板的导热率 .

3.2 试验方法

试验构件被安放于试件架上,试件尺寸均为1.5 m×1.5 m,构件与试件架之间的缝隙通过发泡聚氨酯填充.在完成构件安装后,关闭箱体,打开仪器进行试验.试验分成预热阶段和平衡阶段.当系统输出功率达到平衡后,仪器进行数据采集,并输出构件的传热系数.

由于装置自带温度检测探头,因此本试验无需外接温度传感器,仅需用铝箔将箱内自带的温度传感探头粘于板体表面,仪器每个箱体内有10个传感器探头,3个用以检测箱体内温度,其余7个用于检测构件表面不同位置的温度变化.

试件表面测点布置如图6所示.其中测点2和4用于监测增强方管边缘,即容易产生热桥效应处的温度变化;测点3和7用于监测增强方管中部温度变化;测点1,5和6用于监测其他空腔位置温度变化.图6b为完成测点布置的构件情况.

图6 试件表面测点布置

3.3 试验结果

通过试验得到4种工况下的传热系数,如表2所示.

表2 4种工况下的传热系数

根据GB 50189—2015的相关要求,夏热冬冷地区屋面的传热系数应小于等于0.7 W·m-2·K-1.因此,对于工况1,无填充的GFRP夹芯板不满足规范要求,填充3种保温材料的GFRP夹芯板满足规范要求,可在夏热冬冷地区作为屋面板使用.

图7为不同工况下GFRP夹芯保温板温度-时间曲线.图7中点t1,t2,t3和t4分别代表不同工况下冷、热箱内温度达到稳定时的温度.工况1,2,3和4条件下,热箱内温度达到稳定的时间分别为321.63,238.51,190.52和179.03 min,冷箱内温度达到稳定的时间分别为308.67,229.4,192.71和158.79 min.可见,工况4的冷、热箱内温度较其余3种工况更容易达到稳定,且温度-时间曲线更为平缓,未产生大幅度波动.因此,工况4的试件(填充聚氨酯)较其余3种工况的试件热稳定性更好.

图7 不同工况下的温度-时间曲线

4 试验结果分析

4.1 理论值与试验值的对比

根据方管增强型GFRP夹芯板传热系数的理论值与试验值,可以计算出其相对误差.相对误差计算公式为

(9)

式中:E为相对误差;Kc为理论传热系数;Ke为试验得到的传热系数.结果见表3.

表3 传热系数的理论值与试验值对比

由表3可知:对于有填充材料的夹芯板,当填充物为挤塑聚苯板和聚氨酯时,理论值与试验值相对误差分别为0.47%和4.87%,吻合度较高;填充物为玻璃棉时,相对误差为9.05%,误差较大.由于玻璃棉内部纤维蓬松交错,导致此种结构具有可压缩性[9],在试件制作时,由于玻璃棉可以挤压,导致实际填充进去的玻璃棉比理论计算的要多,明显提升了材料热阻.因此,误差产生的原因与玻璃棉的材料性质有关,试件制作中应对填充材料密实度进行有效控制.

4.2 热桥效应分析

由于围护结构的构造特点,一些部位的传热系数比相邻部位大得多,这种情况产生的热传递物理效应被称为热桥效应[10].在围护结构中,热桥效应是一种十分常见的现象,常出现于预制保温板的肋条、夹心保温墙的拉结件等构造部位.

为了研究方管增强型GFRP夹芯板的表面温度分布状况,选取热平衡阶段冷、热箱内试件表面各测点的温度曲线进行分析,如图8所示.

图8 热平衡阶段不同测点的温度变化曲线

由图8可知:测点2和4温度损失要高于其他点,即在方管边缘处存在明显热桥效应;无填充材料的工况1时,热桥效应比较明显;工况2和3时,由于夹芯板存在填充保温材料,热桥效应得到改善;采用聚氨酯作为填充保温材料的工况4时,热桥效应最低.

5 结 论

1) 根据对传热理论和传热路径的分析,有填充材料的方管增强型GFRP夹芯板传热系数的计算值与试验值较为吻合,可用于工程上类似结构的传热分析.

2) 试验结果表明:所研究的无任何填充材料的方管增强型GFRP夹芯板的传热系数为1.372 W·m-2·K-1,不符合GB 50189—2015对夏热冬冷地区屋面的热工性能要求;填充3种材料(玻璃棉、挤塑聚苯板、聚氨酯)的GFRP夹芯板均符合GB 50189—2015对夏热冬冷地区屋面热工性能要求，其传热系数分别为0.553,0.471和0.377 W·m-2·K-1.

3) 根据试验结果,方管增强型GFRP夹芯保温板均存在一定的热桥效应,其中以聚氨酯为填充材料的GFRP夹芯保温板热桥效应最小,更适合用于建筑屋面板.