新型聚氨酯夹芯板墙体材料剪切试验*

黄志强， 王晏灵， 施 维， 江荷曲

(沈阳工业大学 建筑与土木工程学院， 沈阳 110870)

近些年来，随着居民生活水平的提高和改善，人们对建筑的要求越来越高.中国的墙体建材产业逐步迈上前进的步伐，从最初的基于块板的墙体材料系统，如砼空心砌块、纸质石膏板、纤维水泥夹芯板等到目前各种保温、防火的墙体材料.然而，目前市场墙壁材料的各类轻质板和复合板的比例仍然较小，不足总墙壁建材的1%，和其他国家比较仍有较大的距离[1].重夹芯板是一种集承重、防水、保温、轻质、耐用性能好且可以重复使用等优点的一种新型板材，其优良性能取决于两个金属面层与硬质泡沫芯层共同工作的组合构件[2].聚氨酯硬泡体是一种具有保温与防水功能的新型合成材料，其导热系数低，仅为0.022～0.033 W/(m·Κ)，相当于挤塑板的一半，为目前所有保温材料中导热系数最低，它是一种较好的保温、防水建筑物外墙体材料.而水泥纤维板在添加了纤维之后可以更为有效地提高其延性和韧性并且提高了水泥基体系强度，从而能更好地解决载荷作用引起的变形或开裂[3-4].国外目前已经研究出了超高韧性水泥基复合材料，这更加体现了水泥基复合材料的可行性[5-7].氯氧镁水泥是一种轻质建筑材料，其优点为保温隔热、防护防潮，并且玻镁板(即氯氧镁水泥板)具有良好的延性[8].因此，本文采用以上三种材料设计了一种新型的墙体材料，为了促进该材料在工程中的应用，需要对其剪切性能进行研究，为实际中的工程应用提供一定参考.双面剪切试验可以保证试件横截面上的应力和应变分布相对较均匀，是鉴别复合材料并表征其独特力学性能的最直接、最客观、最有效的试验方法[9-11].

1 双面剪切试验

1.1 试件制作

聚氨酯发泡外墙是由水泥纤维板、聚氨酯发泡、玻镁板粘结组合而成的复合材料.从制作工艺及加载方式上分析，聚氨酯发泡外墙板受到剪切后，其潜在的破坏面主要有三个，即水泥纤维板与聚氨酯粘结面的破坏、玻镁板与聚氨酯粘结面的破坏和聚氨酯发泡破坏.在试件设计上，为了在试验中对三个潜在的破坏面进行检测，将四个断面为85 mm×85 mm聚氨酯发泡外墙板竖向粘接在一起，形成有效尺寸为85 mm×85 mm×340 mm的长方体试件.将试件编号为1～27.

1.2 试验设备

1.3 试验方案

双面剪切试验分为三组，分别对水泥纤维板与聚氨酯的粘结面、玻镁板与聚氨酯的粘结面、聚氨酯本体进行了剪切测试，试件数目为27件.试验过程如下：1)加载面的修正.用打磨机将加载面打磨平整，以防止加载时引起应力集中.2)尺寸测量.采用游标卡尺对试件的剪切面进行测量.3)试件加载.将加载块对准欲剪切面进行试加载，加载到0.05 kN，持载20 s后卸载，以调整试验机加载板平面，保证加载块与试件受载面充分接触，卸载60 s后，重新进行加载，加载采用位移控制，将加载速度保持在0.1 mm/min，直至试件发生剪切破坏，记录加载全过程的荷载和位移变化情况.

四个聚氨酯本体试块由不同材料粘结而成.图1为对第二个与第三个，第三个与第四个试块的由水泥纤维板与聚氨酯粘结而成的粘结面进行剪切破坏.图2为对第一个与第二个，第二个与第三个试块的由玻镁板与聚氨酯粘结而成的粘结面进行剪切破坏.图3为对第三个聚氨酯本体试块进行剪切破坏.

图1 水泥纤维板与聚氨酯粘结面剪切破坏Fig.1 Shearing failure of bonding surface between cement fiberboard and polyurethane

图2 玻镁板与聚氨酯粘结面剪切破坏Fig.2 Shearing failure of bonding surface between glass magnesium board and polyurethane

图3 聚氨酯剪切破坏Fig.3 Shearing failure of polyurethane

2 试件破坏形态

水泥纤维板与聚氨酯粘结面随着加载的进行，沿着粘结面的剪切裂缝出现较早，随着加载的持续进行，裂缝破坏速度比较快，形成两个平直剪切面，相邻的聚氨酯压缩变形较小，有的试件基本没有变形.

玻镁板与聚氨酯粘结面随着加载的进行，主要有以下几种情况：1)相邻的聚氨酯首先发生局部压缩变形，随着聚氨酯变形的增大，引起聚氨酯与玻镁板粘结面出现剪切裂缝，随着加载的继续，裂缝逐渐变宽，裂缝长度增长较慢；2)在部分试件中，聚氨酯变形持续增大，引起聚氨酯与水泥纤维板粘结面出现拉伸裂缝；3)当聚氨酯变形达到约20～30 mm，或者聚氨酯与水泥纤维板粘结面出现较长的拉伸裂缝时，视为试件发生失稳破坏.

由于聚氨酯是由众多细微泡沫黏合组成，聚氨酯剪切试件的剪切变形量较大，基本不会发生剪切破坏.试验过程以及破坏形态如图4～5所示.

图4 试验过程Fig.4 Experiment procedure

图5 破坏形态Fig.5 Failure mode

3 试验结果及剪切曲线分析

水泥纤维板与聚氨酯粘结面破坏、聚氨酯发泡破坏、玻镁板与聚氨酯粘结面破坏等三种破坏面的代表性剪切曲线如图6～8所示.

图6 水泥纤维板与聚氨酯粘结面破坏Fig.6 Failure of bonding surface between cement fiberboard and polyurethane

图7 聚氨酯发泡破坏Fig.7 Failure of polyurethane foam

图8 玻镁板与聚氨酯粘结面破坏Fig.8 Failure of bonding surface between glass magnesium board and polyurethane

从剪切曲线来看，玻镁板与聚氨酯粘结面所承受的剪切荷载较大，产生的剪切变形较大，达到峰值后，其残余变形很大.对于双面剪切试验，其剪切强度计算公式为

(1)

水泥纤维板与聚氨酯粘结面发生破坏的试件编号为：1、15、17、4、20、23、24、25、26，这一组最终算得τb的平均值为0.085 MPa；玻镁板与聚氨酯粘结面发生破坏的试件编号为：10、11、12、13、18、19、21、22、27、2、3，这一组最终算得τb的平均值为0.111 MPa；聚氨酯发泡发生破坏的试件编号为：5、6、7、8、9、14、16，这一组最终算得τb的平均值为0.036 MPa.各个试件的具体数据如表1所示.

表1 各个试件的试验指标Tab.1 Test indexes of each specimen

从上述计算结果可以看出，玻镁板与聚氨酯粘结面的剪切强度比水泥纤维板与聚氨酯粘结面的剪切强度平均大20%～30%，玻镁板与聚氨酯粘结面的剪切极限位移比水泥纤维板与聚氨酯粘结面的剪切极限位移平均大40%～60%，显示出玻镁板与聚氨酯良好的抗剪粘结性能.

对于水泥纤维板与聚氨酯的粘结面、玻镁板与聚氨酯的粘结面达到能承受的最大荷载时的平均位移分别为8.16、9.18 mm，即这两个粘结面均不会产生脆性破坏.而在试验结果中很明显有一些数据是需要舍去的，可能是由于粘结面粘得不均匀或者聚氨酯发泡的质量不够造成的.

4 结 论

本文通过分析可以得出以下结论：

1) 聚氨酯发泡外墙板的变形是三种材料的共同变形；聚氨酯发泡的变形制约着水泥纤维板和玻镁板的变形，玻镁板的变形要大于水泥纤维板的变形，聚氨酯发泡外墙板的延性主要由玻镁板和聚氨酯共同提供；聚氨酯发泡变形量要大于水泥纤维板，当变形量差达到一定值后，由于聚氨酯发泡变形过大，也可以导致粘结面破坏，而且这种破坏比较突然，破坏面比较平直.

2) 玻镁板与聚氨酯的粘结性能要好于水泥纤维板与聚氨酯的粘结性能.当水泥纤维板与聚氨酯发泡粘结面强度不足时，易发生二者粘结面断裂破坏，破坏沿着粘结面发展；当水泥纤维板与聚氨酯发泡粘结面强度较高时，破坏沿着粘结面发展，最终断裂在聚氨酯发泡.

3) 提高水泥纤维板与聚氨酯发泡的粘结强度，可以提高聚氨酯发泡外墙板的整体抗剪强度，预计可提高15%～20%.可以通过改善聚氨酯发泡材料等手段达到提高聚氨酯发泡外墙板整体抗剪强度的目的.

4) 由于聚氨酯发泡延性较好，聚氨酯发泡外墙板在受到外力作用时，不易发生聚氨酯发泡破坏断裂.试验中所发生的聚氨酯发泡均是由于聚氨酯发泡没有做好造成的，如提高发泡质量，可以避免这种破坏的产生.