2014, Vol. 37
表1(Table 1)
结构保温板(Structural Insulated Panels，SIPs)是由两片定向高性能面材黏合保温芯材组成的具有一定结构功能的“三明治式”夹芯复合板材。通过对SIPs的研发和推广，可以降低建筑物碳排放量，对促进节能减排、发展低碳经济具有现实意义。
SIPs在国外起步较早。1820年，Delau便提出了复合材料夹层结构的概念，形成了夹芯板的早期雏形。20世纪40年代起，该材料开始广泛应用于工程领域。实践方面，欧美等国家已有相关标准、构造图集指导实际工程[1-4]。其中，木质面板(以OSB定向刨花板为主)SIPs用于永久性房屋的建造已在上述国家经过长期工程实践检验。理论方面，国外学者对SIPs的各项性能做了大量研究，包括：不同连接方式对墙体的影响，不同面材对结构性能的影响，以及墙体门洞开口大小对结构性能的影响等[5-14]。国内SIPs的研究与应用尚处于起步阶段，与传统非承重金属面夹芯保温板相比，SIPs除可用作保温围护构件外，还能作为主要结构构件应用在二至三层的永久性建筑中。哈尔滨工业大学查晓雄团队的研究较为系统，包括金属面材SIPs的温度应力以及耐火极限[15-16]，SIPs的宏观力学性能及泊松比[17]，XPS芯材SIPs统一本构关系的简化模型[18]，绝热金属面板SIPs的抗弯承载力[19]。严帅等[20]对SIPs的性能及优越性、创新性进行了分析，并根据试验总结分析了SIPs的抗剪性能。孙春方等[21]选取聚甲基丙烯酰亚胺泡沫(PMI)为芯材，铝板为面材，组成类似于SIPs结构的夹芯板材，对其力学性能进行了试验研究。
国内外学者均对SIPs的结构性能和保温性能有所探讨，但对SIPs材料基本受力性能的研究，在国内却鲜有涉及，而这些性能往往是结构受力性能的研究基础。在实际应用中由于不同保温要求而产生的芯材厚度的差异将影响材料的整体力学性能，因此，材料厚度与受力性能之间的关系就显得尤为重要。EPS作为常用的有机保温材料，已有学者对其力学性能等方面进行了试验研究[22-24]，为便于进行性能方面的对比，本研究采用EPS为芯材，并以平整度好、不易产生板面翘曲的OSB板为面板，重点研究厚度对于该体系SIPs中EPS芯材的抗拉、压、双剪切性能的影响规律。
1 材料及试件设计试件由面材、芯材及黏结胶3部分组成。其中，面材使用湖北宝源木业有限公司生产的12 mm厚OSB定向刨花板，板长度方向静曲强度28 MPa，宽度方向静曲强度15 MPa，内结合强度0.45 MPa；芯材使用河南新东风保温材料制品有限公司生产的50、100、150 mm 3种厚度EPS板，密度18 kg/m3；黏结胶使用河北三联过滤器材有限公司生产的PU胶，黏结强度较大，在进行抗拉及双剪切试验时，可保证所有试件不会在黏贴面破坏。
抗压、抗拉与双剪切试验分别依据BS EN 1607-1997 [25]、BS EN 826-1996 [26]、BS EN 12090-1997 [27]中的相关规定进行，试件编号、尺寸及数量见表 1。
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表 1 试件编号、尺寸及数量 |
试验加载设备为微机控制万能试验机，加载速度为3 mm/min。
2.2 加载方案及数据采集1) 抗拉试验依据BS EN 1607-1997[25]中相关规定进行。用PU胶在试件上下表面各粘贴一块100 mm×100 mm×10 mm带拉杆的钢片，拉杆位于钢片几何中心位置，试验通过电脑控制匀速加载，至芯材被拉断后，试验结束。
2) 抗压试验依据BS EN 826-1996[26]中相关规定进行。在试件上下表面各放置一块200 mm×200 mm×10 mm的钢片，并在钢片几何中心位置施加点荷载，试验通过电脑控制匀速加载，至芯材压缩变形超过50%后，试验结束。
抗拉和抗压试验中，钢片厚度10 mm，在其几何中心施加点荷载时基本不产生翘曲变形，从而将荷载均匀传递到试件上下表面，使拉、压试件截面应力均匀分布。
3) 双剪切试验依据BS EN 12090-1997[27]中相关规定进行。试验机上需增加如图 1所示的双剪切试验辅助底座。该底座由导轨和两侧L形钢板组成，钢板竖面和底面预先穿好螺栓孔，竖面孔的位置与双剪切试件两端木板上孔的位置一致，底面孔的位置与导轨导槽位置一致。首先，将导轨固定在万能试验机上，两侧L形钢板底面通过高强螺栓固定在导轨上；螺栓未拧紧前，钢板可在导轨内任意滑动，以根据试件尺寸调整钢板间距；间距确定后，将试件放入钢板间，用高强螺栓固定。至此，准备工作完成。试验开始后，试验机提拉试件中部的T形板，芯材破坏，试验结束。
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图 1 双剪切底座示意图 |
荷载值以及相应的变形值由电脑采集完成。由于OSB板变形相对较小可忽略不计，故只考虑芯材变形。
3 试验结果 3.1 破坏形态1) 抗拉试验破坏前后形态对比见图 2。开始加载后，芯材逐渐产生微小的拉伸变形，伴随有内部空腔结构破坏的声音。当荷载达到极限时，芯材中部一角突然开裂，荷载骤然降低，整个试件从中部开裂点被整体撕开，试件破坏。
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图 2 抗拉试验前后形态对比 |
2) 抗压试验破坏前后形态对比见图 3。开始加载后，芯材逐渐产生明显的压缩变形，伴随有内部空腔结构破坏的声音。按预先规定，当压缩变形超过50%后，停止加载，试验结束。卸载后，试件未回弹到初始厚度。整个加压过程中，试件纵向产生显著变形，横向变形不明显。
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图 3 抗压试验前后形态对比 |
3) 双剪切试验破坏前后形态对比见图 4。开始加载后，试件从中部，即与T形板粘贴端逐渐被提起。由于试件另两端固定在L形钢板上，则整个试件从中部开始产生翻转趋势。随着荷载增大，芯材与T形板粘贴处上方，以及固定在钢板上另两端的下方首先产生开裂，随后试件沿裂缝被剪断，荷载达到峰值，T形板被从试件中部提出，试件破坏，试验结束。
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图 4 双剪切试验前后形态对比 |
应力应变曲线能够完整、清晰地反映试件各受力阶段的变形特点及破坏过程，并且包含了重要的力学性能指标，是结构与构件设计以及非线性分析所必需的材料物理条件。SIPs中EPS芯材的抗拉、抗压和双剪切的应力应变曲线如图 5、图 6、图 7所示。弹性模量是工程材料重要的性能参数，是反映材料抵抗弹性变形能力的指标。
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图 5 抗拉试验应力应变曲线 |
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图 6 抗压试验应力应变曲线 |
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图 7 双剪切试验应力应变曲线 |
各试件的破坏应力、应变及弹性模量见表 2。
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表 2 破坏应力及应变 |
1) 由图 5可知，试件受拉破坏为脆性破坏，一旦开裂，强度随即丧失，抗拉强度曲线有一定离散性，破坏前，应力应变成线性关系。由表 2可见，极限应变随试件厚度的增加而减小，应力值均大于100 kPa，满足技术规程要求[28]，材料弹性模量与文献[29]的研究结果较为吻合。分析可得，芯材的抗拉强度与厚度无明显相关关系。
2) 由图 6可知，50、100、150 mm厚芯材试件分别约在ε0.04、ε0.03、ε0.025(下标代表应变值)之前有一段很好的弹性阶段，该阶段应力值增长较快，应变值增长较缓，其压缩模量稳定；当应变值超过以上数值之后，应力值增长放缓，应变值增长加快，出现一个类屈服阶段；这与单纯EPS受压过程的应变特征类似[22-23]。分析原因：在初始阶段，EPS内部空腔结构较为完整均匀，抵抗变形的能力较强，应变值增长较缓慢；随着荷载增大，空腔结构逐步被破坏，材料内部孔隙被迅速挤压密实，应变值增长也随之加快。同时，类屈服点(弹性阶段向类屈服阶段渐变)的ε值随着芯材厚度的增加而减小。
由表 2得，ε0.1时的应力值与技术规程的要求相一致[28]。分析可得，随着试件芯材厚度增加，ε0.1时强度值也随之增大，则厚度的增加会对芯材抗压强度有一定加强作用。
此外，在之前学者单纯对EPS性能的研究中，熊志远等[22]的研究表明，密度为20 kg/m3的EPS试件，在ε0.05时，抗压强度为77.6 kPa。洪显诚等[24]的研究表明，50 mm×50 mm×50 mm的试件在ε0.05时，EPS的抗压强度为92 kPa。刘磊[29]通过10 mm/min和30 mm/min两种速率，对密度为20 kg/m3、尺寸为50 mm×50 mm×50 mm的试件进行加载发现，ε0.05时的抗压强度分别为83.5 kPa和94.5 kPa。本试验所采用EPS的密度为18 kg/m3，尺寸为100 mm×100 mm×50 mm，加载速率为3mm/min，具有一定可比性。在ε0.05时，试件的抗压强度为83.9 kPa，小于100 kPa，与其他学者所得抗压强度相近。
3) 依据BS EN 12090-1997[27]，本试验并非测定纯剪切行为，而是测定在试件主要表面施加反向力时的影响，试件破坏时会同时受到剪切应力和拉应力的作用。该受力模式能够更准确地表征材料作为墙体和楼板等构件时表面的应力分布情况。
由图 7可知，双剪切破坏形式接近于脆性破坏。当试件在一处开裂，抗剪强度随即丧失。应力应变曲线有一定离散性。
由表 2可见，随着芯材厚度增加，极限应力随之减小，应变随之减小，两者变化均非线性变化。由此得结论，厚度的增加对芯材的抗剪强度有一定减弱作用，相应的应变随试件厚度的增加而减小。
试件在整个双剪切过程中，同时经历了一个以底座钢板端为支点、以T形板为受力点、以试件厚度为力臂长度的受弯过程。随着芯材厚度的增加，试件受弯时的力臂相应增长。力臂长度为芯材厚度加两层面材厚度，受力大小为破坏应力乘以试件截面积(0.02 m2)，由此得到各种厚度试件在破坏时所受的弯矩值，见表 3。
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表 3 双剪切试件破坏弯矩 |
由表 3可见，试件在双剪切破坏时所受的弯矩没有明显的变化。因此，不同厚SIPs中EPS芯材双剪切破坏时所受的弯矩基本相同，极限应力与厚度成反比例关系。
5 结语对SIPs中EPS芯材的抗拉、抗压、双剪切力学性能进行了试验研究，得到以下结论：
1) 厚度对SIPs中EPS芯材的抗拉强度没有显著影响，相应的极限应变随厚度的增加而减小；
2) 厚度的增加对SIPs中EPS芯材的抗压强度有一定加强作用；
3) SIPs中EPS芯材的受压过程与单纯EPS材料受压过程相类似，且随着厚度的增大，材料类屈服点的应变值相应减小；
4) 厚度的增加对SIPs中EPS芯材的抗剪强度有一定减弱作用，相应的极限应变随厚度的增加而减小，且不同厚度试件双剪切破坏时所受的弯矩基本相同，破坏弯矩为115~130 N·m。
本试验主要研究了SIPs中EPS芯材沿材料叠加方向(即面材芯材面材)的力学性能。实际应用中，可根据受力特点，将该类SIPs用作楼板、地板、屋面等构件。此外，若考虑将SIPs应用于墙体、柱子等构件，其主要受力则沿垂直于材料叠加方向(即该方向的截面为面材芯材面材)，蒙皮效应的影响尚需进一步的试验研究。
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