裝配式活動房復合夾芯保溫墻板綜述

徐瀏清 王立彬 蔣凱迪 李鐸 汪昕

摘 要：裝配式活動房屋已逐漸成為日常建筑生活中的必備設施之一。作為活動房主要圍護結構的復合夾芯板，其各項性能均對活動房屋的性能指標產生影響。常見的三明治型復合夾芯板性能又主要由組成結構的面層以及芯層材料決定。本文主要介紹了裝配式活動房復合夾芯板，以及市面上常用的的面層材料、芯層材料。

關鍵詞：夾芯板; 面層材料; 芯層材料; 活動房; 裝配式

中圖分類號：TU323.4? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）12-069-003

活動房，是指組裝拆卸簡單、方便、快速、能夠重復使用并且便于運輸的非傳統建筑?；顒臃孔钤缬诙兰o四十年代出現，其相關產業在歐美等國家已經具有了較高的行業集中度。在我國，隨著當今城市化的快速發展，傳統的鋼結構活動房屋已經成為建設工地上必備的建筑設施之一。僅在2017年，從事活動房相關產業人員就已接近27萬，相關營業收入超150億，與前三年相比，年均增長率已達到15%[1]。此外，活動房屋具有便于運輸、拆裝便捷等特點。自然災害發生之后，活動房屋能夠快速搭建，為幸存者提供臨時避難場所，恢復正常生活狀態[2]。因此，基于以上原因，活動房在我國的應用需求和產業前景十分廣闊。本文主要對裝配式活動房使用的復合夾芯墻板、面層材料以及芯層材料進行綜述。

1.面層材料

目前市面上應用最廣泛的面層材料是彩涂鋼板、鋁板、FRP板及其他板材。通常來說，由于面層材料需要長時間暴露在自然環境中，因此除滿足夾芯板正常力學性能的同時需要具有一定的耐腐蝕性能。表1為復合夾芯板常見面層材料性能特點。

1.1彩涂鋼板

鋼材作為最為常用面層材料，具有出色的力學性能（200MPa～550MPa屈服強度，300MPa～560MPa極限抗拉強度，210GPa彈性模量），同時由于易工業化、大規模生產使得價格低廉，因此適宜作為復合夾芯板的面層材料[3]。但因其自身材料特性，沒有經過表面防腐處理的鋼板在大氣潮濕環境中容易發生腐蝕生銹[4]。因此，有必要采用熱浸鍍鋅處理以及噴涂有機涂層對鋼板進行防腐加工，加工后的彩涂鋼板才能被用于制作夾芯板。這些處理措施能夠有效減緩雨水對面層鋼板的侵蝕作用，同時彩色涂層對鋼板起到美化作用。通常情況下，鋼板的表面處理也并非只有一兩種，具體處理措施需要根據使用地具體的氣候環境來達到預期既定的防腐效果。我國現行的《金屬面絕熱夾芯板技術規程》[5]和《建筑用金屬面絕熱夾芯板》[6]中規定，鋼材面板厚度不得小于0.5mm。

1.2鋁板

對于有特殊衛生或者耐腐蝕要求的環境一般采用鋁材面層板[7]。通常來說，鋁錳合金板的屈服強度不高于200MPa，抗拉強度為200MPa～250MPa，其彈性模量大約70GPa，僅為鋼材的1/3，鋁材面板密度同樣為鋼材面板的1/3。在一般的海洋環境和城市環境中，鋁的表面不需要涂上鍍鋅鋼等有機層，其本身的表面可以自發形成一層氧化膜，能夠防止PH值在5到8之間的潮濕腐蝕[8]。但當腐蝕環境PH值超過8時，鋁的表面也需要涂上有機涂層，以防止腐蝕發生。通常使用的鋁板出于美觀的要求，具有不同的顏色。我國CECS規程[6]中規定鋁板厚度最小為0.7mm。因此市場上鋁面夾芯板面層厚度一般為0.7mm～1.2mm。

1.3? FRP面層板

FRP是由連續/短切纖維通過混合一定的樹脂，經過一系列的成型工藝而成的的結構材料。FRP面層板具有輕重量，高強度，耐腐蝕的特點，在保持強度不變的前提下，結構自重可以大大減輕[9]。此外，它們還具有良好的透波性和可設計能力[10]。然而，由于其價格昂貴，目前FRP材料在航空航天和高速鐵路領域中應用較多。根據具體使用纖維原材料不同，FRP可細分為GFRP（玻璃纖維增強復合材料）、CFRP（Glass Fiber Reinforced Polymer，碳纖維增強復合材料）、BFRP（玄武巖纖維增強復合材料）等。土木工程領域中常用的為GFRP以及BFRP纖維增強復合材料面板。目前國內外均有生產廠家生產GFRP復合夾芯板，這種夾芯板不僅可以應用于墻板，屋面板等建筑區域，也可應用于冷凍保溫車廂、軍隊營房、活動板房等[11]。作為我國重點發展四大纖維之一的玄武巖纖維，進過幾十年的快速發展，已經具備了工業化連續生產工藝。而我國又有著豐富的玄武巖礦產資源，并且玄武巖纖維具有優異的耐高溫、耐腐蝕性能，在制備過程中無有害氣體排放，因此玄武巖纖維有著較為廣闊的發展前景。通過真空袋輔助成型方法，可以將BFRP短切原絲氈以及BFRP單、多軸向纖維布制成BFRP板，具體制備流程如圖1所示。

1.4其他類型面板

不銹鋼或銅同樣可以作為高質量和免維護的面板原材料，這些面板也具有優異的耐腐蝕性。上世紀七八十年代，國外大力發展歐松板，歐松板為采用木材刨片通過干燥、加膠、定向鋪設以及熱壓而成的定向纖維板。這種板材除了具有可回收利用，健康環保的特點以外，其結構性能同樣十分優良。與此同時，歐松板獨特的紋理能夠增加它的美感。在我國，秸稈等農作物采用熱壓工藝被制成秸稈板，具有保溫能力強、綠色環保等特點，尤其適宜應用墻板結構。

2.芯層材料

作為夾芯板的重要組成部分，從結構角度而言，芯層材料需要有足夠的剪切剛度來承受大部分剪力荷載以及支撐面層材料。硬質泡沫材料或無機纖維材料通常被選擇作為芯層材料。對于硬質泡沫材料而言，芯層材料的力學性能通常與它們自身的密度有關。但無機纖維材料的力學性能不僅與其自身的密度有關，而且還受到生產方法和纖維方向的影響。一般來說，芯層材料需要滿足具體使用中的高保溫、耐濕、防火、隔音等需要。表2為常用建筑復合夾芯板芯層材料性能表。

2.1 XPS擠塑聚苯乙烯

XPS擠塑聚苯乙烯為聚苯乙烯樹脂與催化劑混合加熱后通過擠塑壓出成型，為具有高密度、硬度高，閉孔結構等特點的泡沫塑料[12]。正是由于XPS其獨特的生產方式，絕大多數產品為板材結構，無法像PU聚氨酯等材料自然發泡成型，限制了其應用場景。與EPS材料相比，XPS抗壓強度更高，也是目前建筑工程領域中力學性能最優異的硬質泡沐材料之一，究其原因，XPS內部結構為致密的細微蜂窩狀。但由于同屬于泡沫塑料，雖然其阻燃性優于EPS材料，但在生產過程中也需要無機阻燃劑的加入來延緩泡沫燃燒過程。因此，只有經阻燃劑添加達到B1級難燃防火等級的XPS芯材才能被應用于建筑工程領域。

2.2 PU聚氨酯

異氰酸酯和羥基化合物在室溫下通過熱固性泡沫塑料聚合發泡膨脹混合，根據其硬度可分為軟、硬兩類，根據其開口可分為開、閉孔結構。對于閉孔結構PU而言，主要有三大優點。其一，由于獨特的結構構造，低于普通空氣導熱系數的氣體填充了泡沫的孔隙，氣體無法正常流動，熱對流現象因此受到阻礙。宏觀表現為整體材料導熱系數低，僅為0.02W/（m·k），在硬質泡沫塑料中最低。其二，PU材料的阻燃性優良，在不添加阻燃劑的情況下也不會發生燃燒。相比于EPS與XPS材料，PU聚氨酯在達到120℃后仍具有較好的熱穩定性，只有當溫度到達300℃后才會燃燒。第三，由于PU采用發泡成型工藝，能夠實現工廠、現場兩地生產[13]。工廠生產可以作為預制產品現場直接使用;現場發泡則可以自由生成不同形狀的構件。但與一般材料相比，PU價格稍高，因此多用于軍事用途如軍用營房等，民用、商用較少。

2.3 巖棉

巖棉是一種人造無機纖維板材，主要原料為玄武巖等天然礦石，經高溫熔融成纖維，加入粘結劑后固化而成[14]。無機纖維板材最顯著的特點是其耐高溫和耐濕。其本身是不燃的，只有在高溫下才會發生融化。正因如此，考慮到其優良的耐火性，無機纖維板材主要用于在房屋建筑中設置防火帶。與泡沫材料相比，無機纖維板的開孔結構更多，降低了其保溫性能的同時也易于吸水。通過添加劑可以改善其吸水性能，但開孔結構具有良好的隔音性能。同時，巖棉還具有良好的耐久性和化學穩定性。巖棉的力學性能不僅受到自身密度的影響，而且與內部纖維具體排列方向有關。由于巖棉板由連續長絲纖維組成，纖維方向通常與巖棉板的方向平行。為了提高垂直纖維方向的拉壓性能，常沿纖維長度方向將板切成所需寬度的矩形長條，旋轉90°后粘結，使纖維方向與板的方向垂直。最后在與上下面板相連，復合形成夾芯板。

2.4 玻璃棉

玻璃棉板主要采用離心工藝制備，通過將玻璃熔融、離心、纖維化后通過添加樹脂固化而成。從纖維長度上看，玻璃棉中纖維較巖棉更長，其結構蓬松交錯，孔隙密集。通常用作天花板、隔音板等，用于減少噪聲[15]。然而，棉狀纖維通常很容易對人體的皮膚、呼吸道和其他器官造成損害。因此，將玻璃棉被用作保溫材料時，主要用做管道等不易接觸到的結構。

2.5其他芯材

除以上常用芯材以外，酚醛泡沫材料，作為防火性能最優異的泡沫材料，集隔音、隔熱、輕質節能等優點于一身。在受到高溫灼燒時，酚醛泡沫材料表面被碳化進而阻止燃燒的進一步發生。目前主要應用于花卉泥、絕熱以及防火三大方面。作為我國最輕的木材之一，泡桐木的氣干密度僅為250～300kg/m3，抗壓強度高，導熱系數小并且燃點高達425℃，是較為理想的絕緣、保溫材料[16]。更為重要的是，泡桐木生長周期短，僅需3年即可成林，5年就可成材。但其在工程領域中的大規模應用一直受較低的強度所制約，因此將其作為芯層材料，與強度較高的面板材料復合，達到優勢互補，有利于在泡桐木在工程應用中的推廣。

3.復合夾芯墻板

在具體工程應用中，復合夾芯墻板大體可以分為復合式墻板、部分復合式墻板以及獨立式墻板。

3.1復合式墻板

復合式墻板通常采用穿過保溫芯材的剪力鍵，將芯材兩側的面層材料連接起來。作為連接復合墻板內面層與芯層的關鍵結構，剪力鍵主要提供結構的抗剪切能力，起到抵抗面皮間的層間剪切作用。進而限制不同面層材料間的相對位移，使得夾芯板滿足平截面假定。在同等厚度情況下，復合式墻板與傳統墻板力學性能基本相同。

3.2部分復合式墻板

部分復合式墻板是將墻板沿長度方向進行非連續性布置，并且在保溫芯材不連續處進行處理，達到與兩側面層材料相互連接的目的。其中，保溫芯材的非連續區域通常布置在墻板的上下兩端，起到限制兩側墻體相對滑動的目的。在同等厚度情況下，部分復合式墻板的力學性能處于獨立式與復合式墻板之間。

3.3獨立式墻板

獨立式墻板中常使用柔性剪力鍵或粘結劑，兩側面層獨立承擔水平與豎向荷載。在同等厚度情況下，獨立式墻板的強度大致等于兩側面層材料的強度之和。由于其制作簡單，施工方便，因此受到國內外學者廣泛重視。2008年加拿大相關學者首次對應用于維護結構的CFRP-PU夾芯板彎曲性能進行研究并與普通混凝土墻板進行比較，發現在同等強度時，CFRP-PU夾芯板重量僅為普通混凝土墻板的1/14。徐樹信等[17]最早于2006年提出采用GFRP—XPS材料制成復合夾芯板，通過力學性能試驗得出采用XPS芯材力學性能明顯優于傳統PU芯材。李鐸[10]研究了不同原材料、設計方式對BFRP面板影響，并將所得到的BFRP面板與各種芯材復合，研究不同加載方式下其抗彎性能，獲得同時能夠滿足使用、結構以及耐久性能的夾芯結構，為后續BFRP復合夾芯板具體應用提供基礎。

4.結論及發展趨勢

隨著裝配式活動房屋在我國的應用愈加廣泛，有必要對起到主要支撐結構的復合夾芯保溫墻板進一步研究。兼具高耐久、保溫、隔熱、耐火、自傳感、自發熱以及結構一體化等功能，將成為復合夾芯保溫墻板今后主要應用推廣的方向。

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