新型聚氨酯夾芯板墻體材料剪切試驗*

黃志強， 王晏靈， 施 維， 江荷曲

(沈陽工業大學 建筑與土木工程學院， 沈陽 110870)

近些年來，隨著居民生活水平的提高和改善，人們對建筑的要求越來越高.中國的墻體建材產業逐步邁上前進的步伐，從最初的基于塊板的墻體材料系統，如砼空心砌塊、紙質石膏板、纖維水泥夾芯板等到目前各種保溫、防火的墻體材料.然而，目前市場墻壁材料的各類輕質板和復合板的比例仍然較小，不足總墻壁建材的1%，和其他國家比較仍有較大的距離[1].重夾芯板是一種集承重、防水、保溫、輕質、耐用性能好且可以重復使用等優點的一種新型板材，其優良性能取決于兩個金屬面層與硬質泡沫芯層共同工作的組合構件[2].聚氨酯硬泡體是一種具有保溫與防水功能的新型合成材料，其導熱系數低，僅為0.022～0.033 W/(m·Κ)，相當于擠塑板的一半，為目前所有保溫材料中導熱系數最低，它是一種較好的保溫、防水建筑物外墻體材料.而水泥纖維板在添加了纖維之后可以更為有效地提高其延性和韌性并且提高了水泥基體系強度，從而能更好地解決載荷作用引起的變形或開裂[3-4].國外目前已經研究出了超高韌性水泥基復合材料，這更加體現了水泥基復合材料的可行性[5-7].氯氧鎂水泥是一種輕質建筑材料，其優點為保溫隔熱、防護防潮，并且玻鎂板(即氯氧鎂水泥板)具有良好的延性[8].因此，本文采用以上三種材料設計了一種新型的墻體材料，為了促進該材料在工程中的應用，需要對其剪切性能進行研究，為實際中的工程應用提供一定參考.雙面剪切試驗可以保證試件橫截面上的應力和應變分布相對較均勻，是鑒別復合材料并表征其獨特力學性能的最直接、最客觀、最有效的試驗方法[9-11].

1 雙面剪切試驗

1.1 試件制作

聚氨酯發泡外墻是由水泥纖維板、聚氨酯發泡、玻鎂板粘結組合而成的復合材料.從制作工藝及加載方式上分析，聚氨酯發泡外墻板受到剪切后，其潛在的破壞面主要有三個，即水泥纖維板與聚氨酯粘結面的破壞、玻鎂板與聚氨酯粘結面的破壞和聚氨酯發泡破壞.在試件設計上，為了在試驗中對三個潛在的破壞面進行檢測，將四個斷面為85 mm×85 mm聚氨酯發泡外墻板豎向粘接在一起，形成有效尺寸為85 mm×85 mm×340 mm的長方體試件.將試件編號為1～27.

1.2 試驗設備

1.3 試驗方案

雙面剪切試驗分為三組，分別對水泥纖維板與聚氨酯的粘結面、玻鎂板與聚氨酯的粘結面、聚氨酯本體進行了剪切測試，試件數目為27件.試驗過程如下：1)加載面的修正.用打磨機將加載面打磨平整，以防止加載時引起應力集中.2)尺寸測量.采用游標卡尺對試件的剪切面進行測量.3)試件加載.將加載塊對準欲剪切面進行試加載，加載到0.05 kN，持載20 s后卸載，以調整試驗機加載板平面，保證加載塊與試件受載面充分接觸，卸載60 s后，重新進行加載，加載采用位移控制，將加載速度保持在0.1 mm/min，直至試件發生剪切破壞，記錄加載全過程的荷載和位移變化情況.

四個聚氨酯本體試塊由不同材料粘結而成.圖1為對第二個與第三個，第三個與第四個試塊的由水泥纖維板與聚氨酯粘結而成的粘結面進行剪切破壞.圖2為對第一個與第二個，第二個與第三個試塊的由玻鎂板與聚氨酯粘結而成的粘結面進行剪切破壞.圖3為對第三個聚氨酯本體試塊進行剪切破壞.

圖1 水泥纖維板與聚氨酯粘結面剪切破壞Fig.1 Shearing failure of bonding surface between cement fiberboard and polyurethane

圖2 玻鎂板與聚氨酯粘結面剪切破壞Fig.2 Shearing failure of bonding surface between glass magnesium board and polyurethane

圖3 聚氨酯剪切破壞Fig.3 Shearing failure of polyurethane

2 試件破壞形態

水泥纖維板與聚氨酯粘結面隨著加載的進行，沿著粘結面的剪切裂縫出現較早，隨著加載的持續進行，裂縫破壞速度比較快，形成兩個平直剪切面，相鄰的聚氨酯壓縮變形較小，有的試件基本沒有變形.

玻鎂板與聚氨酯粘結面隨著加載的進行，主要有以下幾種情況：1)相鄰的聚氨酯首先發生局部壓縮變形，隨著聚氨酯變形的增大，引起聚氨酯與玻鎂板粘結面出現剪切裂縫，隨著加載的繼續，裂縫逐漸變寬，裂縫長度增長較慢；2)在部分試件中，聚氨酯變形持續增大，引起聚氨酯與水泥纖維板粘結面出現拉伸裂縫；3)當聚氨酯變形達到約20～30 mm，或者聚氨酯與水泥纖維板粘結面出現較長的拉伸裂縫時，視為試件發生失穩破壞.

由于聚氨酯是由眾多細微泡沫黏合組成，聚氨酯剪切試件的剪切變形量較大，基本不會發生剪切破壞.試驗過程以及破壞形態如圖4～5所示.

圖4 試驗過程Fig.4 Experiment procedure

圖5 破壞形態Fig.5 Failure mode

3 試驗結果及剪切曲線分析

水泥纖維板與聚氨酯粘結面破壞、聚氨酯發泡破壞、玻鎂板與聚氨酯粘結面破壞等三種破壞面的代表性剪切曲線如圖6～8所示.

圖6 水泥纖維板與聚氨酯粘結面破壞Fig.6 Failure of bonding surface between cement fiberboard and polyurethane

圖7 聚氨酯發泡破壞Fig.7 Failure of polyurethane foam

圖8 玻鎂板與聚氨酯粘結面破壞Fig.8 Failure of bonding surface between glass magnesium board and polyurethane

從剪切曲線來看，玻鎂板與聚氨酯粘結面所承受的剪切荷載較大，產生的剪切變形較大，達到峰值后，其殘余變形很大.對于雙面剪切試驗，其剪切強度計算公式為

(1)

水泥纖維板與聚氨酯粘結面發生破壞的試件編號為：1、15、17、4、20、23、24、25、26，這一組最終算得τb的平均值為0.085 MPa；玻鎂板與聚氨酯粘結面發生破壞的試件編號為：10、11、12、13、18、19、21、22、27、2、3，這一組最終算得τb的平均值為0.111 MPa；聚氨酯發泡發生破壞的試件編號為：5、6、7、8、9、14、16，這一組最終算得τb的平均值為0.036 MPa.各個試件的具體數據如表1所示.

表1 各個試件的試驗指標Tab.1 Test indexes of each specimen

從上述計算結果可以看出，玻鎂板與聚氨酯粘結面的剪切強度比水泥纖維板與聚氨酯粘結面的剪切強度平均大20%～30%，玻鎂板與聚氨酯粘結面的剪切極限位移比水泥纖維板與聚氨酯粘結面的剪切極限位移平均大40%～60%，顯示出玻鎂板與聚氨酯良好的抗剪粘結性能.

對于水泥纖維板與聚氨酯的粘結面、玻鎂板與聚氨酯的粘結面達到能承受的最大荷載時的平均位移分別為8.16、9.18 mm，即這兩個粘結面均不會產生脆性破壞.而在試驗結果中很明顯有一些數據是需要舍去的，可能是由于粘結面粘得不均勻或者聚氨酯發泡的質量不夠造成的.

4 結 論

本文通過分析可以得出以下結論：

1) 聚氨酯發泡外墻板的變形是三種材料的共同變形；聚氨酯發泡的變形制約著水泥纖維板和玻鎂板的變形，玻鎂板的變形要大于水泥纖維板的變形，聚氨酯發泡外墻板的延性主要由玻鎂板和聚氨酯共同提供；聚氨酯發泡變形量要大于水泥纖維板，當變形量差達到一定值后，由于聚氨酯發泡變形過大，也可以導致粘結面破壞，而且這種破壞比較突然，破壞面比較平直.

2) 玻鎂板與聚氨酯的粘結性能要好于水泥纖維板與聚氨酯的粘結性能.當水泥纖維板與聚氨酯發泡粘結面強度不足時，易發生二者粘結面斷裂破壞，破壞沿著粘結面發展；當水泥纖維板與聚氨酯發泡粘結面強度較高時，破壞沿著粘結面發展，最終斷裂在聚氨酯發泡.

3) 提高水泥纖維板與聚氨酯發泡的粘結強度，可以提高聚氨酯發泡外墻板的整體抗剪強度，預計可提高15%～20%.可以通過改善聚氨酯發泡材料等手段達到提高聚氨酯發泡外墻板整體抗剪強度的目的.

4) 由于聚氨酯發泡延性較好，聚氨酯發泡外墻板在受到外力作用時，不易發生聚氨酯發泡破壞斷裂.試驗中所發生的聚氨酯發泡均是由于聚氨酯發泡沒有做好造成的，如提高發泡質量，可以避免這種破壞的產生.