装配式活动房复合夹芯保温墙板综述

徐浏清 王立彬 蒋凯迪 李铎 汪昕

摘 要：装配式活动房屋已逐渐成为日常建筑生活中的必备设施之一。作为活动房主要围护结构的复合夹芯板，其各项性能均对活动房屋的性能指标产生影响。常见的三明治型复合夹芯板性能又主要由组成结构的面层以及芯层材料决定。本文主要介绍了装配式活动房复合夹芯板，以及市面上常用的的面层材料、芯层材料。

关键词：夹芯板; 面层材料; 芯层材料; 活动房; 装配式

中图分类号：TU323.4        文献标识码：A        文章编号：1006-3315（2021）12-069-003

活动房，是指组装拆卸简单、方便、快速、能够重复使用并且便于运输的非传统建筑。活动房最早于二十世纪四十年代出现，其相关产业在欧美等国家已经具有了较高的行业集中度。在我国，随着当今城市化的快速发展，传统的钢结构活动房屋已经成为建设工地上必备的建筑设施之一。仅在2017年，从事活动房相关产业人员就已接近27万，相关营业收入超150亿，与前三年相比，年均增长率已达到15%[1]。此外，活动房屋具有便于运输、拆装便捷等特点。自然灾害发生之后，活动房屋能够快速搭建，为幸存者提供临时避难场所，恢复正常生活状态[2]。因此，基于以上原因，活动房在我国的应用需求和产业前景十分广阔。本文主要对装配式活动房使用的复合夹芯墙板、面层材料以及芯层材料进行综述。

1.面层材料

目前市面上应用最广泛的面层材料是彩涂钢板、铝板、FRP板及其他板材。通常来说，由于面层材料需要长时间暴露在自然环境中，因此除满足夹芯板正常力学性能的同时需要具有一定的耐腐蚀性能。表1为復合夹芯板常见面层材料性能特点。

1.1彩涂钢板

钢材作为最为常用面层材料，具有出色的力学性能（200MPa～550MPa屈服强度，300MPa～560MPa极限抗拉强度，210GPa弹性模量），同时由于易工业化、大规模生产使得价格低廉，因此适宜作为复合夹芯板的面层材料[3]。但因其自身材料特性，没有经过表面防腐处理的钢板在大气潮湿环境中容易发生腐蚀生锈[4]。因此，有必要采用热浸镀锌处理以及喷涂有机涂层对钢板进行防腐加工，加工后的彩涂钢板才能被用于制作夹芯板。这些处理措施能够有效减缓雨水对面层钢板的侵蚀作用，同时彩色涂层对钢板起到美化作用。通常情况下，钢板的表面处理也并非只有一两种，具体处理措施需要根据使用地具体的气候环境来达到预期既定的防腐效果。我国现行的《金属面绝热夹芯板技术规程》[5]和《建筑用金属面绝热夹芯板》[6]中规定，钢材面板厚度不得小于0.5mm。

1.2铝板

对于有特殊卫生或者耐腐蚀要求的环境一般采用铝材面层板[7]。通常来说，铝锰合金板的屈服强度不高于200MPa，抗拉强度为200MPa～250MPa，其弹性模量大约70GPa，仅为钢材的1/3，铝材面板密度同样为钢材面板的1/3。在一般的海洋环境和城市环境中，铝的表面不需要涂上镀锌钢等有机层，其本身的表面可以自发形成一层氧化膜，能够防止PH值在5到8之间的潮湿腐蚀[8]。但当腐蚀环境PH值超过8时，铝的表面也需要涂上有机涂层，以防止腐蚀发生。通常使用的铝板出于美观的要求，具有不同的颜色。我国CECS规程[6]中规定铝板厚度最小为0.7mm。因此市场上铝面夹芯板面层厚度一般为0.7mm～1.2mm。

1.3  FRP面层板

FRP是由连续/短切纤维通过混合一定的树脂，经过一系列的成型工艺而成的的结构材料。FRP面层板具有轻重量，高强度，耐腐蚀的特点，在保持强度不变的前提下，结构自重可以大大减轻[9]。此外，它们还具有良好的透波性和可设计能力[10]。然而，由于其价格昂贵，目前FRP材料在航空航天和高速铁路领域中应用较多。根据具体使用纤维原材料不同，FRP可细分为GFRP（玻璃纤维增强复合材料）、CFRP（Glass Fiber Reinforced Polymer，碳纤维增强复合材料）、BFRP（玄武岩纤维增强复合材料）等。土木工程领域中常用的为GFRP以及BFRP纤维增强复合材料面板。目前国内外均有生产厂家生产GFRP复合夹芯板，这种夹芯板不仅可以应用于墙板，屋面板等建筑区域，也可应用于冷冻保温车厢、军队营房、活动板房等[11]。作为我国重点发展四大纤维之一的玄武岩纤维，进过几十年的快速发展，已经具备了工业化连续生产工艺。而我国又有着丰富的玄武岩矿产资源，并且玄武岩纤维具有优异的耐高温、耐腐蚀性能，在制备过程中无有害气体排放，因此玄武岩纤维有着较为广阔的发展前景。通过真空袋辅助成型方法，可以将BFRP短切原丝毡以及BFRP单、多轴向纤维布制成BFRP板，具体制备流程如图1所示。

1.4其他类型面板

不锈钢或铜同样可以作为高质量和免维护的面板原材料，这些面板也具有优异的耐腐蚀性。上世纪七八十年代，国外大力发展欧松板，欧松板为采用木材刨片通过干燥、加胶、定向铺设以及热压而成的定向纤维板。这种板材除了具有可回收利用，健康环保的特点以外，其结构性能同样十分优良。与此同时，欧松板独特的纹理能够增加它的美感。在我国，秸秆等农作物采用热压工艺被制成秸秆板，具有保温能力强、绿色环保等特点，尤其适宜应用墙板结构。

2.芯层材料

作为夹芯板的重要组成部分，从结构角度而言，芯层材料需要有足够的剪切刚度来承受大部分剪力荷载以及支撑面层材料。硬质泡沫材料或无机纤维材料通常被选择作为芯层材料。对于硬质泡沫材料而言，芯层材料的力学性能通常与它们自身的密度有关。但无机纤维材料的力学性能不仅与其自身的密度有关，而且还受到生产方法和纤维方向的影响。一般来说，芯层材料需要满足具体使用中的高保温、耐湿、防火、隔音等需要。表2为常用建筑复合夹芯板芯层材料性能表。

2.1 XPS挤塑聚苯乙烯

XPS挤塑聚苯乙烯为聚苯乙烯树脂与催化剂混合加热后通过挤塑压出成型，为具有高密度、硬度高，闭孔结构等特点的泡沫塑料[12]。正是由于XPS其独特的生产方式，绝大多数产品为板材结构，无法像PU聚氨酯等材料自然发泡成型，限制了其应用场景。与EPS材料相比，XPS抗压强度更高，也是目前建筑工程领域中力学性能最优异的硬质泡沐材料之一，究其原因，XPS内部结构为致密的细微蜂窝状。但由于同属于泡沫塑料，虽然其阻燃性优于EPS材料，但在生产过程中也需要无机阻燃剂的加入来延缓泡沫燃烧过程。因此，只有经阻燃剂添加达到B1级难燃防火等级的XPS芯材才能被应用于建筑工程领域。

2.2 PU聚氨酯

异氰酸酯和羥基化合物在室温下通过热固性泡沫塑料聚合发泡膨胀混合，根据其硬度可分为软、硬两类，根据其开口可分为开、闭孔结构。对于闭孔结构PU而言，主要有三大优点。其一，由于独特的结构构造，低于普通空气导热系数的气体填充了泡沫的孔隙，气体无法正常流动，热对流现象因此受到阻碍。宏观表现为整体材料导热系数低，仅为0.02W/（m·k），在硬质泡沫塑料中最低。其二，PU材料的阻燃性优良，在不添加阻燃剂的情况下也不会发生燃烧。相比于EPS与XPS材料，PU聚氨酯在达到120℃后仍具有较好的热稳定性，只有当温度到达300℃后才会燃烧。第三，由于PU采用发泡成型工艺，能够实现工厂、现场两地生产[13]。工厂生产可以作为预制产品现场直接使用;现场发泡则可以自由生成不同形状的构件。但与一般材料相比，PU价格稍高，因此多用于军事用途如军用营房等，民用、商用较少。

2.3 岩棉

岩棉是一种人造无机纤维板材，主要原料为玄武岩等天然矿石，经高温熔融成纤维，加入粘结剂后固化而成[14]。无机纤维板材最显著的特点是其耐高温和耐湿。其本身是不燃的，只有在高温下才会发生融化。正因如此，考虑到其优良的耐火性，无机纤维板材主要用于在房屋建筑中设置防火带。与泡沫材料相比，无机纤维板的开孔结构更多，降低了其保温性能的同时也易于吸水。通过添加剂可以改善其吸水性能，但开孔结构具有良好的隔音性能。同时，岩棉还具有良好的耐久性和化学稳定性。岩棉的力学性能不仅受到自身密度的影响，而且与内部纤维具体排列方向有关。由于岩棉板由连续长丝纤维组成，纤维方向通常与岩棉板的方向平行。为了提高垂直纤维方向的拉压性能，常沿纤维长度方向将板切成所需宽度的矩形长条，旋转90°后粘结，使纤维方向与板的方向垂直。最后在与上下面板相连，复合形成夹芯板。

2.4 玻璃棉

玻璃棉板主要采用离心工艺制备，通过将玻璃熔融、离心、纤维化后通过添加树脂固化而成。从纤维长度上看，玻璃棉中纤维较岩棉更长，其结构蓬松交错，孔隙密集。通常用作天花板、隔音板等，用于减少噪声[15]。然而，棉状纤维通常很容易对人体的皮肤、呼吸道和其他器官造成损害。因此，将玻璃棉被用作保温材料时，主要用做管道等不易接触到的结构。

2.5其他芯材

除以上常用芯材以外，酚醛泡沫材料，作为防火性能最优异的泡沫材料，集隔音、隔热、轻质节能等优点于一身。在受到高温灼烧时，酚醛泡沫材料表面被碳化进而阻止燃烧的进一步发生。目前主要应用于花卉泥、绝热以及防火三大方面。作为我国最轻的木材之一，泡桐木的气干密度仅为250～300kg/m3，抗压强度高，导热系数小并且燃点高达425℃，是较为理想的绝缘、保温材料[16]。更为重要的是，泡桐木生长周期短，仅需3年即可成林，5年就可成材。但其在工程领域中的大规模应用一直受较低的强度所制约，因此将其作为芯层材料，与强度较高的面板材料复合，达到优势互补，有利于在泡桐木在工程应用中的推广。

3.复合夹芯墙板

在具体工程应用中，复合夹芯墙板大体可以分为复合式墙板、部分复合式墙板以及独立式墙板。

3.1复合式墙板

复合式墙板通常采用穿过保温芯材的剪力键，将芯材两侧的面层材料连接起来。作为连接复合墙板内面层与芯层的关键结构，剪力键主要提供结构的抗剪切能力，起到抵抗面皮间的层间剪切作用。进而限制不同面层材料间的相对位移，使得夹芯板满足平截面假定。在同等厚度情况下，复合式墙板与传统墙板力学性能基本相同。

3.2部分复合式墙板

部分复合式墙板是将墙板沿长度方向进行非连续性布置，并且在保温芯材不连续处进行处理，达到与两侧面层材料相互连接的目的。其中，保温芯材的非连续区域通常布置在墙板的上下两端，起到限制两侧墙体相对滑动的目的。在同等厚度情况下，部分复合式墙板的力学性能处于独立式与复合式墙板之间。

3.3独立式墙板

独立式墙板中常使用柔性剪力键或粘结剂，两侧面层独立承担水平与竖向荷载。在同等厚度情况下，独立式墙板的强度大致等于两侧面层材料的强度之和。由于其制作简单，施工方便，因此受到国内外学者广泛重视。2008年加拿大相关学者首次对应用于维护结构的CFRP-PU夹芯板弯曲性能进行研究并与普通混凝土墙板进行比较，发现在同等强度时，CFRP-PU夹芯板重量仅为普通混凝土墙板的1/14。徐树信等[17]最早于2006年提出采用GFRP—XPS材料制成复合夹芯板，通过力学性能试验得出采用XPS芯材力学性能明显优于传统PU芯材。李铎[10]研究了不同原材料、设计方式对BFRP面板影响，并将所得到的BFRP面板与各种芯材复合，研究不同加载方式下其抗弯性能，获得同时能够满足使用、结构以及耐久性能的夹芯结构，为后续BFRP复合夹芯板具体应用提供基础。

4.结论及发展趋势

随着装配式活动房屋在我国的应用愈加广泛，有必要对起到主要支撑结构的复合夹芯保温墙板进一步研究。兼具高耐久、保温、隔热、耐火、自传感、自发热以及结构一体化等功能，将成为复合夹芯保温墙板今后主要应用推广的方向。

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