龔 超 侯兆新 梁梓豪 吳兆旗 梁偉橋 方五軍
(1.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088；
2.中冶建筑研究總院(深圳)有限公司，廣東深圳 518055；
3.哈爾濱工業大學(深圳)土木與環境工程學院，廣東深圳 518055；
4.福州大學土木工程學院，福州 350108)
建筑圍護結構中的一些部位，在室內外溫差的作用下，形成熱流相對密集、內表面溫度較低的區域。這些部位成為傳熱較多的橋梁，稱為熱橋。建筑結構的熱橋會造成建筑物內外熱量的傳遞，導致建筑圍護結構隔熱性能的下降。因此可采取一定的措施來切斷熱橋(簡稱“斷橋”)，減小建筑物內外熱量傳遞[1-3]。
鋼結構梁柱部位、節點部位、陽臺雨棚挑梁部位等都極易形成熱橋[4]。目前國內通常采用外墻外保溫的方式來解決熱橋問題，然而目前常用的建筑外保溫做法普遍存在耐久性差、保溫層易脫落傷人、不能適應建筑外立面變化等不足。因此，研究更為安全可靠的熱斷橋技術對節能建筑的可持續發展具有重要意義。
文獻[5-7]研究了在外伸部分與室內主體連接部位添加“熱斷橋連接”來減少或阻斷室內外的熱量交換，從而達到建筑保溫的目的。文獻[8-10]提出用FRP筋來代替貫通室內與陽臺懸挑部分的鋼筋來減少熱量的傳遞。
國外許多公司推出了“熱斷橋連接”的商業產品，如Fabreeka、Armadillo、Schock、Farrat和Insula等公司的產品，而目前國內關于“熱斷橋連接”研究尚處空白。熱斷橋材料的選擇是熱斷橋連接技術的核心，更是國外各企業的商業秘密，需要同時具有導熱系數低、受力性能好、價格低等特征。我國目前常用的建筑保溫材料如模塑聚苯乙烯板(EPS)、擠塑聚苯乙烯板(XPS)、改性聚氨酯板(PIR)、酚醛泡沫板(PF)等[11-12]有機保溫材料，玻化微珠、巖棉、玻璃棉板、發泡水泥板等[13-16]無機保溫材料雖然導熱系數較低且價格實惠，但是強度和彈性模量較低，不能滿足熱斷橋材料對力學性能的要求。
針對熱斷橋材料低導熱系數和高力學性能的要求，通過大量調研，篩選出以下4種復合材料作為備選材料：1)尼龍6(PA6)，成型加工簡便，可用于高強度結構材料；
2)聚氯乙烯(PVC)，耐腐蝕、牢固耐用，全球使用量在各種合成材料中高居第二；
3)FR-4是一種耐燃材料等級的代號，但是FR-4板材(FR4)一般指的是環氧樹脂與玻璃纖維的復合材料，有良好的機械加工性能和隔熱性能，成本低，加工便利；
4)聚醚醚酮(PEEK)，有著耐高溫的物理特性，可與玻璃纖維或碳纖維復合制備增強材料，在工業領域有著大量的運用。
對以上4種材料的試件進行壓縮性能試驗和導熱系數測定，分別設計制作40，12個試件，測試各材料的基本力學性能和熱工性能指標，擬合材料受壓本構模型，并分析4種材料作為熱斷橋材料的適應性。
對PA6、PVC、FR4和PEEK進行抗壓性能試驗和導熱系數測定試驗，以獲得材料的抗壓強度、彈性模量、導熱系數等基本力學性能和熱工性能指標。抗壓性能試驗按GB/T 1446—2005《纖維增強塑料性能試驗方法總則》[17]和GB/T 1448—2005《纖維增強塑料壓縮性能試驗方法》[18]進行，導熱系數測定試驗按照GB/T 10294—2008《絕熱材料穩態熱阻及有關特性的測定防護熱板法》[19]進行。
1.1 試件規格
PA6、PVC、PEEK采用德國蓋爾公司的產品，FR4采用安徽依索拉公司的產品。其中，PA6和PEEK摻入30%玻璃纖維。材料規格型號如表1所示。
表1 材料規格Table 1 Material specifications
按照文獻[18]，抗壓性能試驗中試件尺寸為30 mm×10 mm×10 mm；
按照文獻[19]，導熱系數測定試驗中試件尺寸為300 mm×300 mm×30 mm。
1.2 抗壓性能試驗
1.2.1試驗過程
抗壓性能試驗在實驗室環境條件下進行，所用試驗儀器為萬測504C-TS微機控制電子萬能試驗機。
抗壓性能試驗為靜態試驗，以2 mm/min恒定速率對試件進行壓縮。由抗壓性能試驗后對各試件破壞模式進行對比可知，4種材料試件除FR4試件為脆性分層破壞外，其余3種材料的試件均為延性破壞，兩種破壞模式如圖1所示。
a—延性破壞；
b—脆性分層破壞。圖1 試件破壞模式Fig.1 Failure modes of specimens
1.2.2試驗結果
40個受壓試件的測試結果如表2及圖2所示。材料壓縮模量根據GB/T 1448—2005的規定計算，計算式如下：
表2 壓縮強度和壓縮彈性模量Table 2 Compressive strength and compressive moduli of elasticity
(1)
式中：Ec為壓縮彈性模量；
σ0.0025為0.002 5應變對應的應力；
σ0.0005為0.000 5應變對應的應力。
試件編號中間的30表示試件長度為30 mm。
a—PA6；
b—PVC；
c—FR4；
d—PEEK。圖2 應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves
1.3 導熱系數測定試驗
導熱系數測定試驗采用雙試件裝置方法，該方法的試驗原理為在試件之間建立均勻的一維熱流密度，測量通過試件的熱流大小以及試件的溫度變化來計算導熱系數。采用沈陽合興牌的智能化導熱系數測定儀DRCD-3030進行導熱系數測量，導熱系數測定結果如表3所示。
表3 導熱系數測定結果Table 3 Measured thermal conductivity coefficients W/(m·K)
2.1 屈服點
馮鵬等提出了一種屈服點定義的簡化方法：“最遠點法”[20]，即曲線上距離原點和峰值點連線最遠的點為屈服點，如圖3所示。鄭休寧等建議采用Coplan法來確定PVC-U管材的屈服點[21]，認為Coplan法更接近ISO 527-1∶1993中對于屈服點的定義。Coplan法(圖4)規定，平行于原點與峰值點連線的直線與應力-應變曲線相切，其切點為屈服點[22]。“最遠點法”跟Coplan法雖然表述不同，但是兩種方法所確定的屈服點基本相同。
圖3 確定構件屈服強度的最遠點法[20]Fig.3 The Farthest Point Method to determine the yield strength of members
圖4 Coplan法[22]Fig.4 The Coplan Method
試件編號中間的300表示試件長度為300 mm。
PA6、PVC和PEEK為延性材料，按“最遠點法”確定的各試件屈服點如表4所示。FR4屬于線彈性材料，不存在屈服點。
表4 測試得到的各試件材料屈服點Table 4 Tested yielding points of specimens
2.2 應力-應變曲線擬合
(2)
式中:σ、ε分別為名義應力和名義應變；
E為壓縮彈性模量；
ε0為屈服應變；
εc為壓縮強度應變；
a、b、ai均為待定參數。
FR4為線彈性材料，應力-應變曲線全階段按σ=Eaεb進行擬合。
對于待定系數，運用Matlab軟件，采用最小二乘法進行擬合。理論上，n值越大，曲線擬合精度越高，但為了提高擬合效率，擬定n的取值為4，擬合結果如圖5和表5所示。圖5中的數據標識分別為屈服點和壓縮強度點，每段擬合曲線的擬合優度R2和均方根誤差σ′。
表5 參數擬合結果Table 5 Parameters determined by fitting
由圖5可知：屈服點前，各曲線段擬合優度都超過0.95，擬合效果良好；
屈服點后，由于試件生產批次等原因，導致同一材料不同試件之間有較大差距，屈服點后擬合優度偏低，但各曲線的均方根誤差值在3以內，擬合結果仍具有參考性。相關擬合結果分析如表6所示。
表6 擬合結果與試驗數據對比Table 6 Comparisons between fitting results and testing data
4種材料基本力學和熱工性能試驗結果以及材料成本匯總于表7。
表7 試驗結果對比Table 7 Comparisons of experiment results
對PA6、PVC、FR4三種材料的綜合性能進行定量分析。
定量分析采用以下模型：
(3)
式中：ηc、ηλ、ηP分別為抗壓強度、導熱系數和成本的控制因子；
σ、λ、P分別為不同材料的壓縮強度、導熱系數及成本；
σ0、λ0、P0分別為壓縮強度、導熱系數及成本的基準值，其取值為PA6材料的各項指標值。
a—PA6；
b—PVC；
c—FR4；
d—PEEK。圖5 應力-應變曲線擬合結果Fig.5 Stress-strain curves obtained by fitting
不同材料定量分析的結果如圖6所示。可見：FR4的綜合性能最高，PA6次之，PVC最低。不過，該模型抗壓強度、導熱系數、成本對綜合性能的權重都為1，實際工程應用可能會與之不符。因此上述對比結果僅供參考，實際應用中應結合具體情況具體分析。
圖6 不同材料綜合性能對比Fig.6 Comparisons of comprehensive performances between different materials
遴選出PA6、PVC、FR4和PEEK 4種材料用于結構斷橋連接，并對4種材料的基本力學性能和熱工性能進行了試驗研究，包括40個試件的壓縮性能試驗和12個試件的導熱系數測定試驗，通過試驗結果分析得到以下主要結論：
1)PA6、PVC和PEEK材料呈延性破壞模式，FR4材料呈脆性分層破壞模式；
利用“最遠點法”得到了PA6、PVC和PEEK材料的屈服強度分別為60.1，50.4，125.8 MPa。采用Sherwood-Frost本構模型擬合得到了4種材料的受壓應力-應變本構關系。
2)試驗測得PA6、PVC和FR4 3種材料的導熱系數值分別為0.175 5，0.142 4，0.231 8 W/(m·K)。
3)PEEK材料由于成本過高，不適宜作為熱斷橋材料應用；
對PA6、PVC和FR4的力學、熱工性能、成本三方面的綜合性能η進行定量分析，表明FR4的綜合性能最好，PA6次之，PVC最低。