玻璃纤维布GFRP改善SIP结构绝缘板力学性能的试验研究

玻璃纤维布 GFRP改善 SIP结构绝缘板力学性能的试验研究

景萌

淄博职业学院建筑工程学院 山东 淄博 255000

摘 要：SIP结构绝缘板（Structural Insulated Panels）作为一种高效节能的建筑方式，在世界范围内得到了广泛的应用。本文采用GFRP玻璃纤维（Glass Fiber Reinforced Polymer）片材作为SIP板的增强材料，以提高其力学性能。共制作了18个试验样本。其中6个试件为普通的SIP板，用作对照样本，12个试件为在SIP板的面板和泡沫芯之间粘贴不同GFRP片材。本文通过18个试件的抗压和抗弯试验的对比研究，对这种新型SIP面板的力学性能进行了深入分析。结果表明，这种GFRP增强后的新型SIP板材具有较好的承载能力和延性。

关键词：结构绝缘板（SIP）；玻璃纤维增强聚合物（GFRP）；压缩试验；弯曲试验；机械性能

一、概述

将SIP结构绝缘板（Structural Insulated Panels）应用于房屋结构的想法始于20世纪30年代的美国。目前，SIP板已经作为一种节能板材在世界范围内广泛应用于建造住宅和轻型商业建筑的墙体、楼板和屋面板。一般来说，SIP板是一种复合建筑材料，由两层结构板夹心而成，中间有一层泡沫隔热层，如图1所示。面板的面层通常为纤维水泥板、胶合板或定向刨花板（OSB）。用作核心基材的材料为合成硬质泡沫，如挤塑和发泡聚苯乙烯（XPS和EPS）或聚氨酯（PUR）。泡沫芯和面层之间的界面由一层粘合剂组成，主要防止相对运动^[1,2]。SIP以类似于工字梁形状的方式承载荷载：面板的作用类似于工字梁的翼缘，承载大部分力矩，而泡沫芯的作用类似于承载剪力的腹板^[3,4]。

图1 结构绝缘板的组成和应用部位

GFRP玻璃纤维片材（Glass Fiber Reinforced Polymer）是由玻璃纤维增强的聚合物基体制成的复合材料。其重量轻、厚度薄、强度重量比高、易于搬运和应用、耐腐蚀性强，目前已经广泛地应用于梁、柱和桩等结构构件维修和加固改造工程中。

本文采用GFRP片材作为增强材料对普通SIP板进行了升级改造，并对其力学性能进行了试验分析，以便于后续对这种新型SIP板材研究工作的进一步开展。

二、试验过程

（一）试件所用材料性能

本试验中SIP板的面板材料为纤维水泥板，每个面板的最小公称厚度为10mm，根据泰国标准规范TIS 1427-2547制造。表1给出了纤维水泥板的性能。

表1 纤维水泥板的力学性能 ^[5]

本试验中SIP板的芯材为EPS泡沫，最小厚度为75mm^[6]。表2给出了EPS泡沫芯板的各项性能指标。用于将芯板结构层压到面板上的粘合剂为符合ASTM D2559的II型2级聚氨酯粘合剂，剪切强度为15.40 MPa，非均匀剥离强度为14 kN/m ^[8]。

表2 EPS 泡沫芯板的力学性能^[7]

为了研究GFRP玻璃纤维片材加固对SIP板力学性能的影响，在本试验方案中，使用两种类型的GFRP片材粘贴在EPS泡沫芯板的两面，即泰国ASKN公司的产品KNA 206和KNA 310。表3给出了这两种GFRP片材的性能指标。

表3 GFRP 片材力学性能 ^[9]

（二）试件的制作和试验过程

共制作18个试件用以研究新型SIP板的力学性能。18个试验样本分为两组，分别完成抗压试验抗弯试验。每组包括三种不同类型的SIP板材，分别命名为SIP-N、SIP-206和SIP-310，每种类型制作3个试件。SIP-N为普通的SIP板材，用作对照样本。SIP-206和SIP-310是本文提出的新型SIP板材，分别使用不同的GFRP片材KNA 206和KNA 310粘贴在泡沫芯板的两侧，然后在芯板两侧粘贴纤维水泥板面层，如图2所示。抗压试验采用的试块为尺寸0.15m×0.15m×0.1m的长方体。抗弯试验采用的试件为尺寸0.15m×0.10m×0.7m的小梁，并根据试验标准ASTM E72[10]进行试验。

图2 SIP-206, SIP-310新型片材 图3 荷载-挠度关系曲线

三、试验结果和分析

1. 压缩试验

试件SIP-N、SIP-2-6和SIP-310的抗压强度分别为33.71kg/cm²、38.45kg/cm²和41.8kg/cm²。典型的失效模式是泡沫芯板和面板之间的界面剥离开裂。

(二) 弯曲试验

试样SIP-N、SIP-206和SIP-310的抗弯强度分别为11.7 kg/cm²、15.8 kg/cm²和17.2 kg/cm²。在试样SIP-N中观察到泡沫芯板中存在剪切裂缝，表明其破坏模式为剪切破坏。在试样SIP-206和SIP-310中，泡沫芯板中也出现剪切裂缝，并且在试件跨中位置出现弯曲裂缝。可以得出结论，SIP内部的GFRP片材有效地帮助抵抗纤维水泥面板层中的拉伸应力和泡沫芯板层中的剪切应力。

图3绘制了试验梁的加荷荷载和跨中弯曲挠度发展的关系曲线。所有试样在开始弹性阶段后均表现出塑性。与SIP-N面板相比，SIP-206和SIP-310表现出更好的延展性，具有相当大的非线性范围。SIP-206试件破坏时的挠度为6.8mm。SIP-206和SIP-310试件破坏时的挠度分别为9.17 mm和10.47 mm。可以看出，内部加固的GFRP片板显著提高了SIP板的延性，抗弯承载力明显增强。GFRP的抗拉强度越高，其影响越显著。在相同荷载水平下，SIP-206和SIP-310的挠度小于SIP-N，表明新型GFRP-SIP板的刚度也有所增加。

4. 结论

为了提高SIP板的力学性能和扩大其应用范围，本文提出了一种新型SIP板材。将不同抗拉强度的GFRP片材粘贴在原SIP板的面层和芯层之间。与原始类型的SIP相比，这种新型 SIP板具有许多优势。其优点包括重量轻、厚度薄、成本低、耐火性好、易于制造。通过试验分析研究了这种新型SIP体系的压缩和弯曲性能。研究结果表明，这种新型GFRP-SIP板具有较高的承载能力，在破坏时表现出更好的延性和更大的刚度。该试验结果为后续进一步研究SIP板应用于墙体和屋面板提供了可能。

参考文献

[1] Bregulla, J. Investigation into the fire and racking performance of structural sandwich panel walls - a methodology to assess load bearing sandwich panel walls in fire. PhD Thesis, University of Surrey- Department of Civil Engineering (2003)

[2] F. H. Fouad, J.Farrell, M.Heath, A,Shalaby and A. Vivhare, Behavior of the MR sandwich panel in flexure. ACI Material Journal. Vol. 260, 73-89 (July 1, 2009)

[3] Morley, Michael. Building with Structural Insulated Panels (SIPs): Strength and Energy Efficiency Through Structural Panel Construction. The Taunton Press. (2000).

[4] Khalid M. Mosalam, Joseph Hagerman and Henry Kelly. Seismic evaluation of structural insulted panels. 5^th International Engineering and Construction Conference, Los Angeles, (August 27-29, 2008)

[5] The physical properties of fiber cement. Mahaphant Fiber-Cement Public Company Limited (MFC) (2009)

[6] Foam Block, Foam Sheet. Poly Foam Industries Company Limited, THAILAND (2010)

[7] The mechanical properties of the foam. Poly Foam Industry Company Limited, Bangkok, Thailand (2009)

[8] Adhesive Properties in the construction industry. J. S. Chem Limited Partnership, Bangkok, Thailand (2010)

[9] The mechanical properties of fiber glass related products. Asia Kangnam Company Limited, Thailand (2010)

[10] Standard Test Methods of Conducting Strength Tests of Panels for Building Construction. ASTM E 72-05. ASTM International. West Conshohocken, U.S. (May 2005)