玻璃纖維 馬耀涵學習翻譯

第一作者：Gregory Woltmana, Martin Noel b, Amir Fama,

研究亮點：玻璃纖維剪力連接件保溫混凝土夾芯闆熱性能的試驗和數值研究

研究簡介：

采用熱箱裝置測試了一種由混凝土、隔熱材料和連接件組成的結構夾層闆的新設計，以評估其熱性能和能效。預制面闆的三種材料被布置成提供結構和熱效率。這項工作的主要目的是找到不同設計的新面闆的熱阻( R值)。使用熱箱方法測試了十種不同的面闆。每個面闆都有獨特的設計，以确定設計對面闆熱性能的影響。設計參數包括連接件的數量、尺寸、分布和材料，以及混凝土螺柱的數量和間距。

要點一：玻璃纖維剪力連接件保溫混凝土夾芯闆熱性能的試驗和數值研究簡介

空間加熱和冷卻不斷增加的經濟和環境成本重新引起了人們對改善建築圍護結構熱阻的興趣。與此同時，不斷上漲的建築成本正促使設計者選擇預制構件，這些構件的施工質量控制更高，比傳統施工時間更短。預制混凝土夾層闆( CSPs )，也稱為隔熱混凝土牆或整體隔熱牆，是滿足這兩種需求的熱效率高的預制構件。CSPs的熱特性主要取決于絕緣層、連接器元件和内部外殼的特性。由于外部隔熱層位于隔熱層之外，并且通常對熱傳遞幾乎沒有阻力，所以它對面闆的熱效率幾乎沒有影響。在現代CSPs中，絕緣層由1到4英寸的膨脹或擠壓聚苯乙烯絕緣層組成。隔熱層的穿透降低了隔熱層的電阻，稱為熱"橋"。熱橋的主要來源是在兩個翼之間傳遞結構力的連接件。通過連接器的熱傳遞取決于所需連接器的數量、連接器所用的材料以及每個連接器的尺寸。但是，需要大面積的混凝土，這就形成了一個巨大的熱橋。

在過去的二十年裡，不斷上漲的能源價格鼓勵了傳統鋼筋設計的替代品的開發，[ 8 ]。玻璃纖維增強塑料(也稱為玻璃纖維)材料的導熱率明顯低于鋼(範圍在鋼的1 / 60到1 / 13之間)，并且需要比混凝土更少的橋接面積來将兩個腹闆固定在一起，[ 18，5 ]。然而，盡管有一些關于結構性能的研究(例如，[ 6，16，3，4，15，10，11，17 )，但關于玻璃纖維增強塑料加固件熱性能的研究非常有限，特别是對于全尺寸牆闆。所以研究關于玻璃纖維增強塑料剪切連接件的碳纖維增強塑料熱效率的極其有限的數據做出貢獻。

要點二：研究關于玻璃纖維增強塑料剪切連接件的碳纖維增強塑料熱效率的面闆設計

CSPs由兩個50毫米厚的混凝土闆組成，由150毫米厚的硬質泡沫絕緣材料隔開。如圖2所示，混凝土柱放置在隔熱層内。螺柱與頁眉和頁腳相連，但沒有直接連接到兩個翼闆中的任何一個。剪力連接件用于連接穿過混凝土螺柱的兩個腹闆。螺柱的目的是支撐連接件，以減少其剪切變形，從而增強面闆的整體複合作用。連接器使用兩種材料，即玻璃纖維增強塑料和不鏽鋼。玻璃纖維增強塑料連接器具有直徑為6.3毫米、9.5毫米或12.7毫米的圓形橫截面，并且兩端都被削尖，以便于安裝和避免出現在牆壁的兩側。它們的表面用螺旋槽砂紙打磨，以增加抗拔力。

圖2 測試面闆結構

要點三：實驗結果

1 .校準測試

在CSP測試之前，對已知導熱系數的泡沫絕緣片進行測試，以确定計量室的未知熱洩漏年齡。泡沫闆的厚度為100毫米。輸入能量和能量損失由公式1至9确定。輸入和輸出能量之間的任何差異都被認為是通過計量室壁和計量室與氣候室之間的連接空間( Qleak )的未确定的能量洩漏。校準測試在不同的外部環境條件下重複三次，以确保結果一緻。通過三次校準測試獲得的平均未确定熱洩漏約為總能量的5 - 7 %。對于本研究的目的，CSP試驗的估計洩漏損失最初被視為輸入能量的5 %。

2 .CSP測試

如表1所示，在熱箱設備中測試了10塊面闆。測試結果總結在表3中。有時在同一樣本上進行幾項測試，以評估結果的可變性；這些測試結果用後綴"a"、"b"和"c"表示。基于校準研究的結果，CSP測試的估計熱洩漏損失被視為輸入能量的5 %。為了研究這一假設的含義，進行了從4 %到7 %的洩漏損失範圍内的靈敏度分析。如表4所示，假設的洩漏值對計算出的R值有很小的影響，但不是微不足道的；與表3中給出的R值的最大偏差約為10 %或更小。

關于計算的R值，其他因素也值得考慮。例如，加熱線圈的電阻(計算時取19歐姆)實際上在18.3歐姆和20.5歐姆之間波動。假設洩漏值為7 %，加熱線圈電阻的影響總結在表5中。在大多數情況下，加熱線圈電阻導緻計算出的電阻值變化約為20 %或更小，盡管在三種情況下差異超過30 %。

要點四：建模成果

根據一維傳熱模型預測的熱阻值總結在表6中。用簡單的一維模型預測的CSPs熱阻與實驗結果沒有非常好的相關性。從分析到實驗的比值範圍為15 %到 45 %。此外，連接器特性對使用這種方法的面闆的預測熱阻幾乎沒有影響，主要是因為它們的橫截面積小。為了進一步探索模型和實驗結果之間差異的潛在來源，我們進行了一項簡單的參數研究，以檢查對計算的R值所做的各種假設的作用。

1 .保溫材料和混凝土熱性能的影響

CSP中的聚苯乙烯泡沫塑料内部絕緣假定導熱系數為0.029毫焦/瓦( ASHRAE，1997年)。對于0.02至0.06範圍内的各種熱導率值，重複對樣品CSP 8的分析；結果總結在圖11(a )中。絕緣材料的熱導率對CSP的計算R值有顯著影響，從0.02瓦/毫瓦的熱導率的5.6毫瓦/瓦到0.06瓦/毫瓦的熱導率的2.07毫瓦/瓦。0.042瓦/毫瓦的熱導率值提供了一個與2.84毫瓦/瓦的平均實驗值相匹配的R值。平均而混凝土熱導率從1.4瓦/毫瓦變化到3從該分析可以清楚地看出，絕緣層的性能是影響CSPs熱阻的最關鍵參數。

就一維傳熱模型而言，還可以證明，在适當使用材料特性、熱損失值、環境條件的影響、波動條件、面闆均勻性以及确定将熱橋納入分析的最佳方式方面存在相當大的不确定性。所提出的模型是基于三條傳熱路徑組合的CSPs熱阻的簡單近似，但沒有考慮面闆各部件之間的相互作用和能量損失的可能性。

通過每種材料之間的界面。然而，泡沫隔熱材料的熱性能似乎對模型結果有最顯著的影響。建議對單個部件進行進一步測試，并對面闆各元件之間的熱相互作用進行更嚴格的分析，以便更好地理解帶有玻璃纖維增強塑料連接器的結構夾層面闆中的熱傳遞機制。

要點五：結論

為了研究新型玻璃纖維增強塑料剪切連接件的熱阻，進行了實驗測試。通常情況下，大型樣品在标準熱箱設備中進行測試，并使用一維傳熱模型預測結果。本研究旨在為目前關于玻璃纖維增強塑料剪切連接件的碳纖維增強塑料熱效率的極其有限的數據做出貢獻。根據這項研究的結果，可以得出以下結論:

1.玻璃纖維增強複合材料與鋼增強複合材料相比可提供同等或更好的熱阻，因為玻璃纖維增強複合材料的熱導率低于鋼，因此可将熱橋效應降至最低。實驗值在2.84到4.68毫焦/瓦之間，而鋼筋控制面闆的實驗值為2.74毫焦/瓦。

2.雖然混凝土螺柱的數量以及連接件的尺寸和數量對試驗R值有一定的影響，但與試驗結果的可變性相比，這些影響相對較小，并且一些趨勢是不确定的。

3.盡管為減少或控制測試和分析中的誤差付出了很大的努力，但觀察到實驗測試結果有很大的可變性。這些主要歸因于外部因素、不确定的熱損失和波動的綜合作用

當前測量值。在許多情況下，實驗的可變性超過了測試的不同面闆之間相對較小的設計差異的影響。建議對單個組件和接口進行額外測試，最好是在受控的室内條件下。

4.建立了一維傳熱模型，并用于估算玻璃纖維增強複合材料增強複合材料的阻尼比。由于模型固有的簡化和假設以及對輸入材料特性的敏感性，從分析到實驗的R值在15 %到 45 %之間。

5.内保溫泡沫層的導熱系數是影響模型中預測R值的最重要參數，而混凝土導熱系數對牆體預測R值的準确性影響不大。

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