关于装配式钢结构建筑用围护材料的强韧化研究

　　摘要：针对装配式钢结构建筑所需的墙体材料，分析固溶和相变等传统强化手段，没有改变无机非金属材料的韧性，从而提高了材料的强度原理基础上提出了“功能+基元+序构”新的研究范式，探讨非均匀异构材料由于应变梯度效应和背硬力实现强韧化的路径，进而取得轻质高强墙体围护系统材料。

　　0.引言

　　装配式钢结构建造方式，被列入国家“十四五”规划。以工程全寿命期系统化集成设计、绿色化、精益化生产施工为手段，通过新一代数字化信息技术驱动，整合工程全产业链、价值链和创新链，达到高效益、高质量、低能耗、低排放，实现建筑业绿色和高质量发展转型。在推进钢结构装配式建筑方式时，配套的围护体系内外墙板材料至关重要。

　　1.传统墙体围护系统材料强化作用原理

　　1.1固溶强化

　　固溶强化是目前墙体围护系统材料领域使用最广泛、也是最成熟的一种强化方式。通常，在墙体材料生产过程中加入钢筋，形成以钢筋增强韧性的方法而仍保持墙体系统中非金属无机材料的特性。如最常见到的加气混凝土墙板中配置钢筋等，都是通过利用钢材的韧性而产生强化作用。

　　1.2相变强化

　　相变强化是指通过对原墙体围护系统无机非金属材料与金属材料进行一定的热融处理，而使原墙体围护系统无机非金属材料与金属金属转变成另一种晶体结构的组合方式，起到强化效果。

　　传统的两种墙体围护系统材料强化手段，大多没有改变无机非金属材料的韧性，以此提高材料的强度。其研究范式为“成分-架构-性能”的思想。

　　2.新型墙体围护材料强韧化研究

　　国家“十四五”规划纲要中，提倡发展钢结构住宅，其中最为关键的核心问题之一，是要有轻质高强高性能的围护系统材料与钢结构建筑体系性能相匹配。当前市场上单一建筑材料难以适应钢结构建筑体系的要求。为此，要用材料研究的新思想、新思维、新方法方案解决装配式钢结构建筑新技术需求，快速发展改变现有材料不能满足功能的矛盾以颠覆性的思维模式。提出“功能+基元+序构”的新材料研究新范式路径，探讨实现大量变革性和颠覆性的轻质高强高性能新型建筑复合材料。

　　2.1墙体围护系统材料的强度与韧性分析

　　从“功能+基元+序构”复合新材料研究的新范式出发，将墙体围护系统材料设计成梯度结构、层片复合材料结构。此举均被证实能够有效地提高材料的韧性性能。与传统材料的均匀结构相比，这些拥有新型的微观结构特征的材料被称为具有韧性的高性能“异构材料”。目前，轻质高强墙体围护系统材料研究的热点主要集中在：梯度结构、层片结构、双相结构、双峰结构、多级结构及纳米孪晶结构等异构材料。简单来说，这些异构材料共同的特点是在完整结构中都存在“软区”和“硬区”的结构单元，这些力学性能不同的区域在发生塑性变形时，在界面处会产生较大的应变梯度，软相和硬相之间会产生较大的长程背应力。从而，由于应变梯度效应和背应力硬化来提高强度和塑性。

　　2.2墙体围护系统非金属无机材料晶体结构与性能机理分析

　　大多数墙体围护系统材料都是非金属无机材料。它们在其微观世界里是由一个个原子按照特定规则排列成晶胞，再通过晶胞的周期性重复组成大小、方向不同的晶粒，单个晶粒的尺寸从几纳米到几十微米，甚至到厘米量级不等；宏观上再由这些晶粒堆叠成墙体围护系统材料的实际物质。事实上，由原子完美排列形成的理想晶体是不存在的。理想晶体变形时所需的理论剪切应力约为几十兆帕(σCu=30 GPa)，而实际晶体在几十至几百兆帕的应力下就开始变形(σ′Cu≈70 MPa)，两者相差3个数量级。这两者的巨大差距最初由Orowan，Taylor和Polanyi在1934年分别独立提出的“刃位错”概念加以解释，随后通过透射电子显微镜直接观察到位错而证实。实际的墙体围护系统非金属无机材料晶体中含有大量的点缺陷(空位)、线缺陷(位错)、面缺陷(晶界、相界)等，刃位错即是一种线缺陷。“缺陷”一词虽带有负面意思，但对于墙体围护系统材料来说，它很大程度上决定墙体围护系统材料的性能（强度、导热系数和扩散系数等）。实际上，墙体围护系统材料发生塑性变形，主要通过材料内部位错的滑移及位错的交互作用进行。这使得我们采用“功能+基元+序构”的方式可以通过设计调控缺陷的种类、大小和密度等复合手段提高墙体围护系统材料的特定性能，从而增强其韧性，达到“强韧化”的目的。

　　2.3装配式钢结构建筑配套轻质高强维护系统材料探讨

　　2.3.1轻质高强围护系统材料研究热点

　　轻质高强墙体围护系统材料是一个既古老又充满挑战的学科。轻质高强墙体围护系统材料的“强韧化”，一直都是轻质高强墙体围护系统材料领域关注的难点和热点问题。依据“功能+基元+序构”材料研究新范式提出的“异构材料”，以及目前以发泡陶瓷为基材设计而成的“发泡陶瓷复合板”，都是轻质高强墙体围护系统材料发展历程中具有“里程碑”意义的新材料。这些新材料的发现和发明，不仅满足装配式钢结构建筑对轻质高强墙体围护系统特殊性能材料的追求，同时在节约社会资源、固废综合利用等方面发挥着重要的作用。轻质高强围护系统墙体材料的“强韧化”研究热点领域也存在很多科学问题亟待解决，这也是当前使得材料科学与其他学科的交叉融合势在必行。

　　2.3.2轻质高强墙体围护系统材料研究路径

　　“功能+基元+序构”的高性能围护材料研究新范式是以现有材料的功能+基元为基本单元，通过不同的材料空间序构的组合构成具有突破性、颠覆性宏观性能的高性能建筑围护材料。“功能+基元”是在特定材料层次和宏观性能之间引入具有特定功能的中间结构层次，“序构”是指人工设计制造的特定结构单元的堆垛及排列方式（有序加工和梯度结构）。

　　3.“功能+基元+序构”新材料开发成果介绍

　　以笔者研发的基于“功能+基元+序构”新材料开发课题的发泡陶瓷复合墙板材料为例，下面将该课题的研究目标、关键核心科学和技术问题以及重点研究方向予以介绍。

　　3.1研究目标

　　本研究瞄准高性能建筑围护材料的科学和技术前沿，通过不同的中间材料的功能基元采用有序结构及梯度结构的序构方式开发新型高性能建筑围护材料，满足建筑结构，建筑节能和服役工况条件复杂对建筑围护材料的需求，解决高性能建筑围护材料的关键核心科学和技术问题，揭示高性能建筑围护材料体系通过“功能+基元+序构”材料研究的新范式进行新材料开发所蕴含的规律，建立一套开发高性能建筑围护材料相适应的建筑围护材料系统设计理论，发展建筑围护材料设计的新原理和先进层压制备技术，逐步实现按需设计变革性和颠覆性新材料的目的，提高建筑围护材料领域的持续创新能力。

　　3.2高性能建筑围护材料的关键核心科学和技术问题

　　高性能建筑围护材料需要满足诸多服役工况复杂的性能要求于一体。例如，保温性能，隔热性能，耐久性能，防火性能，防水性能，抗震性能，抗风性能，装饰性能等一系列的性能要求，其中最为关键的核心科学和技术问题主要有以下四个方面的问题亟待研究解决：

　　3.2.1建筑围护材料功能基元的本征特性对建筑围护体系宏观性能的影响规律及其调控机理，明确建筑围护材料的功能基元与建筑围护体系宏观性能的关联，发现和构筑影响建筑围护体系宏观新奇物性的建筑围护材料关键功能基元。

　　3.2.2建筑围护材料功能基元的序构对建筑围护体系宏观性能优化增强的作用规律，序构引发的功能基元之间的耦合增强效应，明确序构影响建筑围护体系宏观性能的物理机制。

　　3.2.3揭示建筑围护材料“功能+序构”的协同关联效应，揭示超越材料功能基元本身的的高性能甚至全新性能，阐明“功能+基元+序构”与建筑围护体系宏观性能的关联，建立按需设计“功能+基元+序构”的高性能建筑围护材料的方法。

　　3.2.4“功能+基元+序构”的高性能围护复合材料的制备技术和表征技术，发展多层层压制备“功能+基元+序构”的高性能建筑围护材料（超材料）新方法与新技术，发展人工序构材料的结构和性能表征技术，探索其中的科学和技术问题。

　　3.3目前重点研究方向

　　当前制约装配式钢结构建筑，特别是“十四五”期间钢结构住宅要获得快速发展的问题是开发出与装配式钢结构建筑相匹配的高性能建筑围护材料，主要要开展以下两个方面的研究工作：

　　3.3.1突破现有建筑围护材料的性能，重点解决传统建筑围护材料强度与韧性相矛盾的问题，实现综合性能优异的轻质高强的新材料。

　　3.3.2面向保温隔热节能的绝缘材料，开发“无机-有机”复合“功能基元+序构”的高性能绝缘材料一体化新材料，满足低能耗和超低能耗的建筑节能要求，实现建筑业的“碳中和”。

　　4.“功能+基元+序构”研究范式下的成果

　　发泡陶瓷是一种新型的烧结墙体材料，具有容重轻（400kg/m³）、强度高、闭孔不渗水等优良特征，是一种难得与钢结构建筑体系相匹配的材料；但其脆性大，笔者在研究中，为了克服其脆性，通过A2矿物防火板采用双界面的结构梯度引入A2矿物防火板应用OSFUs方法来制造致密的“超材料”。这种发泡陶瓷复合板“超材料”的强度和韧性显著提高，不仅是由于A2矿物防火板纤维作为功能基元的排列更加整齐，同时，在处理过程中，功能+基元之间引入了许多化学键，从而有效地促进了功能+基元的有序化和致密化。实践中观察到有序的间隙配合物的形成，有助于提高发泡陶瓷复合板的强度和延展性。在这种情况下，功能+基元可以调节位错的类型，调节位错运动和增殖的平衡，从而改善发泡陶瓷复合板的力学性能。该实例清楚地证明了OSFUs策略可以帮助开发高性能的力学材料。

　　5.总结与展望

　　本文总结了笔者近年来采用“功能+基元+序构”设计在装配式钢结构建筑配套应用墙体材料研究设计方面的应用实例。为了进一步扩大这一概念的应用和影响，面对存在的挑战，需要建筑师、结构工程师、材料工程师和其他工程师的共同努力。

　　5.1与功能基元和序构有关的宏观性质。

　　应将重点放在功能基元的内在特性及临界尺寸，和多层次和跨尺度的耦合效应上。要为特定的系统建立理论框架，在此基础上进行仿真或设计，以避免繁琐的试验和试错工作。

　　5.2材料制备和加工。

　　该策略实际上给合成和制造过程增加了额外的复杂性。传统的化学或物理方法需要进一步探索，以满足交叉尺度上结构的研究；智能制造技术和增材制造等工程处理方法与化学/物理方法相结合，可能会有很大的潜力。

　　5.3材料表征。

　　表征单个功能基元和整体序构，如形态、微观结构和化学成分，以及物理性能的测量。这对于理解交叉尺度中的耦合效应是非常重要的。

　　5.4功能驱动建筑系统集成。

　　“功能+基元+序构”研究也可以从某一系统的功能或性能需求出发。它将基础研究直接与整个建筑系统联系起来，这是研发过程的最后一步。随着“功能+基元+序构”性能的显著提高，我们相信它们在装配式钢结构建筑中的应用将更加高效。

　　参考文献

　　[1]潘金生，仝键民，田民波，材料科学基础（修订版).北京：清华大学出版社，2011

　　[2]卢柯.梯度纳米结构材料.金属学报，2015，51（1）：1-10

　　第一作者介绍

　　蔡玉春，博士，国家钢结构技术研究中心首席专家，中国钢结构协会专家委员会副主任委员，钢结构大师，中国建筑卫生陶瓷协会发泡陶瓷产业推进发展顾问，中国绝热节能材料协会副总工程师，中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司研发中心首席专家、名誉主任。国家“863”课题项目、“十三五”国家重大研发专项“钢结构建筑产业化关键技术及示范”的子课题《新型框架钢结构体系建筑产业化技术与示范》（课题编号2017 YF 0703802）、《钢结构建筑轻质环保围护体系技术与产业》（课题编号2017 YF 0703807）课题负责人。鉴于他在工程技术事业做出突出贡献，国务院对其发放政府特殊津贴并颁发证书。

　　联络作者

　　赵洋，大学本科，津西集团销售公司市场推广营销工程师。联系电话：18631533889