多孔结构建筑材料力学性能的有限元分析
李灿 田忠喜 邢帅 张传帅 田哲
【摘? 要】多孔材料是一种新兴的材料，制备较易，成本较低。相对于一般连续介质材料而言，多孔材料具有比强度高、比表面积高、相对密度低、重量轻、隔音、隔热等优点。它最大的特点是具有排列规则、大小可调的孔道结构，在建筑材料中也有很多的應用。因此，对非均匀孔洞与均匀孔洞建筑材料力学性能的研究是很重要的课题。论文通过建立非均匀孔洞和均匀孔洞的有限元模型，对比分析两种模型的受力性能，更好地进行多孔建筑材料的推广和使用。
【关键词】多孔建筑材料;非均匀孔洞;均匀孔洞;力学性能
【Abstract】Porous material is an emerging material that is easier to prepare and less costly to prepare. Compared with the general continuous media materials， porous materials have the advantages of high specific strength， high specific surface area， low relative density， light weight， sound insulation， heat insulation and so on. It is characterized by regular arrangement and adjustable size of the pore structure， and has many applications in building materials. Therefore， it is very important to study the mechanical properties of non-uniform cavity and uniform cavity building materials. By establishing the finite element model of non-uniform cavity and uniform cavity， the paper compares and analyzes the mechanical properties of the two models， so as to promote and use the porous building materials better.
【Keywords】porous building materials; non-uniform cavity; uniform cavity; mechanical properties
1 引言
多孔材料内部有一系列相互连通或封闭的孔洞，构成网状结构。多孔材料性能优良，具有较高的孔隙率和比面积、良好的化学性能、物理性能、吸附性能和渗透性能。目前已经成为重要的功能结构材料，广泛应用于石油化工、航空航天、建筑材料、过滤分离等领域，并作为催化剂、超级电容器、吸附剂和过滤装置等使用[1]。但是多孔材料在制作工艺上也存在一定的困难，在制作材料时，孔洞要与承压面垂直，这就对原材料的要求比较高，在多孔材料的制备技术研发上能力不足，生产效率低下。此外，在制备过程中，对材料中的孔径及孔隙度等微观结构仍不能进行很好的控制与调控。近年来，我国也在不断推进对多孔材料的制备及应用研究，并且取得了很大进展。
多孔结构材料在建筑材料中的应用很多，主要集中在砌筑材料和混凝土材料，如焦渣空心砖、水泥空心砖、小型混凝土砌块、空心粘土砖、加气混凝土砌块等以及加气混凝土、大孔性混凝土、粉煤灰加气混凝土等。多孔材料中非均匀孔洞与均匀孔洞对材料性能的影响是不同的。本文基于ABAQUS软件，通过建立非均匀孔洞模型和均匀孔洞模型，分析研究其对材料性能产生的不同影响。
2 多孔材料的特性
多孔材料是一种特殊的结构，可以看作材料与空气的复合材料，这样不仅可以减轻材料的质量，又可以很好地实现各种功能。由于具备很多优异性能，多孔材料在航空航天、石油化工以及建筑工程等领域都具有广泛的应用价值。
①质量轻，强度高。多孔材料内部有很多孔隙，或分布均匀，或分布不均与，比强度和比模量高。例如，泡沫铝的表观密度为200～500kg/m3，屈服强度为20～60MPa，比强度在0.04～0.3MPa·kg/m3，远高于普通混凝土0.012MPa·kg/m3和低碳钢0.053MPa·kg/m3的数值[2]。轻质高强材料应用于新型墙体中，既能确保材料轻质环保又能满足高层建筑墙体要求，促进了我国建筑材料行业的发展。
②吸声性能好。多孔材料由于具有大量内外连通的孔洞和孔隙，当声波射入内部时，会引起空隙中空气的振动。孔隙内空气的黏滞效应导致曳力引起空气表面产生剪应力，从而产生声阻尼，使声能转换为热能[3]。在材料进行安装时，多孔材料背后留有空腔，低频的吸声系数会有所提高。例如，无机高强隔声板是一种既可以隔声又能够防潮防腐的板材。当室内湿度偏高时，多孔结构可以吸收湿气，调节湿度，使它具有良好的透气性能。
3 非均匀孔洞与均匀孔洞对材料性能的影响
3.1 模型建立
为了说明非均匀孔洞的力学性能优于均匀孔洞，本文做的非均匀孔洞模型为边长L=20mm的正方形单向板，高为10mm，其中上半部分内嵌3排10列半径R=0.5mm的圆，下半部分内嵌1排5个半径R=1.5mm的圆。另外做1个相同大小的均匀孔洞模型用于对比，内嵌4排13列半径R=0.6mm的圆，并保证两种模型孔洞的体积分数相同，经计算，体积分数均为29.4%。非均匀孔洞模型和均匀孔洞模型如图1和图2所示。
有限元网格划分采用三角形单元。边界条件采用四边简支的方式，即设置底面（Z=0的面）四条边为：U3=UR1=UR2=0，其中U3为Z方向的位移，UR1、UR2分别为X、Y方向的转角。分别在非均匀和均匀孔洞模型的上表面上施加均布载荷，大小为1MPa。边界条件和加载情况如图3和图4所示。
通过研究发现，孔洞分布是否均匀会对材料的性能产生影响。对平板施加均布荷载后，根据ABAQUS软件的分析结果，对荷载作用下材料性能进行具体研究，比较均匀孔洞模型和非均匀孔洞模型的最大应变量和最大应力。
3.2 有限元分析
当均布荷载作用在非均匀孔洞模型时，孔洞边缘出现了明显的应力集中，如图5和图6所示。
孔两侧出现最大压应力，孔顶和顶底出现最小压应力，但没有出现拉应力，这种加载和受力状态与弹性力学中的基尔斯解答是相符的。且最大压应力出现在大孔两侧。为避免孔上部及两侧应力叠加，造成不利的应力状态，孔间距不易小于5r。
当均布荷载作用在均匀孔洞模型时（见图7和图8），孔洞边缘也出现了明显的应力集中，但最大和最小孔边应力都明显大于非均匀孔洞结构。
由图可见，在相同荷载下，非均匀孔洞模型的最大应变明显低于均匀孔洞模型的值。这说明均匀孔洞模型容易发生很大的变形，从而引起复合材料层乃至整个机构的损伤，最大应变显然与孔洞的分布密切相关。不论是均匀孔洞还是非均匀孔洞，在孔边都出现了明显的应力集中，但非均匀孔洞结构使最大和最小孔边应力都明显小于均匀孔洞结构。
3.3 实验结论
通过对非均匀孔洞模型和均匀孔洞模型的有限元模型分析，发现在孔洞体积分数相同的情况下，并且载荷也相同的条件下，非均匀孔洞结构的最大应力和最大应变均明显小于均匀孔洞。非均匀孔洞模型通过在外层排列细而密的孔，在内层排列较大的孔，使结构具有更好的弯曲刚度和稳定性，实现了用最少的材料来承担最大的外荷载。
4 多孔材料在建筑领域应用中的问题
多孔材料之所以得到推广，与其在建筑结构、建筑节能、装配式建筑等诸多领域中潜在的应用价值密不可分。随着材料制造技术的进步，人们对材料性能认识的不断深入，多孔材料必将在建筑领域发挥日益重要的作用，但是目前仍然存在一些需要解决的问题：
①多孔建筑材料的制備技术和研发能力欠缺，一些新工艺的工业化程度不高，生产效率较低。
②某些多孔建筑材料的制备工艺非常烦琐且复杂，对生产设备的要求相对较高，仅适合在实验室内研究却不适合在实际中推广应用。
③大规模生产的多孔和建筑材料，抗震及腐蚀等性能，难以满足特定环境的应用环境要求。
④多孔建筑材料的开孔率对建筑物影响很大，开孔率对建筑物整体的观光性、透气性、吸声性、耐久性、抗震性、保温性的综合作用需要进一步的探索研究。
⑤不同孔型多孔建筑材料的物理性能及力学性能，以及对建筑物的影响作用尚需研究。
5 结语
纵观多孔材料的发展历程，正在向一个新的时代快速前进。本文通过建立非均匀孔洞模型和均匀孔洞模型的有限元模型分析可得，在外层排列细而密的孔，在内层排列较大孔的非均匀孔洞材料，结构具有更好的弯曲刚度和稳定性。在建筑领域，要充分发挥多孔材料轻质高强、吸声性能好等特性，提高对多孔建筑材料的研发能力，加强工业化程度，进一步开展对多孔建筑材料透气性、抗震性、耐热性等综合作用的研究。
【参考文献】
【1】马玉，明广天，班青，等.多孔材料的合成研究与应用[J].齐鲁工业大学学报（自然科学版），2016，30（03）：14-19.
【2】魏剑，桑国臣.金属多孔材料在建筑领域的应用展望[J].热加工工艺，2009，38（22）：59-63.
【3】卢天健，Iain D. J. Dupère，Ann P. Dowling.多孔泡沫材料的声吸收特性[J].西安交通大学学报，2007（09）：1003-1011.
