蒸壓瓷粉加氣混凝土自保溫墻板力學性能研究

周學軍，張藝凡，王越，許國棟，赫連光澤

（山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南250101）

0 引言

大力推廣裝配式建筑是我國建筑業(yè)今后一個時期發(fā)展的方向［1］，而外圍護體系的優(yōu)劣是決定裝配式建筑成敗的關鍵。目前的工程實踐中，外圍護墻板主要有輕質條板類、骨架復合類和預制三明治大板等3種類型［2］。輕質條板類墻板主要指蒸壓加氣混凝土條板（ALC條板），這類條板自重輕，與主體結構連接簡便，方便裝配化施工，受到工程界的歡迎。然而，由于其自身保溫隔熱效果達不到節(jié)能75%的要求［3］，往往需要在其外側再做外墻外保溫，這就增加了工序和造價，同時外墻外保溫剝落的難題也沒有從根本上解決［4］。

蒸壓瓷粉加氣混凝土自保溫CF（Autoclaved Porcelain Powder Aerated Concrete Self-insulation）墻板是在普通加氣混凝土中，加入工業(yè)廢棄物陶瓷粉末，以生石灰、水泥作鈣質材料，按特定比例混合，采用物理和化學發(fā)泡技術成型，經(jīng)蒸壓養(yǎng)護而成的自身具有優(yōu)良保溫性能的輕質板材，是一種結構保溫一體化墻板［5］。

蒸壓加氣混凝土墻板，除了自身的保溫隔熱性能滿足有關要求外，其作為外墻板，受到風、地震等外荷載作用，因此也必須具有良好的受力和變形性能［6］。為了研究這種新型裝配式外墻板的力學性能，文章按厚度不同設計了9個試件，進行其抗彎承載力試驗，探討其抗彎承載力、抗剪承載力和變形特征的變化規(guī)律。在此基礎上，進行理論分析，以期得到其力學性能的計算表達式，為工程應用提供理論基礎。

1 蒸壓瓷粉加氣混凝土自保溫墻板試驗研究

1.1 材料及方法

1.1.1 試件的規(guī)格

試驗設計了9塊試件，根據(jù)厚度不同分別加工了3種板材，即150、200、250 mm，且每種厚度加工3塊；墻板的強度等級為A3.5，干密度級別為B05。采用焊接鋼筋網(wǎng)片配筋，配筋沿縱向配置6根φ5mm冷拔低碳鋼絲，沿橫向配置φ5mm冷拔低碳鋼絲，每根鋼筋都經(jīng)過防銹防腐液處理，如圖1所示。試件尺寸及編號見表1。

圖1 板材結構圖／mm

表1 試驗參數(shù)表

1.1.2 加氣混凝土、鋼筋材性試驗

材性試驗所用試樣制作時應按照國家標準的要求取樣坯并加工成型，根據(jù)國家標準中相關規(guī)定在試驗機上對制備好的試樣進行材性試驗［7－9］。

（1）鋼筋材性試驗

鋼筋采用冷拔低碳鋼絲，φ5鋼絲是由φ6鋼筋經(jīng)冷拔而成。取3段鋼絲進行材性試驗，測得屈服強度分別為958.47、823.9、923.31 MPa，其算術平均值為901.89 MPa。

（2）加氣混凝土材性試驗

蒸壓瓷粉加氣混凝土立方體試塊共3塊，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，分別測得其軸心抗壓強度為3.78、3.66、3.68 MPa，其算術平均值為3.71 MPa。

1.1.3 試驗測量及加載

試驗采用均布荷載單調加載方式，通過在試件板面上均勻放置沙袋來模擬。整體加載裝置如圖2所示。支座一端為固定鉸支座，另一端為可動鉸支座。試驗采用均布荷載分級方式進行加載，每級荷載加載應間隔5min。對墻板試件進行5等分，其計算跨度l0＝4 400 mm（兩支座中心距離），如圖3所示。試驗使用沙袋加載，每5個沙袋（共50 N）為一個加載等級，采用從兩端向中間每段放置1個沙袋的方式加載。重復以上操作，直到試件發(fā)生剪拉破壞，停止加載。期間對百分表進行讀數(shù)，觀察并標記試驗現(xiàn)象［10－12］。

考慮試件自重，計算150、200、250 mm厚墻板的面荷載分別為0.644、0.859、1.074 kN／m2。

圖2 試驗整體裝置及測點布置圖

圖3 試件平面等分圖／mm

1.2 試驗過程及現(xiàn)象

試驗用150 mm厚的CF墻板試件共3塊，試驗裝置如圖4（a）所示。將試件1－1放置到支座上，測量初始撓度為6.0 mm。隨荷載增加，試件撓度逐漸變大；當板材跨中附近出現(xiàn)首條裂縫時，荷載加載了2.5 kN（0.947 kN／m2），如圖4（b）所示，此時跨中撓度為21.11mm；繼續(xù)加載，裂縫開始由初始細小裂縫逐步變長變寬，期間偶爾出現(xiàn)混凝土崩裂時“啪”的聲響，并有新的裂縫產(chǎn)生；荷載到了4 kN（1.52 kN／m2）時，板底出現(xiàn)橫向裂縫；當板底出現(xiàn)貫通裂縫時，荷載為6 kN（2.27 kN／m2），如圖4（c）所示，此時跨中撓度為40.26mm；繼續(xù)加載，裂縫不斷發(fā)展，直至13.7 kN（5.19 kN／m2）時，板材已出現(xiàn)嚴重破壞，無法再繼續(xù)加載，如圖4（d）所示，狀如剪拉破壞，此時試驗停止。其余試件試驗現(xiàn)象類似，不再贅述。

圖4 試驗現(xiàn)象圖

從試件試驗現(xiàn)象分析可知，墻板在出現(xiàn)首條裂縫前保持彈性，截面變形符合平截面假定；試件最終的破壞符合剪拉破壞特征。

1.3 墻板荷載—撓度曲線分析

墻板試件試驗結果見表2。根據(jù)試驗結果，整理得到了3種板厚的墻板荷載—撓度曲線，如圖5所示。

表2 墻板試件試驗數(shù)據(jù)表

圖5 不同厚度墻板荷載—撓度曲線圖

根據(jù)圖5對比分析3種不同厚度板材的荷載—撓度曲線可知：（1）CF墻板試驗可以分成彈性變形階段、帶裂縫工作且尚未破壞的塑性變形階段和破壞階段共3個階段。（2）墻板破壞前即帶裂縫工作的塑性變形階段較長，原因是此時加氣混凝土破壞較大基本已退出工作，板底拉力大部分由板內鋼筋支撐，此時加氣混凝土的抗拉強度可忽略。

2 蒸壓瓷粉加氣混凝土自保溫墻板理論分析

結合試驗過程、試驗數(shù)據(jù)，對CF墻板開展正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力和抗彎剛度3個方面的理論計算公式的研究。

2.1 正截面抗彎承載力理論分析

根據(jù)JGJ／T 17—2008《蒸壓加氣混凝土建筑應用技術規(guī)程》［13］，截面在彎曲變形后仍保持平面，且應變沿截面可近似認為成線性分布。因此加氣混凝土正截面抗彎承載力的計算基于平截面假定［14］。

GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》［14］矩形截面正截面受彎承載力計算公式由式（1）表示為

式中：M為彎矩設計值，kN·m；fc為加氣混凝土抗壓強度設計值，MPa；b為板材截面寬度，mm；h0為截面有效高度，mm；x為加氣混凝土受壓區(qū)高度，mm；α1為混凝土應力—應變圖形換算為等效的矩形應力圖形所需的參數(shù)值。

受壓區(qū)高度x可由式（2）表示為

式中：fy為縱向受拉鋼筋的強度設計值，MPa；As為縱向受拉鋼筋面積，mm2。

GB 50010—2010［14］中規(guī)定，當對受彎構件進行正截面承載力計算時，受壓區(qū)混凝土的應力圖形可簡化為等效的矩形應力圖。矩形應力圖應力值可由α1fc來確定。當混凝土強度等級不超過C50時，α1為1.0?？紤]加氣混凝土自身的特點，即強度較低，與鋼筋線膨脹不一致等，且在拼裝和運輸過程中可能產(chǎn)生誤差等因素對α1進行折減。在構件承載能力的極限狀態(tài)設計基本公式中設定了一個加氣混凝土構件承載力調整系數(shù)，即γRA＝1.33，可使得計算結果偏于安全。故有1／1.33＝0.75，其正截面承載力公式可由式（3）表示為

加氣混凝土受壓區(qū)高度x和其應符合條件分別由式（4）和（5）表示為

2.2 斜截面抗剪承載力理論分析

試驗發(fā)現(xiàn)，加氣混凝土墻板在均布荷載作用下不僅產(chǎn)生受彎破壞，還產(chǎn)生剪切破壞。國內外對墻板的抗彎抗剪性能進行了大量的試驗研究［15－21］，均可證明墻板在均布荷載作用下通常是彎剪聯(lián)合破壞，與此次試驗現(xiàn)象相符。因此有必要考慮墻板的斜截面抗剪承載力計算。根據(jù)JGJ／T 17—2008［13］，配筋板材的斜截面抗剪承載力計算公式可由式（6）表示為

式中：V為剪力設計值，kN；ft為加氣混凝土抗拉強度設計值，MPa。

2.3 抗彎剛度理論分析

有關試驗表明，在荷載短期作用下，蒸壓加氣混凝土板材一般不出現(xiàn)受彎裂縫。試驗測得抗彎剛度（Bn）接近常值，為簡化計算，添加一個折減系數(shù)0.85，該系數(shù)比實測值偏小，計算結果可偏安全［13］。故在荷載效應準永久組合下，蒸壓加氣混凝土受彎構件的短期剛度計算公式可由式（7）表示為

式中：Ec為加氣混凝土的彈性模量，MPa；I0為截面的慣性矩，mm4。

在正常使用過程中，用結構力學的方法進行墻板撓度的計算，可將墻板視為簡支梁構件，撓度公式可由式（8）表示為

式中：Δ為撓度，mm；q為墻板達到最大抗彎承載力時的均布荷載，N／mm。

3 理論與試驗結果對比分析

3.1 正截面抗彎承載力對比

抗彎承載力試驗與理論計算值匯總見表3。表中試驗值為墻板出現(xiàn)首條裂縫時的荷載（處于彈性階段）。

表3 抗彎承載力匯總表

分析理論計算過程和對比試驗數(shù)據(jù)可知：（1）墻板的抗彎承載力與墻板的板厚有關。當板材配筋、跨度相同時，板材的抗彎承載力隨著板材厚度增加而增加。（2）每種厚度的板材抗彎承載力與理論值吻合較好。其中，厚150、200 mm板吻合度較高，250 mm板吻合度較差。分析原因可能是承載力公式中0.75的折減系數(shù)是針對普通加氣混凝土配筋板材而言的，對于蒸壓瓷粉加氣混凝土板材，折減系數(shù)尚需進一步研究。（3）由蒸壓加氣混凝土自保溫墻板正截面抗彎承載力的計算公式可知，提高墻板的強度并不能較大地提高其抗彎承載力；提高配筋面積則對墻板的抗彎承載能力的提高貢獻較大。

3.2 斜截面抗剪承載力對照

簡支配筋板材在均布荷載作用下，其支座處剪力最大。CF墻板試件最大剪力試驗值與理論值對比見表4。表中V0是墻板在極限荷載作用下發(fā)生剪拉破壞時對應的支座反力。對比數(shù)據(jù)可知，墻板的極限抗剪承載力約為理論值的1.2～1.3倍。

表4 墻板試件抗剪承載力匯總表

3.3 抗彎剛度對比

試件撓度試驗值與理論值匯總見表5。表中試驗值為板材出現(xiàn)首條裂縫時的撓度。從表5可以看出，按JGJ／T 17—2008［13］剛度驗算公式可以很好的反映實際工程中的墻板變形，試驗值與理論值吻合較好。

表5 墻板試件撓度匯總表

4 結論

通過上述研究可知：

（1）分析試驗現(xiàn)象、試驗結果得出的正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力以及變形特征的變化規(guī)律與公式計算結果吻合較好，且墻板的極限抗剪承載力約為理論值的1.2～1.3倍，具有一定的安全儲備?？梢园凑铡墩魤杭託饣炷两ㄖ眉夹g規(guī)程》相關公式計算其抗彎強度。

（2）蒸壓瓷粉加氣混凝土自保溫墻板的破壞過程分為彈性階段、帶裂縫工作的塑性階段以及破壞階段3個過程，且最終破壞特征符合剪拉破壞，受力性能符合蒸壓加氣混凝土配筋板材的受力特征，可以作為外圍護墻板在裝配式建筑中使用。