輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板的抗沖擊性能

李方賢，李建新，肖 民，任蒙蒙

(1.華南理工大學材料科學與工程學院,廣州 510640;2.廣州航海學院土木與工程管理學院,廣州 510725)

0 引 言

近年來，建筑節能、裝配式建筑、綠色建筑以及可持續發展理念備受關注，探索建筑節能新途徑和開發新型建筑節能材料成為研究的熱點[1-3]。泡沫混凝土具有輕質、保溫、隔熱、隔聲等特點，是一種新型的建筑節能材料，常應用于制作泡沫混凝土砌塊、泡沫混凝土墻板或補償地基等[4-6]。為拓展泡沫混凝土因強度低而受限的工程應用領域，可與其他高強度材料組合制成泡沫混凝土復合墻板[7-8]。輕鋼龍骨-泡沫混凝土-硅鈣板組合墻板是以間距為400～600 mm的C型冷彎卷邊槽鋼立柱作為承力構件，立柱兩側采用自攻螺釘固定硅鈣板作為內外墻面，在組成的內部空腔內灌入泡沫混凝土。與傳統混凝土墻板結構相比，輕鋼龍骨墻板具有輕質、高強、建造快速、施工簡單、可模塊化生產等優勢[9-12]。目前，國內外學者對未填充泡沫混凝土的輕鋼龍骨結構的力學性能，如軸壓、抗彎曲性能、抗震性能等進行了大量的研究[13-16]。當輕鋼龍骨框架內灌注泡沫混凝土形成輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板后，充填材料與龍骨框架協同工作，整體結構的受力狀態得到優化，有利于提升其力學性能，而當前關于此類結構墻板力學性能的研究較少，劉殿忠等[17-18]對型鋼與泡沫混凝土抗剪承載力進行了研究，陳大鴻等[19]對復合墻體豎向承載能力進行了研究。目前，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板相關研究主要集中在材料改性和靜態性能上[20-21]，該墻板在達到承受靜荷載能力的同時，可以發揮泡沫混凝土自身多孔的特性以優化墻板的抗沖擊性能，以應對強風、地震等沖擊作用。因此，對輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板沖擊損傷的研究具有重要意義。

本研究利用輕鋼龍骨作為支撐，以硅酸鈣板作為面層材料，在面層間澆注泡沫混凝土漿體，泡沫混凝土漿體凝結硬化后與硅酸鈣板、龍骨連為一體，形成完整一體的輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板，采用落球沖擊試驗法并輔以超高速攝像技術，研究不同增強結構形式的輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板的抗沖擊性能，為輕鋼龍骨復合墻板的實際應用提供指導。

1 實 驗

1.1 原 料

膠凝材料：珠江水泥廠生產的P·O 42.5硅酸鹽水泥和山東盈潤智能新材料有限公司生產的?；郀t礦渣(granulated blast furnace slag， GBFS)，其化學成分如表1所示。

發泡劑：廣惠建材開發有限公司提供的HTQ-I復合型發泡劑，該發泡劑外觀上呈現為淺白色濃稠狀液體，其基本性能參數如表2所示。

硅酸鈣板：廣東雄塑綠色建材有限公司生產的厚度為6 mm的中密度面板，其主要性能指標如表3所示。

輕鋼龍骨：選用C120 mm×40 mm×10 mm×1.2 mm(腹板高度×翼緣高度×卷邊高度×厚度)冷彎薄壁C型龍骨作為龍骨單元。

纖維：防靜電處理后的聚丙烯纖維，其基本性能如表4所示。

表1 水泥和礦渣的化學組成Table 1 Chemical composition of Portland cement and GBFS

表2 發泡劑的基本性能參數Table 2 Basic performance parameters of foamed agent

表3 硅酸鈣板的基本性能Table 3 Basic properties of calcium silicate board

表4 聚丙烯纖維的基本性能Table 4 Basic properties of polypropylene fiber

1.2 泡沫混凝土設計

參照表5設計制備容重等級為600 kg/m3的泡沫混凝土。

表5 泡沫混凝土的配合比Table 5 Mixture proportion of foamed concrete

1.3 抗沖擊試驗

圖1 抗沖擊試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of impact resistance test device

國標《建筑隔墻用保溫條板》(GB/T 23450—2009)中關于保溫墻板抗沖擊性能測試的相關規定，要求將標準砂袋從指定高度沿固定繩自由擺動下落。該測試方法雖然易于操作，但無法對墻板抗沖擊性能進行定量計算，同時砂袋本身剛度不足，不能保證每次的沖擊能量一致。本研究參考落錘沖擊試驗法，設計利用質量為2 040 g的鋼球分別從1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m的高度做自由落體，砸向復合墻板預定的沖擊點，同時利用全幅高達2 000幀/s的超高速相機拍攝試驗過程，后續再利用軟件對視頻進行分析，以鋼球的直徑作為參照物標定出鋼球第一次反彈的高度和受沖擊后板的凹陷深度。試驗選用的五種墻板分別為：鋼絲網增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板(代號A)、無龍骨泡沫混凝土夾芯板(代號B)、纖維增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板(代號C)、玻璃纖維網格布增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板(代號D)、輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板標準樣(代號E)，五種復合墻板如表6所示，具體抗沖擊試驗裝置如圖1所示。

表6 試件信息一覽表Table 6 Summary of specimen information

2 結果與討論

2.1 沖擊過程

復合墻板受到鋼球沖擊的過程可簡化為圖2。初始鋼球自由落下，3 ms后鋼球第一次與復合墻板接觸，此時復合墻板受到沖擊荷載后整體受力向下收縮，沖擊點位置形變過大而出現凹坑，期間經歷了從彈性形變轉為塑性形變，5 ms后鋼球下落達到最低點，此時沖擊點位置出現了不可逆的形變，隨后鋼球開始反彈上升，至89 ms反彈至最高點，此后再落下反彈直至靜止。整個過程中，忽略熱量的損耗，視鋼球和復合墻板整個體系能量守恒。初期鋼球重力勢能轉換為動能，在沖擊復合墻板后反彈至一定高度靜止，整個體系中鋼球的重力勢能減少，減少的重力勢能中極少的一部分轉變為熱量損耗，剩余的部分被復合墻板吸收。當鋼球能量傳遞完畢靜止后，復合墻板的彈性形變開始恢復，恢復期間會將這部分能量再傳遞給鋼球，鋼球獲得能量開始反彈，根據鋼球的反彈高度可以計算出復合墻板彈性形變傳遞給鋼球的能量。試驗中利用超高速相機記錄下復合墻板的凹陷深度和鋼球的彈起高度，在忽略熱損耗的前提下，鋼球的部分重力勢能傳遞給復合墻板，復合墻板吸收該能量后重力勢能增加，同時表面的硅酸鈣板發生形變，內部泡沫混凝土也發生形變和開裂，利用能量守恒定量計算能量傳遞，定義復合墻板塑性形變所吸收的能量為Eimpact，相關公式如下：

E0=M0gh

(1)

Einpact=M0gh-M0gh1-M1gh2

(2)

ρ=Einpact/E0

(3)

Einpact=Ec+Ef

(4)

Ec=αkS

(5)

式中：M0為鋼球的質量；g為重力加速度，大小為9.8 m/s2;h為對應的沖擊高度；E0為沖擊能量；M1為復合墻板的質量；h1為鋼球的反彈高度，h2為復合墻板的重心震動高度，利用圖像處理器可以獲得h1和h2的值；ρ為吸能比例；Ec為硅酸鈣板塑性形變吸收的能量；Ef為泡沫混凝土塑性形變吸收的能量；αk為硅酸鈣板的沖擊韌性，取2.6×10-3J/mm2；S為硅酸鈣板表面凹陷位置的面積(視凹陷面為圓形)。以復合墻板的吸能比例作為評價其抗沖擊性能強弱的標準，相同沖擊高度下吸收比例越小，則認為該復合墻板的抗沖擊性能越好。

圖2 抗沖擊試驗過程Fig.2 Impact resistance test process

2.2 輕鋼龍骨對復合墻板抗沖擊性能的影響

圖3是無龍骨泡沫混凝土夾芯板B和輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板E的沖擊試驗破壞狀態圖片，可以觀察到泡沫混凝土夾芯板在沖擊高度為1.0 m時未出現開裂，只在墻體表面留下一個凹坑，繼續增加沖擊高度至1.5 m時開始出現裂縫，裂縫穿過沖擊點向墻板邊緣生長，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板在沖擊高度為2.0 m時才開始出現裂縫。

圖3 復合墻板B和E的沖擊破壞狀態Fig.3 Impact failure states of composite wall panel B and E

根據公式(1)～(5)可以計算得到在不同沖擊高度下墻板的吸收能量和吸能比例，結果如表7所示，沖擊能量為19.96 J時，泡沫混凝土夾芯板吸收了96.95%的沖擊能量，而輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板只吸收了95.49%，在不同的沖擊能量作用下，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板的吸能比例始終小于泡沫混凝土夾芯板，由此可見，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板的抗沖擊性能優于泡沫混凝土夾芯板。泡沫混凝土夾芯板在1.5 m的沖擊高度下，吸能比例達到最大值98.95%，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板在2.0 m的沖擊高度下，吸能比例達到最大值97.52%，結合圖3試樣的破壞狀態，可以看出復合墻板的吸能比例隨著裂縫的生長而逐漸增加，當試樣出現貫穿裂縫時復合墻板的吸能比例達到最大值。

表7 復合墻板B和E的抗沖擊試驗結果參數Table 7 Parameters of impact resistance test results of composite wall panel B and E

2.3 不同增強方式對復合墻板抗沖擊性能的影響

試驗研究了鋼絲網、纖維和玻璃纖維網格布三種增強方式的輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板(FC600+鋼絲網+LSF+CSB、FC600+纖維+LSF+CSB和FC600+玻璃纖維網格布+LSF+CSB)的抗沖擊性能，相關結果如表8所示。

表8 復合墻板A、C、D和E的抗沖擊試驗結果參數Table 8 Parameters of impact resistance test results of composite wall panel A, C, D and E

由表8可知，在1.0 m的沖擊高度下，鋼絲網、纖維和玻璃纖維網格布三種增強型復合墻板的吸能比例分別為94.98%、91.73%、91.21%，同時結合圖4中復合墻板受沖擊后的破壞狀態，發現鋼絲網增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板和纖維增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板都在沖擊高度為2.0 m時出現裂縫，其吸能比例的最大值分別為97.80%和96.70%，玻璃纖維網格布增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板在沖擊高度為2.5 m時才出現裂縫，其最大吸能比例為96.57%，這表明三種增強方式對復合墻板的抗沖擊性能都有一定提高，但布置玻璃纖維網格布的方式對輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板抗沖擊性能的增強效果最佳。當玻璃纖維網格布增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板受到沖擊時，由于玻璃纖維網格布垂直于沖擊力的方向，能最大限度地約束泡沫混凝土發生形變，使得沖擊能量更多地轉換為彈性形變和硅酸鈣板形變，如圖4(e)所示，相同沖擊高度下玻璃纖維網格布增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板的表面凹陷直徑比其他的復合墻板更大，即Ec更大。

對比鋼絲網增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板(FC600+鋼絲網+LSF+CSB)和輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板標準樣(FC600+LSF+CSB)的抗沖擊試驗結果，發現在1.0 m和1.5 m的沖擊高度下，鋼絲網增強型復合墻板的吸能比例比標準樣小，而在2.0 m和2.5 m的沖擊高度下，鋼絲網增強型復合墻板的吸能比例比標準樣大，這是因為鋼絲與泡沫混凝土的黏結界面也是泡沫混凝土的薄弱區，復合墻板在受到沖擊后該薄弱區更易出現開裂，因此隨著沖擊能量的增大，裂縫生長到鋼絲與泡沫混凝土的黏結界面時會加速生長，導致其吸能比例大幅提高。觀察圖4(e)中鋼絲網增強型復合墻板的表面凹陷直徑也可以看出，鋼絲網增強型復合墻板表面凹陷直徑小于其他復合墻板，這說明其吸收的能量更多地作用于泡沫混凝土的塑性形變和開裂。

圖4 復合墻板A、C、D和E的沖擊破壞狀態Fig.4 Impact failure states of composite wall panel A, C, D and E

2.4 復合墻板表面不同位置的抗沖擊性能

龍骨對輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板的性能影響較大，根據龍骨在復合墻板中的位置，可以把復合墻板分成龍骨區域和非龍骨區域，即以龍骨翼緣為界限，龍骨翼緣寬度內為龍骨區域，其他位置為非龍骨區域，本研究以輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板標準樣(FC600+LSF+CSB)為例，分析輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板表面不同位置的抗沖擊性能，具體的計算結果如表9所示，Ec值如圖5所示。

分析表9發現，在相同沖擊高度下，沖擊位置在龍骨區域時的吸能比例始終比非龍骨區域略大，這說明非龍骨區域的抗沖擊性能優于龍骨區域。觀察圖5發現，沖擊龍骨區域時硅酸鈣板形變吸收的能量Ec總是大于非龍骨區域，而且隨著沖擊高度的增加，二者的差異越來越大，這說明沖擊龍骨區域的時候，龍骨提供的支撐作用更強，使得復合墻板在該位置的剛度更大，難以發生彈性形變，進而更多的沖擊能量被硅酸鈣板的塑性形變所吸收，不利于復合墻板的抗沖擊性能。

表9 復合墻板E不同區域的抗沖擊試驗結果Table 9 Impact resistance test results of composite wall panel E in different areas

圖5 輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板E不同區域的Ec值Fig.5 Ec value of lightweight steel-framed foamed concrete composite wall panel E in different areas

3 結 論

(1)采用落球沖擊試驗法，同時利用超高速相機拍攝沖擊試驗過程，計算得到復合墻板塑性形變所吸收的能量和吸能比例，可以對復合墻板的抗沖擊性能進行定量表征，評價墻板抗沖擊性能的優劣，相同沖擊高度下吸能比例越小，墻板的抗沖擊性能越好。

(2)在不同沖擊能量作用下，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板的吸能比例始終小于泡沫混凝土夾芯板，表明輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板的抗沖擊性能優于泡沫混凝土夾芯板。

(3)鋼絲網、纖維、玻璃纖維網格布三種增強方式可以提升輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板的抗沖擊性能，在沖擊高度分別為2.0 m、2.0 m和2.5 m時出現裂縫，吸能比例的最大值分別為97.80%、96.70%和96.57%，但布置玻璃纖維網格布的方式對輕鋼龍骨-泡沫混凝土復合墻板抗沖擊性能的增強效果最佳。

(4)在相同沖擊高度下，沖擊位置在龍骨區域時的吸能比例始終比非龍骨區域大，表明非龍骨區域的抗沖擊性能優于龍骨區域，龍骨提供的支撐作用使得復合墻板在該位置的剛度更大，難以發生彈性形變，不利于復合墻板的抗沖擊性能。