大型木絲水泥墻板的力學性能試驗研究

陳鼎 張亞飛 盧旦 楊博

摘 要： 為了研究大型木絲水泥墻板的力學性能，以220 mm板厚的大型木絲水泥墻板上裁取的不同規格墻板為試驗對象，進行了抗壓性能、3點和4點抗折性能及抗彎性能試驗研究。試驗結果表明：木絲水泥復合墻板平行板面方向的抗壓強度比垂直板面方向高，垂直板面方向的抗壓強度按照行業標準《木絲水泥板》（JG/T 357—2012），以壓縮10%的應力作為其抗壓強度的表征；木絲水泥復合墻板表面抹灰能夠提高其平行板面方向的抗壓強度，其中鋼筋增強抹灰層的效果最為明顯。不同抗折試驗引起不同的受力狀態以及過高的含水率都會對木絲水泥復合墻板的抗折強度產生不利影響，導致3點抗折試驗所得抗折強度高于4點抗折試驗的強度；木絲水泥復合墻板的抗彎承載能力和撓度均滿足相應規范要求，表現出了較好的韌性，但不能完全滿足板表面抗開裂的要求。該研究結果可為大型木絲水泥墻板的工程應用提供理論指導。

關鍵詞：大型木絲水泥墻板；抗壓性能；抹灰效果；抗折性能；抗彎性能

中圖分類號： TB332

文獻標志碼：A

文章編號：1673-3851 （2023） 05-0396-08

引文格式：陳鼎，張亞飛，盧旦，等. 大型木絲水泥墻板的力學性能試驗研究［J］. 浙江理工大學學報（自然科學），2023，49（3）：396-403.

Reference Format： CHEN Ding， ZHANG Yafei， LU Dan， et al. Experimental study on the mechanical properties of large-scale wood wool cement wall panels［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2023，49（3）：396-403.

Experimental study on the mechanical properties of large-scale wood wool cement wall panels

CHEN Ding¹， ZHANG Yafei²， LU Dan³， YANG Bo²

（1.Underground Branch， Zhejiang Communications Construction Group Co.， Ltd.， Hangzhou 311400， China; 2. School of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China; 3. East China Architectural Design & Research Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200041， China）

Abstract： In order to study the mechanical properties of large wood wool cement wall panels， different sizes of wall panels cut from large wood wool cement wall panels with a thickness of 220 mm were used as the test objects， and the compressive properties， 3-point and 4-point flexural properties and flexural properties were tested and studied. The test results show that the compressive strength of wood wool cement composite wall panels in the parallel board face direction is higher than that in the vertical board face direction， the compressive strength in the vertical board face direction is characterized by a stress of 10% compression according to the industry standard Wood wool cement boards （JG/T 357—2012）， and the surface plastering of wood wool cement composite wall panels can improve its compressive strength in the parallel board face direction， with the steel reinforced plaster layer having the most obvious effect. Different flexural tests cause different stress states and excessively high moisture content can adversely affect the flexural strength of wood wool cement composite wall panels， resulting in higher flexural strength obtained from the 3-point flexural test than the 4-point flexural test; the flexural bearing capacity and deflection of wood wool cement composite wall panels meet the corresponding code requirements and exhibit good toughness， but cannot fully meet the requirements of cracking resistance on the panel surface. The results of this study can provide theoretical guidance for the engineering application of large wood wool cement wall panels.

Key words：large-scale wood wool cement wall panels; compressive performance; plastering effect; rupture performance; flexural performance

0 引 言

木絲水泥復合材料是一種以普通硅酸鹽水泥為膠凝材料的新型建筑復合材料，通過采用礦化處理后的木絲為增強材料，加水攪拌后經鋪裝成型、保壓養護、調濕處理等工藝制成^［1-2］。該復合材料采用的木絲主要是速生楊木等可再生材料，與鋼筋混凝土材料相比，在節能減排方面具有相對優勢^［3］。此外，由于木絲水泥復合材料質量較輕，在抗震方面也具有工程應用優勢。

木絲水泥復合墻板作為一種新型建筑構件，多應用于制作免拆保溫模板及預制保溫墻板等^［4］。瑞典和其他歐洲國家對大型木絲水泥墻板的應用較早^［5］。瑞典Tr?ullit公司于2003年提交了大型木絲水泥墻板的歐洲專利申請^［6-7］，且與荷蘭Eltomation公司聯合開發了一條成熟的全自動的大型木絲水泥墻板生產線^［8-10］。大型木絲水泥墻板由于耐火性與保溫性能好，且厚度可達150～400 mm，因而可以在工廠加工成各種規格的墻體，適于建筑工業化發展的需要。在國外，大型木絲水泥墻板常被應用于被動式建筑及一些公共建筑^［11］，而在國內目前已成功應用于高層住宅的預制外墻。

木絲作為一種可再生材料，在制造成本和節能環保方面都具有優勢，在很大程度上降低了住房部件的成本；利用木絲水泥復合材料制成的墻板還具有環保、防潮、防干腐、隔音、吸音、透氣調濕、隔熱、防火、阻燃等優點^［12］，因此木絲水泥復合墻板的應用在經濟上和環境上都有益。Del等^［13］認為，墻體作為建筑物的一個非常重要的組成部分，適合墻體應用的板材或面板的理想特性是：高耐用性、穩定性、韌性、防火性，良好的隔音、隔熱性能和抗生物性，以及具備快速生產的工藝和低生產成本等，而木絲水泥復合板符合以上所有特性。Goverse等^［14］認為，用于墻體建設的典型材料有不可再生、高碳排放和勞動密集型的砌筑粘土磚和沙子水泥磚等材料，但從更環保的材料來看，木絲水泥復合板可以替代上述材料用于墻體部件。但是，Manalo^［15］研究發現，由于缺乏木絲水泥復合墻板應用相關的設計標準和指南，設計師和承包商沒有使用木絲水泥復合墻板的信心。目前國內外關于大型木絲水泥墻板的性能研究還不夠充分^［16］，因此本文通過試驗研究大型木絲水泥墻板的力學性能。

本文以220 mm板厚的大型木絲水泥墻板上裁取的不同規格墻板為試驗對象，通過抗壓性能試驗、3點和4點抗折性能試驗和抗彎性能試驗，研究大型木絲水泥墻板的抗壓強度、抗壓彈性模量、抗折強度和抗彎性能等力學性能，從而為推廣大型木絲水泥墻板的工程應用提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

木絲：速生楊樹原木刨制、礦化，以制作木絲水泥復合墻板；水泥：P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；硅酸鹽礦化劑：淡黃色，無味，購自無錫泛亞環保有限公司。

1.2 木絲水泥復合墻板制備

木絲水泥復合墻板制備過程：首先將原木刨至成木絲，將木絲與礦化劑充分浸潤、礦化，添加干水泥進行拌和，然后加入少量添加劑作為催化劑，完成后鋪設入模，再進行加壓養護，最后脫模成型。

1.3 抗壓性能試驗

為研究不同尺寸試件的抗壓性能，同時考慮含水率對試件抗壓性能的影響，本試驗設計了2組共24個試件，試件均從220 mm板厚的大型木絲水泥墻板上裁取。第一組為立方體試件，共12個，其中：邊長為220 mm的立方體試件2個，邊長為100 mm的立方體試件8個，邊長為150 mm的立方體試件2個。第二組為立方體抹灰試件，齡期為14 d，以邊長為220 mm的立方體裸板為基礎，分為4組，每組為3個試件，分別為5 mm薄抹灰試件、網格布增強10 mm抹灰層試件、鋼網增強20 mm抹灰層和鋼筋增強25 mm抹灰層試件，其中試件承壓面用砂漿找平。為研究試件的上下兩個表面對平行板面方向受力的影響，以邊長為100 mm的立方體試件組為基礎進行試驗，根據裁切面的木絲分布特征又分為含表面Ⅰ和含表面Ⅱ兩種情形，其中：表面Ⅰ為肉眼觀察到木絲分布較密實的一面，表面Ⅱ為木絲分布疏松的一面。

在進行抗壓性能試驗時，邊長為220 mm的立方體試件試驗參考《建筑用輕質隔墻條板》（GB/T 23451—2009）加載，邊長為100 mm的立方體和150 mm的立方體試件試驗參考《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》（GB/T 11969—2020）加載，均以（2.0±0.5） kN/s的速度連續均勻加荷，直至試件破壞，同時記錄破壞荷載。立方體試件的垂直板面方向的加載方式示意圖如圖1（a）所示，平行板面方向的加載方式示意圖如圖1（b）所示。

1.4 抗壓彈性模量試驗

本試驗共設計了6個棱柱體非標準試件進行抗壓彈性模量試驗，各試件尺寸均為220 mm×220 mm×660 mm，試件均從220 mm板厚的大型木絲水泥墻板上裁取。抗壓彈性模量測定則根據《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》（GB/T 11969—2020）加載，以（2.0±0.5）kN/s的速度加載至0.1 MPa，對應的荷載P_b為4.84 kN；保持30 s后，以同樣的速度加載至0.4f_cp的荷載P_a，根據軸心抗壓強度數據，設定為8.0 kN，保持30 s后卸載至P_b，保持30 s。如此反復5次，然后繼續加載直到試件破壞。

根據《蒸壓加氣混凝土性能試驗方法》（GB/T 11969—2020），采用式（1）計算裸板的抗壓彈性模量：

其中：E_c為試件靜力彈性模量；P_a為應力為0.4 f_cp時的荷載；P_b為應力為0.1 MPa時的荷載；A為試件的橫截面面積；δ₅為第5次荷載循環時試件兩側變形平均值；l為測點標距，150 mm。

1.5 抗折性能試驗

為研究試件的抗折性能，同時考慮含水率對試件抗折性能的影響，共設計了3組33個試件進行3點抗折和4點抗折試驗，各試件均從220 mm板厚的大型木絲水泥墻板上裁取，尺寸均為220 mm×220 mm×880 mm。兩種抗折試驗各有優勢，其中：3點抗折加載方式簡單，但由于加載方式集中，彎曲分布不均勻，某些部位的缺陷可能無法體現出來；4點抗折加載方式相對復雜一點，但試驗結果較為準確。因此，為了互相驗證，各采用15個試件分別進行3點抗折試驗與4點抗折試驗，其中6個試件根據裁切面的木絲分布特征，將受裁切面分為表面Ⅰ（目測更密實）與表面Ⅱ（目測不密實）。另一組抹灰試件分為3組，每組為3個試件，齡期為14 d，以試件裸板為基礎，分別為網格布增強5 mm抹灰層、網格布增強10 mm抹灰層試件和鋼網增強20 mm抹灰層試件。

對于試件的抗折性能測定，所有試件的抗折測試受力方向均為垂直板面方向，其中3點抗折試驗參考《硬質泡沫塑料彎曲性能的測定》（GB/T 8812.2—2007）的彎曲彈性模量的測試方法，試驗加載速度為（20±1）mm/min，同時記錄試件的載荷和變形，加載方式如圖2所示。4點抗折試驗方法參考《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2019），加載速度為（2.0±0.5） kN/s，加載至試件破壞時，記錄破壞荷載，加載方式如圖3所示。

1.6 抗彎性能試驗

本次抗彎性能試驗設計了1個自重132 kg木絲水泥復合墻板和1個自重148 kg木絲水泥復合墻板試件，各試件尺寸均為220 mm×600 mm×3000 mm，試件均從220 mm板厚的大型木絲水泥墻板上裁取。

為測定試件的抗彎承載力性能，根據《建筑用輕質隔墻條板》（GB/T 23451—2009）進行均布荷載作用下的彎曲試驗加載。首先將試件空載靜置2 min，然后按照五級施加荷載，每級荷載為板自重1.5倍的20％。用砂袋堆荷方式從兩端向中間均勻加荷，堆長相等，間隙均勻，堆寬與板寬相同。前4級每級加荷后靜置2 min，第5級加荷至板自重的1.5倍，靜置5 min，記錄試件撓度。此后，如繼續施加荷載，按此分級加荷方式循環直至斷裂破壞。記錄第1級荷載至第5級加荷荷載總和作為試驗結果。試件的抗彎性能試驗裝置照片如圖4所示。

2 結果與分析

2.1 抗壓性能

立方體試件的抗壓性能見表1，從表中可以看出，垂直與平行兩個板面的抗壓性能差異較大，且垂直板面的抗壓強度遠遠低于平行板面的抗壓強度，前者只有后者的40%～60%。從不同試件板面的垂直抗壓強度對比可知，垂直板面的抗壓強度與板芯的強度較為接近。因此，設計墻體緊固件時，應該以垂直板面方向板芯的抗壓強度作為依據。由表1還可以發現，當試件含水率小于9%時，試件的含水率對抗壓強度的影響可以忽略不計。例如，含水率為8.3%含表面Ⅰ的100 mm立方體試件，在垂直板面方向的抗壓強度與絕干試件相同。在垂直板面方向，由于板材的抗壓強度取決于芯材強度，不受表面材料強度的影響，所以表面含抹灰的試樣僅測量了平行板面的抗壓強度。

邊長為100 mm的立方體試件的垂直和平行板面方向受壓的典型荷載-位移曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，在試驗加載初期，垂直板面方向的曲線隨荷載隨位移增大緩慢提高，試驗未出現峰值荷載，相對形變遠超過10%。因此，按照行業標準《木絲水泥板》（JG/T 357—2012）中應力最大值對應的相對形變達到或超過10%，以壓縮10%的應力作為垂直于表面的抗壓強度。在平行板面方向，木絲水泥復合墻板的抗壓行為與混凝土材料類似，存在峰值荷載，因此以峰值荷載除以試件的承壓面積作為試件的抗壓強度。

含抹灰表面的增強試件抗壓強度見表2，由表2可知：對于同一類型試件，增加抹灰層厚度可以提高試件的抗壓強度，其中鋼筋增強抹灰層的效果最為明顯；同時還可以發現，5 mm薄抹灰試件的抗壓強度與裸板幾乎相同。

2.2 抗壓彈性模量

試驗獲得的試件典型荷載-位移曲線如圖6所示，從圖中可以看出：在對試件進行第2次施加力加載和第5次施加力加載時，其荷載-位移曲線的大部分是重合的，說明試件擁有良好的彈性變形。由最后一次加載的荷載與位移的差值計算試件的彈性模量，結果見表3。從表3可以看出，6個棱柱體非標準試件所測出的靜力抗壓彈性模量平均值為312 MPa。

為了對木絲水泥復合墻板的軸心抗壓行為有更全面的了解，將最后一次加載過程的荷載和位移增量進行應力和應變計算，獲得試件的應力-應變曲線，如圖7所示。從圖7中可以看出，在壓縮應力位于100～200 kPa范圍內時，各個試件的曲線基本重合，表明試驗測得試件彈性模量的數據是準確的。

將應變在0.0025 μs以內的應力和應變數據匯總到一個數據系列，進行數據處理，繪制應力-應變曲初始階段的平均趨勢圖并作擬合，其中第5次加載為反復5次加載時的曲線，如圖8所示。

由圖8數據處理得出如下多項式擬合曲線方程如式（2）所示：

σ_c=-3×10⁷ε²+167529ε+125.22（2）

彈性模量隨應變變化的函數表達式如式（3）所示：

其中：σ_c為試件所受應力，MPa；ε為試件所受應變，μs；E為試件靜力彈性模量。

由式（3）可知，函數呈現負相關，即隨著應變增大，材料的彈性模量不斷減小。計算得出材料的最大彈性模量為167 MPa，相比按照標準計算的彈性模量（312 MPa）低很多。從圖8可以看出，試驗數據顯示的曲線在按2.1節標準計算彈性模量的應力范圍，曲線的斜率明顯更大，隨后曲線的斜率明顯降低。因此，如果要應用上述彈性模量的函數方程，其應變范圍應該在0.0005～0.0025 μs才比較合適。在更小的應變范圍，材料的彈性模量應該取表3的數值，即312 MPa。

2.3 抗折性能

4點抗折的試件抗折性能見表4。從表4可以看出，4點抗折試驗所得試件上下兩個表面的抗折強度完全相同。含各種抹灰試件的抗折強度見表5。從表5可以看出，抹灰層類別的加強對試件的抗折性能影響不大。

抗折試件破壞時的照片如圖9所示。試件具體破壞過程首先發生在下支座處；繼續加載，下支座上部試件表面開始出現橫向的開裂；隨著荷載的增大，裂紋逐漸延伸，出現縱向、傾斜的裂紋；當荷載增大至峰值荷載時，試件也沒有徹底斷裂。

用3點抗折方法對同一批構件進行了試驗，其中對應序號的構件為同一批次，含水率相同，所得試件的抗折強度與4點抗折所得結果進行比較。3點抗折試驗測得木絲水泥復合墻板的彎曲彈性模量和抗折強度如表6和表7所示。

從表6和表7可知，與4點抗折試驗相比，3點抗折試驗得到的抗折強度提高約20%。試驗過程的觀察表明，4點抗折試驗的時候，由于試樣的厚度均勻性較差，上面兩個壓頭與試樣的接觸有些先后，導致試樣不是均衡的4點受力狀態。這可能是引起試件受力不均衡，導致計算的抗折強度較低的原因之一。另一方面，3點抗折試驗所用試件的含水率為11%，比4點抗折試驗所用試件的含水率14%～17%略低，試樣含水率可能對抗折強度也產生了一定影響。說明在試樣含水率超過約12%后，過高的含水率會削弱材料之間的結合力，進而對抗折強度產生負面影響。

試樣兩個面的朝向，對表觀彈性模量影響不是很大，兩者相差約10%，較為密實面受拉時的彈性模量較低，為9.2 MPa；較為疏松面受拉時的彈性模量為10.7 MPa。這個實驗結果表明，上壓頭對試樣的壓縮作用對測試結果有一定的影響，主要是因為試樣的抗壓強度較低。但現在沒有找到更合適的方法避免壓頭處的表形對試驗結果的影響。

2.4 抗彎性能

2.4.1 試件的破壞形式

抗彎試件破壞時的照片如圖10所示。從圖10（a）中可以看出：裸板中間木絲拉斷，且形變逐漸變大趨勢。在試驗過程中，自重為132 kg的試件，荷載加載到大于300 kg時，能聽到較大的開裂響聲；自重為148 kg的試件，則荷載加載至400 kg，有較大的開裂響聲，并且在靜置時間內，形變量均不斷加大。卸載后試件斷裂位置如圖10（b）所示。

2.4.2 試件的荷載-位移曲線

各試件的荷載-位移曲線如圖11所示，從圖中可以看出：在試驗加載初期，試件處于彈性階段，荷載-位移曲線基本呈線性變化。隨著荷載的增加，試件逐漸屈服，開始進入彈塑性階段，抗彎剛度減小。當加載至試件破壞時，荷載未見明顯下降，表明試件有良好的延性。同時也可以看出自重較大的木絲水泥復合墻板，其抗彎剛度、開裂荷載及破壞時的極限荷載也相應要大一些。

按照《建筑用輕質隔墻條板》（GB/T 23451—2009），輕質隔墻條板條板的抗彎承載能力要求大于等于板自重的1.5倍，本次試驗的試件抗彎承載能力均超過了板自重的1.5倍，滿足要求。

按照《墻體材料應用統一技術規范》（GB 50574—2010），要求墻板彎曲產生的橫向最大撓度應小于允許撓度，且板表面不應開裂，及允許撓度應為受彎試件支座間距離的1/250。試件支座跨距為3000-100=2900 mm，其中L/250為11.6 mm，在1.5倍板自重荷載作用下，裸板試件的撓度都低于11.6 mm，滿足要求。但試件不能完全滿足板表面不應開裂的要求。

按照《建筑用輕質隔墻條板》（GB/T 23451—2009）中試件面密度要小于等于90 kg/m²（板厚90 mm）和110 kg/m²（板厚120 mm）的要求，由試件質量計算得到的裸板試件面密度分別為73.3 kg/m²和82.2 kg/m^2，均滿足要求。因此，木絲水泥復合板的表觀體積密度遠遠低于建筑用輕質隔墻條板。所以，在實際工程中，木絲水泥復合墻板的承載能力應根據工程實際負荷條件來準確確定。由于木絲水泥復合墻板從初裂到完全斷裂之間的荷載相差很大，如何確定試樣的破壞或者承載能力的判據，也需要認真討論。

2.4.3 試件的延性系數

試件的荷載P和位移延性系數μ如表8所示，其中：試件屈服時對應的荷載和位移分別為屈服荷載P_y和屈服位移Δ_y；試件破壞時，對應的荷載和位移分別為極限荷載P_u和極限位移Δ_u；位移延性系數為μ=Δ_u/Δ_y；L為板的跨度。由表8可知：138 kg自重墻板和147 kg自重墻板的位移延性系數依次為2.75和3.41，表明木絲水泥復合墻板具有較好的延性^［17］。138 kg自重墻板和147 kg自重墻板破壞時的極限撓度依次為127/12000和611/60000，表明木絲水泥復合墻板具有良好的塑性變形能^［17］。

2.4.4 討 論

根據簡支梁均布荷載條件下的最大拉應力的計算公式，該計算式如式（4）所示，計算可得抗彎承載試樣開裂時和斷裂時的最大拉應力，結果如表9所示，其中初裂聲音時的荷載為P₁，初裂聲音時的應力為σ₁，試樣斷裂前一級荷載為P₂，試樣斷裂前一級應力（相當于抗折強度）為σ₂。

其中：σ_max為開裂時或斷裂時的最大拉應力，M為均布水平荷載所產生的彎矩，y_max為點到中性軸的最大距離，I_z為截面慣性矩，q為均布水平荷載，l為木絲水泥復合墻板長度，b為木絲水泥復合墻板寬度，t為木絲水泥復合墻板厚度。

由表9可以看出，用試件斷裂前一級荷載計算的應力分別為0.304 MPa和0.494 MPa，兩者平均值為0.399 MPa，與試件抗折強度試驗得到的結果接近，其中4點抗折試樣為0.32 MPa，3點抗折試樣為0.39 MPa。然而，試樣初裂時的應力較低。因此，可用式（4）作為試件的承載能力判據。

3 結 論

為了推廣大型木絲水泥墻板的工程應用，本文通過試驗研究了大型木絲水泥墻板的抗壓性能、抗折性能試驗和抗彎性能等力學性能，分析了抗壓強度、抗壓彈性模量、抗折強度和抗彎性能等性能指標，主要結論如下：

a）木絲水泥復合墻板平行板面方向的抗壓強度比垂直板面方向高，垂直板面方向的抗壓行為表現為壓潰，沒有明顯的峰值荷載，按照《木絲水泥板》（JG/T 357—2012）行業標準，以其壓縮10%時的應力作為垂直板面抗壓強度。

b）用3點抗折和4點抗折試驗方法測試了木絲水泥復合墻板抗折強度，其抗折強度試驗結果分別為0.38～0.40 MPa和0.32 MPa，3點抗折試驗得到更高的強度值。這是由于除了不同的抗折試驗引起不同的受力狀態外，過高的含水率也對試件的抗折強度產生不利影響。

c）木絲水泥復合墻板的表面抹灰能夠提高其平行板面方向的抗壓強度，其中鋼筋增強抹灰層的效果最為明顯。

d）木絲水泥復合墻板試件能夠滿足《墻體材料應用統一技術規范》（GB 50574—2010）中關于墻板彎曲產生的橫向撓度要求，試樣的撓度處于跨距的1/250范圍內，表現出較好的延性特征。值得注意的是，試件不能完全滿足板表面不開裂的要求。

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（責任編輯：康 鋒）