钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板性能研究

王雪，雷强，彭罗文，柳培玉，石永，陈威威，孙彤彤

（中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 前言

随着建筑业的持续并高速发展，带来了一系列环境污染和资源短缺的问题。近十几年来，绿色建筑、装配式建筑的概念越来越深入人心。从环境与资源的角度，装配式建筑具有节能、节水、节材的显著特点，是实现绿色建筑的重要途径[1]。并且，绿色、健康、可持续等理念已深深固化于装配式建筑当中。新型墙体作为装配式建筑的重要组成部分，更有着共同的目标和宗旨，即环保、节能减排、绿色化、持续发展化[2]。

钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板是一种新型绿色墙体板材。在生产过程中消耗大量工业废料——粉煤灰，从原材料方面可达到循环再利用，属于绿色墙体材料，满足装配式建筑对外围护墙板的生态要求。钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板是以钢丝网架和玻璃纤维网布为增强层，以间隔放置于W型覆丝网片之间的聚苯乙烯泡沫塑料、硬泡聚氨酯或岩棉等保温芯材为保温层，以六面包覆高强度、低收缩泡沫混凝土为防护层的非承重预制外围护用墙板，如图1所示。其中高强度、低收缩泡沫混凝土是以水泥为主要胶凝材料，并在粉煤灰、外加剂和水等组分共同制成的浆料中引入气泡，经混合搅拌、浇筑成型、养护而成具有闭孔结构的轻质、高强多孔混凝土[3]，且干密度一般不大于1030 kg/m3。钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板两侧设置企口。该墙板具有整体性好、轻质、高强、保温、隔热、隔声、环保、制备工艺简单等特点，是一种可以与目前广泛应用的蒸压加气混凝土墙板相媲美的节能型墙体板材[2]。

本文通过试验研究，探讨钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板的抗弯、隔声和防火性能，以论证该墙板满足作为外墙墙体材料基本性能要求，为装配式建筑体系提供一种新的墙体材料。

图1 钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板

1 钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板抗弯性能的研究

1.1 钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板试件设计

试件尺寸（长×宽×厚）为3000 mm×600 mm×150 mm，墙板试件内部钢丝网架是由横向镀锌低碳钢丝与W型镀锌低碳覆丝网片焊接而成，形成的两侧钢丝网片网孔规格为50 mm×50 mm，钢丝直径为3 mm，抗拉强度为440.1 MPa，钢丝网片间W型覆丝间距为50 mm，W型覆丝直径为2 mm，钢丝网架四周采用U型钢丝网进行包覆，且U型钢丝网与两侧钢丝网片搭接长度为150 mm；试件保温芯材采用厚度为50 mm的憎水竖丝岩棉；内、外侧分别为厚度50 mm的高强度、低收缩泡沫混凝土，其中泡沫混凝土干密度等级不大于A10，且强度等级不低于C5。墙板试件截面构造如图2所示。2个墙板试件的实测质量均为200 kg。

图2 抗弯性能墙板试件截面构造示意

1.2 泡沫混凝土实测抗压强度

试件预制时预留3个150 mm×150 mm×150 mm的泡沫混凝土立方体试块，并与试件同条件养护。将上述泡沫混凝土立方体试件置于试验机承压板上，使试件的轴线与试验机压板的压力中心重合，以0.05～0.10 MPa/s的速度加载，直至试件破坏，记录最大破坏荷载。以3块试件的算术平均值为测试值，精确至0.1 MPa。实测抗压强度平均值为7.7 MPa，满足设计要求。

1.3 抗弯荷载设计与加载机制

墙板试件以100 m建筑高度最不利工况下风荷压为抗弯荷载指标，根据GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》规定，风荷载标准值应符合式（1）规定：

式中：wk——风荷载标准值，kN/m2；

βgz——高度z处的阵风系数，根据GB 50009—2012中表8.6.1规定，当离地高度100 m，地面粗糙度类别为C类时，取1.69；

μsl——风荷载局部体型系数，根据GB 50009—2012中第8.3.3条规定，对墙面取值为-1.4；

μz——风压高度变化系数，根据GB 50009—2012中表8.2.1规定，当离地高度100 m，地面粗糙度类别为C类时，取1.50；

w0——基本风压，根据GB 50009—2012中附表E.5，取0.45 kN/m2。

所以，在最不利工况下，100 m高度风荷载标准值为1.60kN/m2，风荷载设计值为2.40 kN/m2，根据试件设计规格（试件长度取3000 mm，试件宽度取600 mm），即风荷载设计值为4.32 kN，此值作为试件加荷分级依据。

试件1和试件2均采用简支支撑，一端为固定铰支座，另一端为滚动铰支座，支座中间间距调至2900 mm，如图3所示。

图3 均布荷载检测抗弯破坏荷载装置

抗弯荷载试验采用荷载分级加载机制，并且不包括墙板试件自重。当所施荷载小于风荷载设计值时，每级荷载按墙板试件自重的20%加荷；每次加载后静置5 min，加载至抗弯荷载指标，即风荷载设计值，再静置30 min。当荷载超过抗弯荷载指标时，每级荷载取板自重的10%，继续分别加荷至断裂破坏。记取第1级荷载至断裂破坏前1级荷载总和P为试验结果。墙板试件的抗弯荷载试验结果等于P加上被测墙板自重荷载G，再除以墙板试件的面积。

抗弯性能试验开始前，在跨中和支座处布置千分表，以测量墙板试件在每级荷载加载完毕后的位移，如图4、图5所示。

图4 抗弯性能试验装置

图5 千分表布置位置示意

1.4 墙板抗弯性能试验现象与数据

1.4.1 试验现象

试件1在逐级加荷过程中，荷载-挠度曲线基本成线性增长，在荷载增加到第5级时，在板底1/4跨处出现第1条裂缝，裂缝宽度为0.1 mm。随着荷载不断增加，裂缝进一步蔓延且板底裂缝数量增多。第10级荷载时，跨中裂缝达到0.2mm，荷载增量减半，但挠度增量加大，第20级荷载时墙板因受力钢丝拉断而断裂失效。试件1的破坏形态如图6所示。

图6 试件1的破坏形态

试件2在逐级加荷过程中，荷载-挠度曲线基本成线性增长，在荷载增加到第5级时，在板底1/4跨处出现第1条裂缝。随着荷载不断增加，裂缝进一步蔓延且板底裂缝数量增多。跨中裂缝达到0.2 mm时，逐级加荷减半，但挠度增量加大，最终跨中裂缝达到1.5 mm时判定试件失效。试件2的破坏形态及跨中主裂缝如图7、图8所示。

1.4.2 试验数据

根据试验结果以及测得的荷载-挠度曲线得出各试件的受弯性能，如图9所示。参考GB/T51232—2016《装配式钢结构建筑技术标准》的有关规定，取L/200为泡沫混凝土防火外墙板正常使用状态的挠度限制，其中L为墙板的跨度。表1给出了试件的极限荷载、开裂荷载、挠度达到跨度的1/200时荷载、风荷载设计值下挠度、试件失效特征等数据。

图7 试件2的破坏形态

图8 跨中主裂缝

图9 试件的荷载-挠度曲线

由图9可见，2个试件的荷载-挠度曲线形状大致相似。因为试件内配置没有明显屈服点的冷拔低碳钢丝骨架，所以与普通受弯构件有所不同。

表1 试件的抗弯试验结果

1.5 墙板抗弯性能分析

对泡沫混凝土防火外墙板正截面承载力进行假定：墙板内W型覆丝在同一平面内工作，且不考虑上层钢丝、W型覆丝的抗弯作用；泡沫混凝土防火外墙板截面应变符合平截面假定，即截面应变沿高度保持线性变化。

参考GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》对矩形截面受弯承载力的有关规定，得到式（2）：

由于板内钢丝不能屈服，所以可认定为板面全部均匀受压，取x=d=35 mm，不考虑受压钢丝，受压区高度可按式（3）、式（4）确定：

式中：fy——纵向受拉钢丝的抗拉强度，N/mm2；

As——纵向受拉钢丝的截面面积，mm2；

a1——系数，混凝土强度不超过C50时，取1.0。

正截面承载力计算简图如图10所示。

图10 正截面承载力计算简图

根据表1的极限荷载可知，试件1和试件2的实测极限弯矩分别为3.39、3.67 kN·m，根据式（4）可得理论计算值为3.30 kN·m，与试验值较为吻合，并且理论计算值偏安全，说明式（4）的合理性。

根据表1的试验结果可知，试件1和试件2的抗弯荷载分别是挠度为1/200时的荷载，即3.25、3.17 kN/m2，均大于风荷载设计值（2.40kN/m2）。并且试件的试验结果具有较好的一致性，可以判定，钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板满足正常使用状态下的刚度要求。

2 钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板隔声性能的研究

钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板采用内外为泡沫混凝土，保温芯材选用憎水竖丝岩棉的构造形式。竖丝岩棉不仅是优质的吸声材料，有效提高墙板的隔声性能，还有利于提高墙板的节能和耐火性能。

2.1 隔声性能试验试件设计

试件构造与抗弯荷载试验所用试件构造相同。试件在实验室安装时，四周采用聚合物水泥砂浆封堵，如图11所示。

图11 试件隔声试验安装实物

2.2 试验方法

本次隔声试验在国家建筑工程质量监督检验中心进行。试验方法依据GB/T 19889.3—2005《声学 建筑和建筑构件隔声测量 第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》进行测试。试件的隔声单值评价量依据GB/T 50121—2005《建筑隔声评价标准》进行确定，即计权隔声量RW与频谱修正量（C或Cu）之和。

2.3 墙板隔声试验数据

试件在各频段的隔声量测试结果见表2。根据GB/T 50121—2005的规定，空气声隔声单值评价量的评价结果为：RW（C；Ctr）=45（-1；-4）dB。

表2 空气声隔声量测试结果

2.4 墙板隔声性能分析

由表2可以看出，试件的隔声量总体随中心频率的升高而增大，与质量定律相一致。在125 Hz时，试件隔声量出现低估。这是由于外界声波的激发频率与试件弹性系统的固有频率相同，而发生的共振现象。

试件隔声量在高频段内提高较为明显，这主要取决于竖丝岩棉板良好的吸声性能。声波穿过竖丝岩棉时引起空隙间空气振动，因摩擦、空气的黏滞阻力和空隙间空气与纤维之间的热传导等原因，使部分声能转化为热能被吸收，而高频声波在一定厚度的竖丝岩棉层中震动次数更多，故能量损耗更大。试件的隔声单值评价结果为45 dB，满足非承重围护外墙的空气计权隔声量的使用要求。

3 钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板耐火性能的研究

3.1 耐火性能试验试件设计

耐火极限的试件是将规格为3000 mm×600 mm×150 mm的钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板置于砌体结构内。试件构造与抗弯荷载试验所用试件构造相同。钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板四周缝隙均采用水泥砂浆封堵抹平。根据GB 50016—2014（2018年版）《建筑设计防火规范》的规定，在民用建筑中，非承重外墙为一级耐火等级时，耐火极限为1h，楼梯间和前室的墙、电梯井的墙、住宅建筑单元之间的墙和分户墙为一级耐火等级时，耐火极限为2 h，所以，本试验设置试验试件耐火极限为2 h。

耐火性能试验在国家建筑工程质量监督检验中心进行。试验方法与判定要求严格按照GB/T 9978.1—2008《建筑构件耐火试验方法 第1部分：通用要求》。在背火面的墙板试件表面设置热电偶对不同位置测温点温度变化进行测试，通过记录并分析不同测温点的温度变化，图12为布置的5个热电偶用来测试墙板试件背火面平均温升和最高温升。

图12 背火面热电偶布点示意

3.2 墙板耐火试验数据与现象

在炉内温度根据炉内升温曲线不断升温过程中发现：360 s时，向火面有爆裂声，背火面有可见水汽；900 s时，向火面持续有爆裂声，背火面可见水汽增多；1500 s时，爆裂声减少，可见水汽减少，之后无变化，直至7200 s时，完整性未破坏，试验结束。图13为7200 s后背火面的破坏现象，图14为炉内升温曲线，图15为试件背火面温度曲线。

图13 7200 s后试件背火面的破坏现象

图14 炉内升温曲线

图15 试件背火面温度曲线

3.3 墙板耐火性能分析

试件安装完成即开始试验，随着炉内不断升温，随着时间的推移，测温点的温度呈稳定线性增长，并且增长速度缓慢，540 s后，炉内升温至1000℃，背火面测温点平均温度达到45℃，直到7200 s，背火面测温点平均温度持续缓慢升高，最终达到50℃。根据GB/T9978.1—2008第10.2.3条的规定：试件在7200 s持续受火期间，试件背火面平均温度温升21.7℃，且未超过初始平均温度140℃；试件背火面单点最高温度升温为22.5℃，且未超过初始温度（包括移动热电偶）180℃；棉垫未被点燃，试件未出现缝隙，背火面未出现火焰。7200s内，试件未丧失隔热性和完整性。

4 结论

（1）钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板具有较好的平面外抗弯性能，试验结果具有很好的一致性，能够满足作为墙板承受面外荷载的使用要求。

（2）本研究建立了截面承载力理论计算模型，经试验验证具有较好的准确性，并且理论计算结果偏于安全，可针对不同承载力要求进行工程设计计算。

（3）钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板内设置50 mm厚保温芯材，可有效提高钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板的隔声性能。150 mm厚的钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板隔声单值评价量可达45dB。满足钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板对隔声性能的使用要求。

（4）通过钢丝网架夹心泡沫混凝土墙板耐火试验研究，可明显观察到试件的抗火性能，可达到至少2 h的耐火极限，从耐火性能角度满足非承重外墙一级耐火等级的要求。