蒸压瓷粉加气混凝土自保温墙板力学性能研究

周学军，张艺凡，王越，许国栋，赫连光泽

（山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南250101）

0 引言

大力推广装配式建筑是我国建筑业今后一个时期发展的方向［1］，而外围护体系的优劣是决定装配式建筑成败的关键。目前的工程实践中，外围护墙板主要有轻质条板类、骨架复合类和预制三明治大板等3种类型［2］。轻质条板类墙板主要指蒸压加气混凝土条板（ALC条板），这类条板自重轻，与主体结构连接简便，方便装配化施工，受到工程界的欢迎。然而，由于其自身保温隔热效果达不到节能75%的要求［3］，往往需要在其外侧再做外墙外保温，这就增加了工序和造价，同时外墙外保温剥落的难题也没有从根本上解决［4］。

蒸压瓷粉加气混凝土自保温CF（Autoclaved Porcelain Powder Aerated Concrete Self-insulation）墙板是在普通加气混凝土中，加入工业废弃物陶瓷粉末，以生石灰、水泥作钙质材料，按特定比例混合，采用物理和化学发泡技术成型，经蒸压养护而成的自身具有优良保温性能的轻质板材，是一种结构保温一体化墙板［5］。

蒸压加气混凝土墙板，除了自身的保温隔热性能满足有关要求外，其作为外墙板，受到风、地震等外荷载作用，因此也必须具有良好的受力和变形性能［6］。为了研究这种新型装配式外墙板的力学性能，文章按厚度不同设计了9个试件，进行其抗弯承载力试验，探讨其抗弯承载力、抗剪承载力和变形特征的变化规律。在此基础上，进行理论分析，以期得到其力学性能的计算表达式，为工程应用提供理论基础。

1 蒸压瓷粉加气混凝土自保温墙板试验研究

1.1 材料及方法

1.1.1 试件的规格

试验设计了9块试件，根据厚度不同分别加工了3种板材，即150、200、250 mm，且每种厚度加工3块；墙板的强度等级为A3.5，干密度级别为B05。采用焊接钢筋网片配筋，配筋沿纵向配置6根φ5mm冷拔低碳钢丝，沿横向配置φ5mm冷拔低碳钢丝，每根钢筋都经过防锈防腐液处理，如图1所示。试件尺寸及编号见表1。

图1 板材结构图／mm

表1 试验参数表

1.1.2 加气混凝土、钢筋材性试验

材性试验所用试样制作时应按照国家标准的要求取样坯并加工成型，根据国家标准中相关规定在试验机上对制备好的试样进行材性试验［7－9］。

（1）钢筋材性试验

钢筋采用冷拔低碳钢丝，φ5钢丝是由φ6钢筋经冷拔而成。取3段钢丝进行材性试验，测得屈服强度分别为958.47、823.9、923.31 MPa，其算术平均值为901.89 MPa。

（2）加气混凝土材性试验

蒸压瓷粉加气混凝土立方体试块共3块，尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，分别测得其轴心抗压强度为3.78、3.66、3.68 MPa，其算术平均值为3.71 MPa。

1.1.3 试验测量及加载

试验采用均布荷载单调加载方式，通过在试件板面上均匀放置沙袋来模拟。整体加载装置如图2所示。支座一端为固定铰支座，另一端为可动铰支座。试验采用均布荷载分级方式进行加载，每级荷载加载应间隔5min。对墙板试件进行5等分，其计算跨度l0＝4 400 mm（两支座中心距离），如图3所示。试验使用沙袋加载，每5个沙袋（共50 N）为一个加载等级，采用从两端向中间每段放置1个沙袋的方式加载。重复以上操作，直到试件发生剪拉破坏，停止加载。期间对百分表进行读数，观察并标记试验现象［10－12］。

考虑试件自重，计算150、200、250 mm厚墙板的面荷载分别为0.644、0.859、1.074 kN／m2。

图2 试验整体装置及测点布置图

图3 试件平面等分图／mm

1.2 试验过程及现象

试验用150 mm厚的CF墙板试件共3块，试验装置如图4（a）所示。将试件1－1放置到支座上，测量初始挠度为6.0 mm。随荷载增加，试件挠度逐渐变大；当板材跨中附近出现首条裂缝时，荷载加载了2.5 kN（0.947 kN／m2），如图4（b）所示，此时跨中挠度为21.11mm；继续加载，裂缝开始由初始细小裂缝逐步变长变宽，期间偶尔出现混凝土崩裂时“啪”的声响，并有新的裂缝产生；荷载到了4 kN（1.52 kN／m2）时，板底出现横向裂缝；当板底出现贯通裂缝时，荷载为6 kN（2.27 kN／m2），如图4（c）所示，此时跨中挠度为40.26mm；继续加载，裂缝不断发展，直至13.7 kN（5.19 kN／m2）时，板材已出现严重破坏，无法再继续加载，如图4（d）所示，状如剪拉破坏，此时试验停止。其余试件试验现象类似，不再赘述。

图4 试验现象图

从试件试验现象分析可知，墙板在出现首条裂缝前保持弹性，截面变形符合平截面假定；试件最终的破坏符合剪拉破坏特征。

1.3 墙板荷载—挠度曲线分析

墙板试件试验结果见表2。根据试验结果，整理得到了3种板厚的墙板荷载—挠度曲线，如图5所示。

表2 墙板试件试验数据表

图5 不同厚度墙板荷载—挠度曲线图

根据图5对比分析3种不同厚度板材的荷载—挠度曲线可知：（1）CF墙板试验可以分成弹性变形阶段、带裂缝工作且尚未破坏的塑性变形阶段和破坏阶段共3个阶段。（2）墙板破坏前即带裂缝工作的塑性变形阶段较长，原因是此时加气混凝土破坏较大基本已退出工作，板底拉力大部分由板内钢筋支撑，此时加气混凝土的抗拉强度可忽略。

2 蒸压瓷粉加气混凝土自保温墙板理论分析

结合试验过程、试验数据，对CF墙板开展正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力和抗弯刚度3个方面的理论计算公式的研究。

2.1 正截面抗弯承载力理论分析

根据JGJ／T 17—2008《蒸压加气混凝土建筑应用技术规程》［13］，截面在弯曲变形后仍保持平面，且应变沿截面可近似认为成线性分布。因此加气混凝土正截面抗弯承载力的计算基于平截面假定［14］。

GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》［14］矩形截面正截面受弯承载力计算公式由式（1）表示为

式中：M为弯矩设计值，kN·m；fc为加气混凝土抗压强度设计值，MPa；b为板材截面宽度，mm；h0为截面有效高度，mm；x为加气混凝土受压区高度，mm；α1为混凝土应力—应变图形换算为等效的矩形应力图形所需的参数值。

受压区高度x可由式（2）表示为

式中：fy为纵向受拉钢筋的强度设计值，MPa；As为纵向受拉钢筋面积，mm2。

GB 50010—2010［14］中规定，当对受弯构件进行正截面承载力计算时，受压区混凝土的应力图形可简化为等效的矩形应力图。矩形应力图应力值可由α1fc来确定。当混凝土强度等级不超过C50时，α1为1.0。考虑加气混凝土自身的特点，即强度较低，与钢筋线膨胀不一致等，且在拼装和运输过程中可能产生误差等因素对α1进行折减。在构件承载能力的极限状态设计基本公式中设定了一个加气混凝土构件承载力调整系数，即γRA＝1.33，可使得计算结果偏于安全。故有1／1.33＝0.75，其正截面承载力公式可由式（3）表示为

加气混凝土受压区高度x和其应符合条件分别由式（4）和（5）表示为

2.2 斜截面抗剪承载力理论分析

试验发现，加气混凝土墙板在均布荷载作用下不仅产生受弯破坏，还产生剪切破坏。国内外对墙板的抗弯抗剪性能进行了大量的试验研究［15－21］，均可证明墙板在均布荷载作用下通常是弯剪联合破坏，与此次试验现象相符。因此有必要考虑墙板的斜截面抗剪承载力计算。根据JGJ／T 17—2008［13］，配筋板材的斜截面抗剪承载力计算公式可由式（6）表示为

式中：V为剪力设计值，kN；ft为加气混凝土抗拉强度设计值，MPa。

2.3 抗弯刚度理论分析

有关试验表明，在荷载短期作用下，蒸压加气混凝土板材一般不出现受弯裂缝。试验测得抗弯刚度（Bn）接近常值，为简化计算，添加一个折减系数0.85，该系数比实测值偏小，计算结果可偏安全［13］。故在荷载效应准永久组合下，蒸压加气混凝土受弯构件的短期刚度计算公式可由式（7）表示为

式中：Ec为加气混凝土的弹性模量，MPa；I0为截面的惯性矩，mm4。

在正常使用过程中，用结构力学的方法进行墙板挠度的计算，可将墙板视为简支梁构件，挠度公式可由式（8）表示为

式中：Δ为挠度，mm；q为墙板达到最大抗弯承载力时的均布荷载，N／mm。

3 理论与试验结果对比分析

3.1 正截面抗弯承载力对比

抗弯承载力试验与理论计算值汇总见表3。表中试验值为墙板出现首条裂缝时的荷载（处于弹性阶段）。

表3 抗弯承载力汇总表

分析理论计算过程和对比试验数据可知：（1）墙板的抗弯承载力与墙板的板厚有关。当板材配筋、跨度相同时，板材的抗弯承载力随着板材厚度增加而增加。（2）每种厚度的板材抗弯承载力与理论值吻合较好。其中，厚150、200 mm板吻合度较高，250 mm板吻合度较差。分析原因可能是承载力公式中0.75的折减系数是针对普通加气混凝土配筋板材而言的，对于蒸压瓷粉加气混凝土板材，折减系数尚需进一步研究。（3）由蒸压加气混凝土自保温墙板正截面抗弯承载力的计算公式可知，提高墙板的强度并不能较大地提高其抗弯承载力；提高配筋面积则对墙板的抗弯承载能力的提高贡献较大。

3.2 斜截面抗剪承载力对照

简支配筋板材在均布荷载作用下，其支座处剪力最大。CF墙板试件最大剪力试验值与理论值对比见表4。表中V0是墙板在极限荷载作用下发生剪拉破坏时对应的支座反力。对比数据可知，墙板的极限抗剪承载力约为理论值的1.2～1.3倍。

表4 墙板试件抗剪承载力汇总表

3.3 抗弯刚度对比

试件挠度试验值与理论值汇总见表5。表中试验值为板材出现首条裂缝时的挠度。从表5可以看出，按JGJ／T 17—2008［13］刚度验算公式可以很好的反映实际工程中的墙板变形，试验值与理论值吻合较好。

表5 墙板试件挠度汇总表

4 结论

通过上述研究可知：

（1）分析试验现象、试验结果得出的正截面抗弯承载力、斜截面抗剪承载力以及变形特征的变化规律与公式计算结果吻合较好，且墙板的极限抗剪承载力约为理论值的1.2～1.3倍，具有一定的安全储备。可以按照《蒸压加气混凝土建筑应用技术规程》相关公式计算其抗弯强度。

（2）蒸压瓷粉加气混凝土自保温墙板的破坏过程分为弹性阶段、带裂缝工作的塑性阶段以及破坏阶段3个过程，且最终破坏特征符合剪拉破坏，受力性能符合蒸压加气混凝土配筋板材的受力特征，可以作为外围护墙板在装配式建筑中使用。