秸稈粉煤灰復合條板抗彎承載性能試驗研究

曾理文,尹華堯

(1.北京城建長城建筑裝飾有限公司 北京 100089; 2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610000)

農作物秸稈是一種韌性材料，粉煤灰是一種剛性材料，將這兩種材料結合起來能廢物再利用，開發出低成本高性能的建筑復合墻板。原材料中大量采用工農業廢棄物，降低了農作物秸稈焚燒及粉煤灰處置帶來的環境污染[1-2]；柔性纖維的加入能夠抗混凝土干縮裂縫[2]，絲狀秸稈(2～4 cm)同樣具有此種作用；墻板可采用工廠化生產，質量易于得到保證，且經過材料抗壓性能試驗，其抗壓強度易于滿足相關規范要求[3]；現場安裝工藝簡單，對工人技術要求低，安裝精度高速度快；干法施工濕作業少，對環境污染小；墻板自重輕易于人工搬運及安裝；符合國家大力推廣的建筑工業化要求，適合在房屋建筑中大量推廣應用。

為滿足墻體輕質性要求，在滿足抗壓強度的條件下，墻板自重越輕越好，故考慮采用兩種方式達到此目的。

(1)優化骨料級配，采用秸稈纖維與粉煤灰共同加入水泥基膠凝材料中，降低自重并提高其抗局部開裂的能力；將影響板自重大的骨料用陶粒替換；墻板中不放骨料，直接采用秸稈砂漿。

(2)將墻板內部設置為空心夾層，便于安放管線的同時減少材料用量，達到進一步降低墻板自重的目的。空心夾層采用泡沫板進行填充，固定墻板上下層鋼筋網片，同時提高保溫隔熱及隔聲性能，如圖1所示，墻板一次澆筑成型整體性好，詳細構造見發明專利[4]。為保證墻體輕質性且強度滿足相關規范要求[5-6]，墻板需配置抗拉材料，選用帶肋鋼筋或鋼絲網片來實現(圖2)，其對墻板的抗彎性能增強作用非常明顯。

圖1 墻體條板

對墻板進行抗彎承載力計算，并測的墻板在加載過程中的撓度及應變，分析墻板破壞形態，得到荷載-撓度及荷載-應變關系，所得相關數據為墻板的推廣應用提供參考。

圖2 鋼絲網片

1 試驗概況

1.1 試件設計

共制作了8塊墻板試件，墻板尺寸長×寬×厚為2 850 mm×600 mm×150 mm，骨架分為鋼筋骨架和鋼絲網片兩種。墻板配筋見圖3，內置泡沫板見圖4填充區域。鋼筋骨架為在墻板縱向布置鋼筋HPB335，縱向分布鋼筋φ8 mm，橫向分布鋼筋φ6 mm，為提高上下雙側鋼筋網片工作性能，在網片間采用穿墻鋼筋連接上下兩排鋼筋，為φ10 mm。根據所需試驗中的8塊墻板構件見表1，將墻板的制作所需要的混凝土材料配合比的不同分為了4組，配合比詳見表3。

圖3 鋼筋網片平面布置(單位:mm)

1.2 墻板配筋計算

墻板平面示意見圖4(陰影部分空白)，單獨計算部分1，

表1 試件編號及組成

圖4 墻板計算簡圖

其中部分1與部分3相同，將其視為板進行計算，依據規范[7]的相關規定，依據混凝土極限受壓區高度限值見式(1)。

(1)

求解得：x=11mm

fcbx=fyAs

(2)

將混凝土抗壓強度標準值fc=14.3N/mm2，板寬度b=1000mm，鋼筋屈服強度fy=300N/mm2，代入式(2)，即14.3×1000×11=300As，求解As=524.33mm2，根據計算取5根HRB335，φ12 mm的鋼筋，實際配筋面積為565 mm2。

單獨計算部分2，部分2與部分4相同，將其視為梁。

14.3×40×55=300As，求解得：As=104.9mm2

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取2根HRB335,φ8 mm的鋼筋，實際配筋面積為101 mm2。

驗算：根據通用技術要求[5]的規定，本條板厚度為200 mm，條板的抗彎破壞荷載應當是板自重的2倍，即為400 kg。取1 kg的重力約等于10 N，則400 kg的重力為4 kN。

(3)

(4)

(5)

(6)

板單元2、板單元4的承載力低于混凝土單元1、混凝土單元2，考慮構件安全，取板計算單元1～計算單元4承載力均為0.985 kN·m。M1+M2+M3+M4=0.985×4=3.94kN·m>1.25kN·m,故配筋安全。依據圖6(a)所示，利用結構力學知識，對簡支板進行計算，得到板可承受的豎向荷載值為11.88 kN。

表2 抗彎荷載破壞指標

1.3 混凝土材料的配合比選取

完成了4組混凝土配合比，見表3所示，成型及加載示意如圖5所示。

圖5 混凝土試塊的制作與試驗

表3 混凝土配合比

1.4 試件制作

試驗墻板制作過程見圖6所示。

(1)鋼筋網片采用泡沫波紋板固定，如圖6(a)所示，同時泡沫波紋板起到內部填充的作用，便于形成內部空心夾層。

(2)按照配合比制備膠凝材料干拌摻和料，并加入秸稈后攪拌如圖6(b)所示。

(3)把鋼筋骨架和鋼絲網片放入模板中固定，澆筑過程中用振搗棒振搗如圖6(c)所示。

(4)最后將表面抹平如圖6(d)所示，靜止養護待達到齡期后拆模。

圖6 條板成型工藝

1.5 試驗加載裝置

試驗是根據JG/T169-2005《建筑隔墻用輕質墻板》[3]的試驗方法進行的。試驗采用單調分級加載，觀察應變、裂縫和撓度等情況，加載示意如圖7(a)，現場試驗裝置如圖7(b)。為實現墻板兩端等效為固定鉸支座，將圓鋼管放置到分配梁下端，以實現三點彎加載。

(a) 抗彎破壞加載示意(單位:mm)

(b)試驗現場布置圖7 試驗加載裝置

1.6 測量內容及儀表布置

試驗采用DH3815N靜態應變測試系統。試驗中共布置5個位移計，用于測量板跨中、1/4處及支座處的撓度，布置見圖8。每塊墻板布置8個應變片，跨中截面及距支座1/4處2根縱向鋼筋的應變；板底跨中及1/4處混凝土板底的應變，布置見圖9所示。

圖8 位移計布置(單位:mm)

圖9 應變片布置

2 試驗結果

2.1 試驗現象

B-2、B-4、B-6、B-8四塊墻板內部均鋪有鋼絲網片，在加載過程中發生脆性破壞，破壞前沒有預先征兆，四塊板均在墻板1/2跨度處出現通縫，直接破壞，明顯抗彎承載力不足，即便是對于混凝土板承載力也很低。采用裂縫比對卡對配有鋼筋的B-1,B-3,B-5及B-7的裂縫寬度進行測量，畫出裂縫出現位置和開展情況見圖10所示，可看到：

(1)大部分裂縫分布在板的跨中，因其為彎矩最大處。

(2)內置的聚苯乙烯板邊緣處應力復雜，隨加載進行該區域裂縫逐漸發展成主裂縫而破壞，相應的墻板破壞圖片見裂縫分布后所對應的圖片。

2.2 主要試驗結果分析

試件試驗測得的荷載和撓度見表4，可看出與普通混凝土相比，秸稈混凝土的開裂荷載降低了41.8 %，極限荷載降低了23.4 %；陶?；炷灵_裂荷載和極限荷載分別降低了47.8 %，40.5 %；秸稈砂漿在四個試件中荷載最低，比普通混凝土開裂荷載降低59 %，極限荷載降低了43.89 %。

表4 主要試驗結果

圖10 裂縫分布及墻板破壞(單位：mm)

2.3 荷載-撓度分析

跨中荷載-撓度見圖11所示，試件經歷彈性、彈塑性和破壞三個階段。

(1)開始加載時曲線呈彈性關系，隨加載進行跨中出現第一條裂縫曲線發生轉折是由于墻板受拉區混凝土開裂導致。繼續加載裂縫不斷出現，原有裂縫變寬，當縱向鋼筋達到屈服應變時墻板也進入彈塑性變形階段。

(2)縱向鋼筋屈服后隨荷載增加，板撓度增加明顯，裂縫寬度變寬，直到板出現主裂縫而無法繼續承載。

(3)B-1承載力高且剛度退化較緩慢，B-7雖初始剛度大，但砂漿開裂后由于缺少骨料作用，剛度退化迅速，承載力降低明顯且快速失效。

圖11 荷載-撓度曲線

2.4 墻板荷載-應變曲線

混凝土荷載-應變曲線見圖12，板開裂前鋼筋應變很小，在荷載分別達到8.2 kN、14.1 kN、5.78 kN、7.36 kN時，B-1、B-3、B-5及B-7的曲線出現明顯轉折點，由于板開裂瞬間受拉區墻板面積減小，導致裂縫處鋼筋應變陡增。從圖13鋼筋荷載-應變曲線可看到：墻板進入彈塑性階段鋼筋應變增加變快；由于鋼筋屈服曲線又出現了第二個轉折點，緊接著墻板進入了破壞階段，隨荷載稍增鋼筋應變急劇增加，板的延性表現良好，繼續加載到板開裂后應變讀數急劇增大直到板破壞。

圖12 混凝土荷載-應變曲線

圖13 鋼筋荷載-應變曲線

3 結論

秸稈粉煤灰輕質復合墻板采用輕骨料及內部加空心層的構造處置措施能夠有效降低板重，通過實驗室內生產成型，能滿足工程應用要求。

(1)對四類復合墻板抗彎承載性能試驗研究，其余三類墻板承載力及剛度均較鋼筋混凝土板差。且秸稈砂漿墻板一經開裂，承載力及剛度退化明顯且會快速破壞。

(2)縱向鋼筋屈服后隨繼續加載，板撓度增加明顯，裂縫寬度增加且擴展，新裂縫不斷出現，直到板出現主裂縫而無法繼續承載。