泡沫混凝土復合墻板承載性能研究現狀及前景

錢坤 胡欣

吉林建筑大學（130022）

0 引言

裝配式混凝土墻板是以提前在工廠制備而成的構件，是以受力為主的部分，然后借由運輸工具運至施工現場，由工人操作器械進行現場連接并裝配成一個整體的混凝土結構，能極大的縮短工期。在一些低層建筑如廉租房、小別墅、拆遷公租保障房等應用廣泛。但傳統的裝配式結構仍然采用預制鋼筋混凝土構件，雖然節省了模板工程和養護等一些費用，但由于自重大，機械器具施工困難，大大增加了機具方面的成本。因此，具有保溫、隔熱、耐火和輕質高強等優良特性的新型混凝土外墻板的研究將推進綠色建筑和住宅產業的發展，滿足人們對住房高品質、低價格、節能環保的需求。

1 國內泡沫混凝土墻板研究現狀

1.1 泡沫混凝土復合墻板的概述

泡沫混凝土最早起源[1]于古埃及，人們使用一些天然材料混合之后產生氣體來制作多孔砌塊，到了古羅馬時期，古羅馬人運用石灰和一些細骨料制作出最早的混凝土，并在內部混合了動物血液和植物漿液攪拌產生大量氣泡制作出較為穩定的原始泡沫混凝土，并混入一些毛發和植物秸稈，提高了抗裂性能，和目前發展的摻入纖維的混凝土有異曲同工之處。隨著近些年的改革開放工業化的進步，泡沫混凝土逐漸從西方國家傳入中國，尤其是歐洲對泡沫混凝土的運用技術。在當時空調并沒有傳入中國，南方城市面對炎熱的夏天，迫切需求隔熱保溫的墻板，而泡沫混凝土墻板因為其內部空隙率較大，在溫度升高時內部的孔隙能形成一層空氣墻，有效地起到保溫隔熱的作用，所以在南方開始廣泛流行，并吸引許多學者對該墻板進行大量試驗研究。到目前為止，中國的泡沫混凝土技術已經處于世界領先地位，從國家標準、地方標準、企業行標都在不斷完善和規范泡沫混凝土的使用,許多高校的學者和研究團隊也在不斷創新泡沫混凝土墻板，吉林建筑大學的錢坤教授及其研究團隊提出了一種新型泡沫混凝土復合墻板“人字撐泡沫混凝土裝配式復合墻板”[2]。其在傳統泡沫混凝土墻板基礎上加入了內部鋼筋的布置，采用人字形鋼筋籠，其中一項研究表明在配置了內部鋼筋籠的情況下，該結構比起傳統泡沫混凝土墻板結構其承載能力大幅提高。

1.2 泡沫混凝土墻板受力及抗震性能

裝配式泡沫混凝土墻板設計時主要考慮上部建筑荷載傳遞給墻板的豎向荷載，但隨著我國建筑高度的不斷突破，風和地震引起的沿水平方向的荷載越來越受到重視，在此國內學者對其都有一定的研究。

1.2.1 泡沫混凝土復合墻板豎向承載性能

王懷遠[3]研究分析了泡沫混凝土墻板的承載能力，通過制作了1∶2的縮尺試件模型，對其加載至破壞，測得極限承載力試驗數據并建立有限元數值分析模型與之對比分析得到其豎向承載能力約是傳統磚石砌塊墻的2.4倍。

江勇[4]對3塊由鋼梁和泡沫混凝土組合而成的復合墻板施加豎向荷載并觀察其不同破壞階段時裂縫發展情況和荷載數值，研究發現對該組合墻板影響最大的因素是板厚度，其次是混凝土強度和鋼筋種類。加大板厚可以提高豎向承載能力但過厚則會使得剛度變大從而引起混凝土的少筋破壞，并通過與ABAQUS建立模型分析對比驗證了試驗的準確性。

1.2.2 泡沫混凝土復合墻板水平承載性能

王懷遠進一步對該模型施加水平低周往復荷載，觀察其位移和裂縫展開情況，分析了試件的破壞形式，通過對比極限荷載階段和破壞階段的泡沫混凝土墻板與磚砌墻板滯回曲線，發現泡沫混凝土墻板的滯回曲線包裹了磚砌墻的滯回曲線，說明泡沫混凝土墻比起傳統磚砌墻其承載力和抗震性能更好。

王宇軒[5]對帶有外框架的泡沫混凝土墻板進行了抗震性能研究。通過制作模型試件，對試件施加低周反復荷載，觀察其破壞過程，根據其滯回曲線、骨架曲線等試驗數據，發現帶有外框架的泡沫混凝土墻板其水平承載力是傳統框架的1.69倍，剛度是3.3倍，而且這種泡沫混凝土墻板改變了傳統墻板的破壞形式，由在塑性鉸處彎曲破壞變為彎曲-剪切型破壞。

鮑超[6]在泡沫混凝土鋼構框架組合墻板的研究中，通過施加單調側向力的作用下將該墻板加載至破壞，發現該墻板破壞形態為脆性破壞，其極限水平承載力約為傳統鋼框架的3倍，而且研究發現當板厚與梁翼緣寬度一樣時，其承載力達到最大。

1.3 泡沫混凝土復合墻板抗剪能力

范宇岐[7]將型鋼作為骨架配合現澆泡沫混凝土制作而成的新型泡沫混凝土復合墻板，使用水平單調加載和低周往復加載兩種方式，與采用鋼架和鋼絲網組成的純鋼骨架結構對照來探究其抗剪性能。通過施加荷載采集其屈服、極限、破壞荷載等數據，對照分析影響抗剪性能的因素，結合其加載過程中的不同變化階段即彈性階段、彈塑性階段和破壞階段，推理出該復合墻板三個階段的抗側移剛度經驗公式。

1.4 泡沫混凝土復合墻板抗彎能力

錢臻旭[8]將輕鋼作為龍骨，配合現澆泡沫混凝土鑄成一個中空的泡沫混凝土復合墻板,通過2塊該墻板標準單元的4點彎曲試驗與ABAQUS模擬研究了墻板的抗彎性能，通過應變片采集墻板從加載到破壞的變形數據，得到了不同加載時期墻板的荷載位移曲線圖。在1/4荷載作用點混凝土首先開裂，然后中部開裂，最后龍骨發生屈曲與鉚釘連接失效，墻板出現貫穿裂縫，撓度增大。測量發現其極限承載力是產生的撓度分別為1/89和1/98，均高于標準規定[9]的相對撓度限值，抗彎性能有所提高，且通過與模擬對比發現改變龍骨間距對抗彎性能的影響較大。

2 泡沫混凝土復合墻板優缺點總結

以上論述中學者研究的結論表明傳統的框架結構或裝配式結構在與泡沫混凝土結合后組成的新型復合墻板，與傳統混凝土墻板相比較，由于泡沫混凝土缺少骨料，其承載力沒有混凝土高。但通過與其他結構組合形成泡沫混凝土復合墻板，其無論是承載能力還是抗震性能都大幅度提高，且泡沫混凝土復合墻板的自重也遠小于傳統鋼筋混凝土結構。其整體的剛度穩定性也有所提高，但破壞形式逐步趨向于脆性破壞，脆性破壞時無征兆無明顯變形，但可以通過摻入一些天然或人造纖維或者鋼纖維，用來提高泡沫混凝土復合板的塑性，減小脆性破壞。通過和泡沫混凝土組合成的新型復合墻板，彌補了傳統混凝土墻板所不具有的性能，如內部較高的孔隙率所帶來的保溫、隔熱以及吸能效果，而且施工簡單、施工速度快，充分符合我國當前推行的綠色建筑發展，節能環保這一理念.

3 市場泡沫混凝土復合墻板綜合問題

目前,泡沫混凝土行業還處于不斷探索時期。雖然我國泡沫混凝土年產量位居世界首位,但總體距離發達國家還是有一定的差距,其中主要存在以下的一些問題：

3.1 市場產品種類過少

雖然泡沫混凝土的研究非常廣泛，但將其應用到復合墻板的技術需求以及知識普及范圍不廣，導致在行業中投入生產和使用的比例較低。

3.2 市場產品質量難以保證

由于泡沫混凝土制備工藝不夠成熟，其核心部分發泡劑外加劑的研發質量不穩定，且泡沫混凝土的主要性能隨材料的改變而改變，使得產出的泡沫混凝土質量不穩定，且成本較高，使得難以被行業廣泛接受。

4 前景展望

目前我國建筑行業仍處于發展階段，混凝土結構仍然是當前市場最大需求，隨著城鄉融合發展建設的推進以及綠色建筑的硬性要求，對新型建筑材料和建筑結構的需求在不斷提高。未來我國建筑行業在全國GDP占比越來越高，雖然建筑主流結構會逐漸轉為超高層鋼結構，但超高層鋼結構其圍護結[10,11]構目前仍然處于待研究階段，而裝配式泡沫混凝土復合墻板因其多樣性能滿足絕大部分的圍護結構設施，因此市場前景非常廣闊，相信隨著相關科研人員的努力與付出，將會取得更加優異的成果，更好地服務于我國現代化建設。