聚苯顆粒復合墻板平面外抗彎性能研究

李雅漠

(四川工程職業技術學院，四川德陽 618000)

裝配式墻板是裝配式建筑中非常重要的一個部分，其中聚苯顆粒復合墻板由于其輕質保溫等特點，已成為應用量較大、市場前景較好的板類新型墻體材料之一,被許多標準和規范所青睞[1]。但在實際工程中聚苯顆粒復合墻板主要運用于建筑物的圍護結構，并不是建筑物的主要承重部分，國家及地方缺少相應的力學相關規定，導致此類墻板還存在一定的安全隱患。在使用過程中，輕質條形墻板主要受到面外水平荷載引起的彎矩[2]、面內水平荷載引起的剪力和豎向荷載引起的軸力，本文僅針對其面外抗彎性能開展研究。

聚苯顆粒混凝土本身是一種廣泛使用的建筑材料，對其材料力學性能的研究開展已經較為豐富，如Miled[3]等人對于聚苯顆粒輕質混凝土的抗壓性能進行了細致研究。國外有一種相關產品名為“JK板”[4]，以聚苯顆粒輕質混凝土為主材，輔以各種加勁材料形成結構板材，可用于受力較小的結構中。高子棟[5]等人對面板為纖維水泥板，芯材為聚苯顆粒混凝土的復合墻板開展了芯材與面板剪切粘接強度、芯材與面板共同抗壓強度、聚苯顆粒混凝土試塊單獨抗壓強度研究，試驗表明復合夾芯墻板的抗壓強度值大小主要影響因素為：聚苯顆粒混凝土的承壓力、面部板材的承壓力以及面材與芯材界面的剪切粘結力。夏光輝[6]等人對一種新型夾芯保溫復合墻板進行了抗彎性能試驗，利用ANSYS模擬了墻板在軸向荷載作用下的力學性能，為實際工程中的墻板應用提供了依據。張蘭英[7]等人對裝配式外圍護墻板進行了抗風能力分析，試驗表明，復合類墻板的強度普遍偏低，抵抗水平荷載的能力比較差，不能應用在高層建筑和風比較大的地區。

上述研究分析了墻板的強度影響因素和不同荷載下墻板的力學性能，對工程應用具有一定的指導意義。但針對此類復合墻板，其承載能力和變形控制能力受加肋、厚度、環境溫濕度等因素影響較大[9]，有必要進行考慮相關因素的實驗，明確其抗彎作用機理機制，并提出有效的工程設計方法，以此對實際工程有更具體的指導作用。

1 試驗概況

1.1 試驗選材及試驗裝置

試件選用重慶泰的綠色新材有限公司生產的聚苯顆粒復合條板，面板采用兩塊增強纖維硅酸鈣板，芯體為聚苯乙烯顆粒、發泡波特蘭水泥、膨脹珍珠巖粉、多種輕集料等混合材料。板材長2 440 mm，寬610 mm，厚度有50 mm、75 mm、100 mm、125 mm、150 mm等規格。

墻板養護過程中，對于較厚的板來說，厚度方向的收縮值較大。設置肋條可有效保障墻板的平整度。設置肋條的墻板的內部結構如圖1所示。

圖1 加肋墻板內部構造

墻板的吊掛力、燃燒性能、耐火性能、耐火極限、空氣隔聲量等指標均符合國家標準GB/T 23450-2009《建筑隔墻用保溫條板》，本次試驗選用板材型號及數量見表1。

參考JG/T 169-2016《建筑隔墻用輕質條板通用技術要求》中的試驗裝置，本次試驗支座采用剛性墊塊，墻板每端與墊塊接觸長度為50 mm。利用沙袋進行均布加載。在兩端支座處及跨中的位置設置百分表，跨中百分表測頭與木棒連接，木棒作用為延長百分表測頭，以便于放置沙袋加載。試驗裝置如圖2所示。

1.2 試驗方案

按JG/T 169-2016《建筑隔墻用輕質條板通用技術要求》中要求，加載前，先將板空載靜置2 min。加載等級不少于5級，每級加載不大于板自重的30 %，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，加載至板自重的1.5或2倍后，靜置5 min，此后，繼續按此分級施加荷載，直至板破壞。

表1 板材選用數量

圖2 試驗裝置

探究溫濕循環對板抗彎性能影響時，將板材置于環境倉中[10]，調節環境倉溫度為40 ℃，濕度為70 %，24 h后將墻板取出，進行均布荷載加載試驗。

所用環境倉為微環境與人工氣候室(圖3)，型號CABR-QH1302，凈尺寸為 3 m×4 m×2.7 m，溫度的調節范圍為-5～40 ℃，濕度為30 %～95 %，風速為0.0～1.5 m/s。

圖3 微環境與人工氣候室

1.3 試驗現象

板在空載靜置時，無明顯撓度，靜置2 min后跨中百分表無變化。加載過程中，墻板受彎，跨中撓度隨加載重量增大而增大，大致呈線性關系。加載到一定量后，內部混凝土出現裂縫，墻板達到破壞荷載時，受拉側纖維硅酸鈣板被拉斷，內部混凝土裂縫瞬間貫通，之后墻板斷裂。破壞位置大致為兩種，一種為在板的兩個三等分點處，另一種為跨中和靠近兩端支座處斷裂。斷裂處表現為下層纖維硅酸鈣板被拉斷，夾心層被拉斷，上層纖維硅酸鈣板未斷裂，如圖4所示。

圖4 板斷裂處破壞形態

1.4 試驗結果

試驗中板即為受彎構件，沙袋可視為線性均布荷載，圖5為三種厚度不同的墻板荷載撓度曲線圖。

圖5 不同墻板荷載-位移曲線

由圖5可知，墻板的撓度和線性均布荷載大致呈直線關系。由此可知，墻板受彎過程可近似視為彈性受彎過程。

墻板的破壞荷載為后期加載重量與墻板自重的和。表2為不同類型的墻板的破壞荷載和跨中撓度。

從整個過程中可知，受拉側纖維硅酸鈣板的拉斷是墻板破壞撓度的決定性因素，其后的內部混凝土主要較寬裂縫出現和墻板斷裂幾乎與其同時發生。而不論是否加肋，或者經過溫濕循環，受拉側纖維硅酸鈣板的極限抗拉應變總是一定的，因此墻板的彎曲極限撓度也幾乎相同。

表2 不同類型的墻板破壞荷載和跨中撓度

在探究溫濕循環對墻板影響時，將兩種厚度的條板置于環境倉內24 h。試驗時外界溫度大致為25 ℃，濕度大致為50 %～60 %。環境倉內溫度較外界空中較高，約為40 ℃。由結果可知兩種厚度的條板極限抗彎承載力均有小幅下降。表3為板經24 h溫濕循環后的破壞荷載和跨中撓度。

表3 經溫濕循環的墻板破壞荷載和跨中撓度

墻板主要為兩層硅酸蓋板與外界環境接觸，溫濕等因素主要對兩層硅酸鈣板有影響。實驗時將墻板置于環境倉內24 h，兩種厚度的墻板極限抗彎承載力均有小幅下降，大約在3 %左右。尤其值得注意的是，環境對與撓度的影響較大，高達9.5 %，工程上不能忽略。因此，可推斷聚苯顆粒復合墻板外層纖維硅酸鈣板的防水性和耐水性是影響整體墻板抵抗溫濕循環的關鍵。

2 抗彎剛度計算方法

聚苯顆粒復合墻板的夾芯層和外層纖維硅酸鈣板的自身材料性能比較離散，而且兩者之間的粘結強度不易控制，所以很難直接用兩者材料性能去推算整塊復合墻板的抗彎強度。因此，基于抗彎試驗的結果利用計算公式進行反推是一種有效的途徑。

2.1 基于抗彎剛度的設計思路

根據本文所得試驗數據，結合彎曲變形的理論公式，即可獲得聚苯顆粒復合墻板抗彎變形控制的設計方法(式(1))。

(1)

式中：α1為墻板結構影響系數，作用是考慮墻板內部肋的影響；α2為環境影響系數，作用是考慮溫度循環的影響；[ω]為墻板容許撓度。

由于試驗樣本數量的局限，以上影響系數更多的意義在于反應計算的方法和理念，在其具體取值上還有待后續更多的試驗進行修正。

2.2 相對容許撓度

由試驗結果可知，聚苯顆粒復合墻板破壞時，均有較明顯撓度變形，因此可采用墻板計算撓度不超過允許撓度的方式來進行墻板抗彎性能設計和驗算。

考慮到每塊墻板之間的各項性能有所差異，同時給墻板在使用過程中保留一定的安全儲備，所以對墻板的破壞考慮一定的安全系數。墻板破壞呈現出明顯的塑性破壞形式，考慮50 %的安全儲備。為使容許撓度具有更普遍的適用性，根據試驗中條板的長度確定相對容許撓度，即容許撓度與條板長度的比值。

根據試驗結果可看出，加肋雖然提高了抗彎剛度，但是對破壞時的變形能力幾乎無影響。因此對同種厚度的墻板的容許撓度取相同的值。表4為各種厚度墻板的相對容許撓度建議值。

2.3 抗彎剛度EI

表4 墻板相對容許撓度建議值

表5 不同墻板板的抗彎剛度參考值

2.4 結構影響系數

通過結構影響系數α1，可考慮加肋的結構形式對于抗彎剛度的影響。圖6為不同厚度的墻板的結構影響系數。

圖6 不同厚度的墻板的結構影響系數

由圖6可知，加肋對不同厚度墻板的影響程度不同，對于所有墻板，所定義的結構影響系數α1大約位于1.03～1.06之間，從安全角度考慮，可確定結構影響系數α1為1.03。

2.5 環境影響系數

如前所述，墻板抗彎承載力的決定性因素是受拉側纖維硅酸鈣板的極限抗拉能力，因此纖維硅酸鈣板的溫濕度敏感性勢必直接影響墻板的抗彎能力。

然而實際工程中的環境變化規律相對復雜，遠非簡單的環境倉溫濕度的短期變化可模擬，因此本文提出的環境影響系數α2的取值不可避免的具有相當大的不可靠性。但本文仍基于有限的數據給出α2的建議值，一是可反映環境影響抗彎能力的思路，二是為后續研究提供數據比較。表6為兩種厚度的墻板的環境影響系數。

表6 墻板環境影響系數

3 結論

本試驗通過對不同厚度、不同加肋數、不同溫濕循環后的聚苯顆粒復合墻板進行了均布荷載加載試驗，得出結論如下：

(1)聚苯顆粒復合墻板受彎破壞時，其破壞模式為脆性破壞，類似少筋梁的破壞。提高硅酸鈣板的抗拉強度可增強聚苯顆粒復合墻板的抗彎強度。

(2)根據墻板均布荷載的試驗結果，采用由計算公式進行反推的思路，提出了由撓度反算抗彎剛度的方法，可有效用于實際工程中墻板抗彎剛度的計算。得出相應厚度墻板的抗彎剛度，同時給出加肋對墻板抗彎剛度的影響系數。

(3)短期的溫濕循環可使墻板的抗彎極限荷載降低3 %，撓度則增大達9.5 %。提出環境影響抗彎能力的思路，并給出環境影響系數建議值。

(4)考慮聚苯顆粒復合墻板在實際工程中的安全儲備，給出墻板的相對容許撓度值，為墻板在實際工程中的應用給予一定的參考。