鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板性能研究

王雪，雷強，彭羅文，柳培玉，石永，陳威威，孫彤彤

（中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013）

0 前言

隨著建筑業的持續并高速發展，帶來了一系列環境污染和資源短缺的問題。近十幾年來，綠色建筑、裝配式建筑的概念越來越深入人心。從環境與資源的角度，裝配式建筑具有節能、節水、節材的顯著特點，是實現綠色建筑的重要途徑[1]。并且，綠色、健康、可持續等理念已深深固化于裝配式建筑當中。新型墻體作為裝配式建筑的重要組成部分，更有著共同的目標和宗旨，即環保、節能減排、綠色化、持續發展化[2]。

鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板是一種新型綠色墻體板材。在生產過程中消耗大量工業廢料——粉煤灰，從原材料方面可達到循環再利用，屬于綠色墻體材料，滿足裝配式建筑對外圍護墻板的生態要求。鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板是以鋼絲網架和玻璃纖維網布為增強層，以間隔放置于W型覆絲網片之間的聚苯乙烯泡沫塑料、硬泡聚氨酯或巖棉等保溫芯材為保溫層，以六面包覆高強度、低收縮泡沫混凝土為防護層的非承重預制外圍護用墻板，如圖1所示。其中高強度、低收縮泡沫混凝土是以水泥為主要膠凝材料，并在粉煤灰、外加劑和水等組分共同制成的漿料中引入氣泡，經混合攪拌、澆筑成型、養護而成具有閉孔結構的輕質、高強多孔混凝土[3]，且干密度一般不大于1030 kg/m3。鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板兩側設置企口。該墻板具有整體性好、輕質、高強、保溫、隔熱、隔聲、環保、制備工藝簡單等特點，是一種可以與目前廣泛應用的蒸壓加氣混凝土墻板相媲美的節能型墻體板材[2]。

本文通過試驗研究，探討鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板的抗彎、隔聲和防火性能，以論證該墻板滿足作為外墻墻體材料基本性能要求，為裝配式建筑體系提供一種新的墻體材料。

圖1 鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板

1 鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板抗彎性能的研究

1.1 鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板試件設計

試件尺寸（長×寬×厚）為3000 mm×600 mm×150 mm，墻板試件內部鋼絲網架是由橫向鍍鋅低碳鋼絲與W型鍍鋅低碳覆絲網片焊接而成，形成的兩側鋼絲網片網孔規格為50 mm×50 mm，鋼絲直徑為3 mm，抗拉強度為440.1 MPa，鋼絲網片間W型覆絲間距為50 mm，W型覆絲直徑為2 mm，鋼絲網架四周采用U型鋼絲網進行包覆，且U型鋼絲網與兩側鋼絲網片搭接長度為150 mm；試件保溫芯材采用厚度為50 mm的憎水豎絲巖棉；內、外側分別為厚度50 mm的高強度、低收縮泡沫混凝土，其中泡沫混凝土干密度等級不大于A10，且強度等級不低于C5。墻板試件截面構造如圖2所示。2個墻板試件的實測質量均為200 kg。

圖2 抗彎性能墻板試件截面構造示意

1.2 泡沫混凝土實測抗壓強度

試件預制時預留3個150 mm×150 mm×150 mm的泡沫混凝土立方體試塊，并與試件同條件養護。將上述泡沫混凝土立方體試件置于試驗機承壓板上，使試件的軸線與試驗機壓板的壓力中心重合，以0.05～0.10 MPa/s的速度加載，直至試件破壞，記錄最大破壞荷載。以3塊試件的算術平均值為測試值，精確至0.1 MPa。實測抗壓強度平均值為7.7 MPa，滿足設計要求。

1.3 抗彎荷載設計與加載機制

墻板試件以100 m建筑高度最不利工況下風荷壓為抗彎荷載指標，根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》規定，風荷載標準值應符合式（1）規定：

式中：wk——風荷載標準值，kN/m2；

βgz——高度z處的陣風系數，根據GB 50009—2012中表8.6.1規定，當離地高度100 m，地面粗糙度類別為C類時，取1.69；

μsl——風荷載局部體型系數，根據GB 50009—2012中第8.3.3條規定，對墻面取值為-1.4；

μz——風壓高度變化系數，根據GB 50009—2012中表8.2.1規定，當離地高度100 m，地面粗糙度類別為C類時，取1.50；

w0——基本風壓，根據GB 50009—2012中附表E.5，取0.45 kN/m2。

所以，在最不利工況下，100 m高度風荷載標準值為1.60kN/m2，風荷載設計值為2.40 kN/m2，根據試件設計規格（試件長度取3000 mm，試件寬度取600 mm），即風荷載設計值為4.32 kN，此值作為試件加荷分級依據。

試件1和試件2均采用簡支支撐，一端為固定鉸支座，另一端為滾動鉸支座，支座中間間距調至2900 mm，如圖3所示。

圖3 均布荷載檢測抗彎破壞荷載裝置

抗彎荷載試驗采用荷載分級加載機制，并且不包括墻板試件自重。當所施荷載小于風荷載設計值時，每級荷載按墻板試件自重的20%加荷；每次加載后靜置5 min，加載至抗彎荷載指標，即風荷載設計值，再靜置30 min。當荷載超過抗彎荷載指標時，每級荷載取板自重的10%，繼續分別加荷至斷裂破壞。記取第1級荷載至斷裂破壞前1級荷載總和P為試驗結果。墻板試件的抗彎荷載試驗結果等于P加上被測墻板自重荷載G，再除以墻板試件的面積。

抗彎性能試驗開始前，在跨中和支座處布置千分表，以測量墻板試件在每級荷載加載完畢后的位移，如圖4、圖5所示。

圖4 抗彎性能試驗裝置

圖5 千分表布置位置示意

1.4 墻板抗彎性能試驗現象與數據

1.4.1 試驗現象

試件1在逐級加荷過程中，荷載-撓度曲線基本成線性增長，在荷載增加到第5級時，在板底1/4跨處出現第1條裂縫，裂縫寬度為0.1 mm。隨著荷載不斷增加，裂縫進一步蔓延且板底裂縫數量增多。第10級荷載時，跨中裂縫達到0.2mm，荷載增量減半，但撓度增量加大，第20級荷載時墻板因受力鋼絲拉斷而斷裂失效。試件1的破壞形態如圖6所示。

圖6 試件1的破壞形態

試件2在逐級加荷過程中，荷載-撓度曲線基本成線性增長，在荷載增加到第5級時，在板底1/4跨處出現第1條裂縫。隨著荷載不斷增加，裂縫進一步蔓延且板底裂縫數量增多?？缰辛芽p達到0.2 mm時，逐級加荷減半，但撓度增量加大，最終跨中裂縫達到1.5 mm時判定試件失效。試件2的破壞形態及跨中主裂縫如圖7、圖8所示。

1.4.2 試驗數據

根據試驗結果以及測得的荷載-撓度曲線得出各試件的受彎性能，如圖9所示。參考GB/T51232—2016《裝配式鋼結構建筑技術標準》的有關規定，取L/200為泡沫混凝土防火外墻板正常使用狀態的撓度限制，其中L為墻板的跨度。表1給出了試件的極限荷載、開裂荷載、撓度達到跨度的1/200時荷載、風荷載設計值下撓度、試件失效特征等數據。

圖7 試件2的破壞形態

圖8 跨中主裂縫

圖9 試件的荷載-撓度曲線

由圖9可見，2個試件的荷載-撓度曲線形狀大致相似。因為試件內配置沒有明顯屈服點的冷拔低碳鋼絲骨架，所以與普通受彎構件有所不同。

表1 試件的抗彎試驗結果

1.5 墻板抗彎性能分析

對泡沫混凝土防火外墻板正截面承載力進行假定：墻板內W型覆絲在同一平面內工作，且不考慮上層鋼絲、W型覆絲的抗彎作用；泡沫混凝土防火外墻板截面應變符合平截面假定，即截面應變沿高度保持線性變化。

參考GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》對矩形截面受彎承載力的有關規定，得到式（2）：

由于板內鋼絲不能屈服，所以可認定為板面全部均勻受壓，取x=d=35 mm，不考慮受壓鋼絲，受壓區高度可按式（3）、式（4）確定：

式中：fy——縱向受拉鋼絲的抗拉強度，N/mm2；

As——縱向受拉鋼絲的截面面積，mm2；

a1——系數，混凝土強度不超過C50時，取1.0。

正截面承載力計算簡圖如圖10所示。

圖10 正截面承載力計算簡圖

根據表1的極限荷載可知，試件1和試件2的實測極限彎矩分別為3.39、3.67 kN·m，根據式（4）可得理論計算值為3.30 kN·m，與試驗值較為吻合，并且理論計算值偏安全，說明式（4）的合理性。

根據表1的試驗結果可知，試件1和試件2的抗彎荷載分別是撓度為1/200時的荷載，即3.25、3.17 kN/m2，均大于風荷載設計值（2.40kN/m2）。并且試件的試驗結果具有較好的一致性，可以判定，鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板滿足正常使用狀態下的剛度要求。

2 鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板隔聲性能的研究

鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板采用內外為泡沫混凝土，保溫芯材選用憎水豎絲巖棉的構造形式。豎絲巖棉不僅是優質的吸聲材料，有效提高墻板的隔聲性能，還有利于提高墻板的節能和耐火性能。

2.1 隔聲性能試驗試件設計

試件構造與抗彎荷載試驗所用試件構造相同。試件在實驗室安裝時，四周采用聚合物水泥砂漿封堵，如圖11所示。

圖11 試件隔聲試驗安裝實物

2.2 試驗方法

本次隔聲試驗在國家建筑工程質量監督檢驗中心進行。試驗方法依據GB/T 19889.3—2005《聲學 建筑和建筑構件隔聲測量 第3部分：建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》進行測試。試件的隔聲單值評價量依據GB/T 50121—2005《建筑隔聲評價標準》進行確定，即計權隔聲量RW與頻譜修正量（C或Cu）之和。

2.3 墻板隔聲試驗數據

試件在各頻段的隔聲量測試結果見表2。根據GB/T 50121—2005的規定，空氣聲隔聲單值評價量的評價結果為：RW（C；Ctr）=45（-1；-4）dB。

表2 空氣聲隔聲量測試結果

2.4 墻板隔聲性能分析

由表2可以看出，試件的隔聲量總體隨中心頻率的升高而增大，與質量定律相一致。在125 Hz時，試件隔聲量出現低估。這是由于外界聲波的激發頻率與試件彈性系統的固有頻率相同，而發生的共振現象。

試件隔聲量在高頻段內提高較為明顯，這主要取決于豎絲巖棉板良好的吸聲性能。聲波穿過豎絲巖棉時引起空隙間空氣振動，因摩擦、空氣的黏滯阻力和空隙間空氣與纖維之間的熱傳導等原因，使部分聲能轉化為熱能被吸收，而高頻聲波在一定厚度的豎絲巖棉層中震動次數更多，故能量損耗更大。試件的隔聲單值評價結果為45 dB，滿足非承重圍護外墻的空氣計權隔聲量的使用要求。

3 鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板耐火性能的研究

3.1 耐火性能試驗試件設計

耐火極限的試件是將規格為3000 mm×600 mm×150 mm的鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板置于砌體結構內。試件構造與抗彎荷載試驗所用試件構造相同。鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板四周縫隙均采用水泥砂漿封堵抹平。根據GB 50016—2014（2018年版）《建筑設計防火規范》的規定，在民用建筑中，非承重外墻為一級耐火等級時，耐火極限為1h，樓梯間和前室的墻、電梯井的墻、住宅建筑單元之間的墻和分戶墻為一級耐火等級時，耐火極限為2 h，所以，本試驗設置試驗試件耐火極限為2 h。

耐火性能試驗在國家建筑工程質量監督檢驗中心進行。試驗方法與判定要求嚴格按照GB/T 9978.1—2008《建筑構件耐火試驗方法 第1部分：通用要求》。在背火面的墻板試件表面設置熱電偶對不同位置測溫點溫度變化進行測試，通過記錄并分析不同測溫點的溫度變化，圖12為布置的5個熱電偶用來測試墻板試件背火面平均溫升和最高溫升。

圖12 背火面熱電偶布點示意

3.2 墻板耐火試驗數據與現象

在爐內溫度根據爐內升溫曲線不斷升溫過程中發現：360 s時，向火面有爆裂聲，背火面有可見水汽；900 s時，向火面持續有爆裂聲，背火面可見水汽增多；1500 s時，爆裂聲減少，可見水汽減少，之后無變化，直至7200 s時，完整性未破壞，試驗結束。圖13為7200 s后背火面的破壞現象，圖14為爐內升溫曲線，圖15為試件背火面溫度曲線。

圖13 7200 s后試件背火面的破壞現象

圖14 爐內升溫曲線

圖15 試件背火面溫度曲線

3.3 墻板耐火性能分析

試件安裝完成即開始試驗，隨著爐內不斷升溫，隨著時間的推移，測溫點的溫度呈穩定線性增長，并且增長速度緩慢，540 s后，爐內升溫至1000℃，背火面測溫點平均溫度達到45℃，直到7200 s，背火面測溫點平均溫度持續緩慢升高，最終達到50℃。根據GB/T9978.1—2008第10.2.3條的規定：試件在7200 s持續受火期間，試件背火面平均溫度溫升21.7℃，且未超過初始平均溫度140℃；試件背火面單點最高溫度升溫為22.5℃，且未超過初始溫度（包括移動熱電偶）180℃；棉墊未被點燃，試件未出現縫隙，背火面未出現火焰。7200s內，試件未喪失隔熱性和完整性。

4 結論

（1）鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板具有較好的平面外抗彎性能，試驗結果具有很好的一致性，能夠滿足作為墻板承受面外荷載的使用要求。

（2）本研究建立了截面承載力理論計算模型，經試驗驗證具有較好的準確性，并且理論計算結果偏于安全，可針對不同承載力要求進行工程設計計算。

（3）鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板內設置50 mm厚保溫芯材，可有效提高鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板的隔聲性能。150 mm厚的鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板隔聲單值評價量可達45dB。滿足鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板對隔聲性能的使用要求。

（4）通過鋼絲網架夾心泡沫混凝土墻板耐火試驗研究，可明顯觀察到試件的抗火性能，可達到至少2 h的耐火極限，從耐火性能角度滿足非承重外墻一級耐火等級的要求。