微孔煤矸石混凝土板極限承載力研究

崔燕偉，劉晶波，費畢剛

（1清華大學 土木工程系，北京 100084；2國質（北京）建設工程檢測鑒定中心，北京 100837）

0 引言

我國裝配化建筑業發展迅速，帶動了相關材料技術的發展。微孔煤矸石混凝土板主要采用多孔混凝土、輕骨料混凝土[1-2]等材料制作，按一定原料和配比制備的微孔煤矸石混凝土[3]具有較好的抗壓、抗拉強度，適當配置鋼筋后可承受荷載，滿足特定建筑構件的強度、剛度要求。

微孔煤矸石混凝土主要使用快硬水泥、粉煤灰、煤矸石陶粒[4]等材料，按配比將這些材料、水、發泡劑[5]、減水劑等拌合攪拌制成。煤矸石直接進行燒結，生產出碎石型陶粒，作為骨料以替代混凝土中的石子；粉煤灰與水泥混合，能增加漿體體積，使混凝土和易性變好，減少混凝土用水量。這樣生產出的微孔煤矸石混凝土具有較好的抗壓、抗拉強度，質量輕，且充分利用了煤矸石、粉煤灰等煤炭生產的工業廢料，既可結合地區優勢就地取材，又能解決現有煤炭生產廢料大量堆積，污染環境的問題。

本文研究一種配筋的微孔煤矸石混凝土板，通過實驗研究證明這種板能夠被用于多層及高層建筑結構的內、外墻，采取構造措施后可開窗洞、門洞，并且方便安裝，適用性強。此外，這種墻板造價不高于傳統砌塊墻體，具有安裝簡單、施工周期短、滿足裝配化要求的優點，兼顧輕質、高強、抗震、隔熱[6]、隔音、節能，可廣泛應用于建筑業各領域。

1 試驗研究

微孔煤矸石混凝土制備過程如下：煤矸石直接進行燒結，生產出碎石型陶粒；將水泥、粉煤灰、煤矸石陶粒、生石灰、石膏按一定比例加入攪拌機混合均勻，再摻加減水劑和水，最后將采用高速攪拌機制成的泡加入漿體，攪拌均勻。微孔煤矸石混凝土配合比見表1。采用合成泡沫劑，發泡倍數20倍左右，減水劑采用FDN高效減水劑，減水率為14%。拆模后標準養護，溫度20℃，相對濕度90%。

表1 微孔煤矸石配合比

微孔煤矸石混凝土立方體抗壓強度fLcu=7.64MPa，軸心抗壓強度fLc=6.64MPa。

配筋的微孔煤矸石混凝土板示意圖如圖1所示，試驗板厚250mm，配置6@200雙層雙向鋼筋網片，網片間設置@400拉筋，平面尺寸為2×3.2m，分為不開洞普通墻板PTB與開洞墻板KDB，開洞墻板采取有效的洞口加強措施。

圖1 配筋的微孔煤矸石混凝土板示意圖

試驗板均為簡支，采用分配梁加載，在板面上布置多個分配梁以模擬均布荷載。試驗加載照片如圖2所示，位移計及應變片布置如圖3所示，板底布置三個位移計，板頂支座布置兩個位移計，跨中板側邊貼混凝土應變片。加載采用分級加載，開裂前按開裂荷載的20%，開裂后按屈服荷載的10%分級加載，每級加載后持荷10min觀察裂縫。

圖2 試驗加載照片

圖3 位移計及應變片布置圖

2 試驗結果分析

板PTB先在板底跨中出現平行于板寬度方向的微小裂縫，隨著荷載的增加，跨中撓度增大，板底跨中裂縫也逐漸向兩側伸展，裂縫寬度增加，跨中與支座之間也逐漸出現同方向裂縫。接近極限荷載時，板底最大裂縫出現在跨中，裂縫寬度超過1cm，板向下彎曲較明顯，跨中出現較大撓度。加載至極限荷載的85%時，加載結束。整個加載過程中，板頂僅出現少許裂縫，從試驗結果可見板的延性較大。

板KDB先在跨中與支座之間洞口兩側板底處出現平行于板寬度方向的微小裂縫，隨著荷載的增加，跨中撓度增大，裂縫向兩邊逐漸擴展。加載至極限荷載時，洞口角部板底也出現部分裂縫，板底最大裂縫出現在跨中與支座之間，裂縫寬度超過1cm，板向下彎曲較明顯，跨中偏向洞底側撓度最大。加載至極限荷載的85%時，加載結束。整個加載過程中，板頂僅出現少許裂縫。

試驗墻板的力學性能詳見表2，表中延性系數為極限荷載85%時的試件撓度最大處豎向位移與屈服位移的比值。

表2 配筋的無砂微孔混凝土外墻板力學性能

如圖4所示，配筋的微孔煤矸石混凝土板從受荷曲線大致走向來看，經歷了彈性階段、帶裂縫工作階段和破壞階段，這與普通鋼筋混凝土板是相似的。從試驗結果可知，配筋的微孔煤矸石混凝土板具有較好的強度和剛度，且構件延性性能也較好，能較好滿足工程需要。

圖4 荷載-位移曲線

采取洞口加強措施后的開洞板極限荷載是未開洞板的85%，二者延性性能也比較接近。可見，開洞板的受力性能與不開洞板相比有一定差距，但只要采取合理的洞口加強措施，也能獲得與普通板較類似的力學性能。

由試驗結果可知，不開洞板板底跨中位置鋼筋應力較大，而開洞板板底1/4跨位置鋼筋應力較大；整個受荷過程中，板頂鋼筋壓應力均很小，板底鋼筋拉應力較大，但多未屈服。如圖5所示，板底鋼筋基本均未屈服，只有開洞板板底1/4跨位置鋼筋達到了屈服，說明鋼筋與微孔混凝土協同工作效果較好，未出現粘結滑移，有效確保了配筋的微孔煤矸石混凝土板的強度。

圖5 荷載-鋼筋應力曲線

3 極限承載能力計算

試驗板在彈性階段后經歷了非線性的帶裂縫工作階段，屈服線理論只考慮極限狀態，避免了非線性分析的復雜過程。

屈服線理論最早由Ingerslev[7]提出，后經過Johansen等人[8]改進，便可依據屈服線理論計算兩邊簡支單向板的極限承載力[9-10]。

假設兩邊簡支的單向板中心局部區域a×b發生方向向下的單位虛位移，外荷載Pu所做的外力虛功We為：

簡支板屈服線如圖6所示,當B＞A時，為圖6a）情況；當B≤A時，為圖6b）情況。根據虛功原理，由外力虛功等于內力虛功，可得如下關系式：

圖6 簡支板屈服線

式中，Mux、Muy分別為寬度B方向和長度A方向的單位寬度極限抵抗彎矩。

依據試驗板跨中板側面的混凝土應變試驗結果，假定配筋的微孔煤矸石混凝土構件橫截面能夠滿足平截面假定，但由于配筋的微孔煤矸石混凝土構件延性較普通鋼筋混凝土構件稍差，受壓區高度計算需進行折減。配筋的微孔煤矸石混凝土受彎構件受壓區混凝土應力圖形可簡化為等效的矩形應力圖，正截面極限抗彎承載力計算可按式（4）進行：

式中：Mu——配筋的微孔煤矸石混凝土構件極限抗彎承載力；x——微孔煤矸石混凝土受壓區高度；b——試件寬度；h0——試件截面計算高度；fcm——微孔煤矸石混凝土的軸心抗壓強度設計值；fy——受拉區鋼筋屈服強度設計值；As——受拉區鋼筋截面積；β——微孔煤矸石混凝土受壓區高度修正系數。

式中修正系數β=0.75，依據試驗結果，確定有限元分析的合理性，并進行擴展分析，由ABAQUS有限元模擬結果擬合確定（圖7）。經檢驗，計算值與試驗值誤差均在5%以內，且試驗值大于計算值，偏于安全，滿足工程需要。

圖7 峰值承載力時鋼筋Mises應力云圖

4 結論

微孔煤矸石混凝土不同于普通的輕集料混凝土和普通泡沫混凝土，其同時具有輕集料混凝土和泡沫混凝土的優點，密度小、強度較高，在建筑領域有較廣闊的發展空間。本文對配筋的微孔煤矸石混凝土板進行研究，得出如下結論：

（1）配筋的微孔煤矸石混凝土構件具有較好的強度和剛度，且具有輕質、環保、保溫、節能的優點，能較好滿足裝配化建筑產業要求；

（2）配筋的微孔煤矸石混凝土受彎構件在受力過程中，經歷了彈性階段、帶裂縫工作階段和破壞階段。受彎計算可采用平截面假定，鋼筋與微孔煤矸石混凝土粘結較好，可不考慮二者之間的滑移；

（3）試驗表明，配筋的微孔煤矸石混凝土板具有較高的抗彎極限承載力，且具有較好的延性，但抗裂性能較差。