輕量化預制混凝土疊合樓板力學性能研究

楊雪亮，張彬，李鵬

（山東能源集團建工集團有限公司上海分公司，上海 200030）

1 前言

隨著現代建筑工程的快速發展，對建筑材料的性能要求日益提高，特別是在輕量化、高強度和環保方面。輕量化預制混凝土疊合樓板作為一種新型建筑材料，因其出色的力學性能和施工便捷性，正逐漸成為工程應用的熱點。不僅減輕了建筑自重，提高了施工效率，還在一定程度上降低了建筑成本。本文對輕量化預制混凝土疊合樓板試件的制備及其力學性能進行試驗分析，如圖1 所示。

圖1 輕量化預制混凝土疊合樓板示意圖

2 試驗準備

本次試驗中，依據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010 和《鋼筋桁架樓承板應用技術規程》T/CECS 1069-2022 的標準，設計兩組共計六塊輕量化預制混凝土疊合樓板試件，所用混凝土強度等級為C30，厚度為110 mm，免拆底模厚度為20 mm，而后澆混凝土層的厚度為90 mm。每塊試件的桁架高度均為70 mm，上下弦鋼筋直徑均為8 mm，腹桿鋼筋直徑為4.5 mm。

將六塊試件分為兩組：A 組和B 組。A 組桁架間距為200 mm，試件編號為QLH1-QLH3；B 組桁架間距為300 mm，試件編號為QLH4-QLH6。這種分組設計旨在探究桁架間距對樓板性能的影響。試件尺寸及設計參數見表1

表1 試件尺寸及設計參數

3 材料性能試驗

3.1 抗壓強度試驗

抗壓強度試驗的目的是評估輕量化預制混凝土疊合樓板在受到軸向壓縮力時的表現。根據《混凝土結構設計規范》GB50010-2010 規定，本試驗采用標準立方體試塊，其尺寸為150 mm×150 mm×150 mm。試驗中，每組樣品均取三個試件進行測試，以確保結果的可靠性。

試驗過程中，將試件放置于電子萬能試驗機中，施加壓力直至試件破壞。在整個過程中，采用閉環控制方式，確保加載速率恒定。測試中記錄每個試件的破壞模式、最大承載力和相應的變形量。根據所得數據，計算每個試件的抗壓強度，即破壞時的最大承載力除以試件的初始橫截面積。

3.2 抗拉強度試驗

抗拉強度試驗是為了評價輕量化預制混凝土疊合樓板在受到拉力時的性能和強度。本試驗遵循《混凝土結構設計規范》GB50010-2010 中的相關規定，旨在測定混凝土的直接抗拉強度。試驗中使用的試件為標準圓柱形試塊，尺寸為150 mm 直徑和300 mm 高。

試驗的過程中，每個試件均經歷了一個緩慢增加的拉力直至發生斷裂。為了確保數據的準確性和可靠性，每組樣品均進行了三次重復試驗。試驗機的加載速率保持一致，以確保每個試件受到相同條件下的拉伸。試驗中記錄了試件的破壞模式、最大承載力及其相應的伸長率。

4 試驗加載方案

本試驗的關鍵在于準確地重現樓板在施工階段所承受的荷載條件，特別是考慮到這些樓板在施工期間常常承受均布荷載。為此，選取QLH2 和QLH5 試件進行詳細分析，以代表整個試驗系列。試驗中，樓板的兩端分別設置為固定鉸支座和可動鉸支座，以構建一個經典的簡支梁模型。固定鉸支座能夠提供垂直于樓板方向的支撐，同時允許梁在水平方向轉動，而可動鉸支座則僅提供垂直方向的支撐，允許梁在水平和垂直方向移動。這種設置旨在模擬實際建筑結構中樓板的支撐條件，確保試驗結果能夠真實地反映樓板在實際應用中的行為。為了模擬施工階段的均布荷載，試驗采用大理石塊、涂料袋和散裝砂子作為加載材料。這些材料被均勻地布置在樓板上，以產生連續且均勻分布的荷載，如圖2 所示。荷載的分布和大小是根據預先計算的樓板設計荷載來確定的，以確保荷載條件與實際施工階段相符。

圖2 試驗加載簡圖

在加載過程中，荷載逐漸增加，直至達到設計荷載或樓板發生明顯的結構破壞。整個過程中，使用傳感器和測量設備來記錄樓板的變形、應力和其他相關參數。這些數據對于分析樓板的承載能力和結構響應至關重要。此外，試驗中還特別注意了荷載施加的均勻性和加載速率的控制，以確保試驗條件的穩定性和可重復性。通過這種細致入微的試驗方案，可以確保得到精確和可靠的數據，為后續的分析提供堅實的基礎。

5 試驗結果與分析

5.1 試件抗壓強度結果與分析

每組試件的平均抗壓強度及其標準偏差如表2 所示。

表2 每組試件的平均抗壓強度及其標準偏差

本次試驗中，輕量化預制混凝土疊合樓板的抗壓強度表現出了令人滿意的結果。如前所述，試件QLH1 至QLH6 的抗壓強度均達到或超過了C30 混凝土的設計標準（30 MPa），顯示出較高的一致性和可靠性。具體來看，A 組試件（QLH1 至QLH3）的平均抗壓強度為28.4 MPa，而B 組試件（QLH4 至QLH6）的平均抗壓強度為29.3 MPa。這一差異表明，盡管桁架間距的不同對抗壓強度有一定影響，但影響程度較小。

從破壞模式來看，所有試件均顯示出典型的混凝土受壓破壞特征，即沿斜面產生裂縫，最終導致壓碎。這表明了混凝土本身的抗壓性能是樓板承載能力的主要決定因素，而內部的鋼筋桁架結構則提供了額外的穩定性和支撐。這些結果強調了細石混凝土以及鋼筋桁架在預制混凝土疊合樓板中的重要作用，同時也證明了該設計對于提高建筑結構的承載能力和穩定性是有效的。

5.2 試件抗拉強度結果與分析

每組試件的平均抗拉強度及其標準偏差如表3 所示。

表3 每組試件的平均抗拉強度及其標準偏差

在抗拉強度方面，所有試件的表現也符合預期。試件QLH1 至QLH6 的抗拉強度均在2.4 至2.6 MPa 范圍內，與C30 混凝土的典型抗拉性能相符。這一結果證明了混凝土疊合樓板在承受拉力時的良好性能，特別是在考慮到建筑結構中可能遇到的各種拉伸應力。

觀察試件的破壞模式，可以發現主要的破壞形式為沿縱向的裂縫，這表明拉伸應力主要集中在混凝土本身，而鋼筋桁架則在其中起到支撐和增強作用。這些觀察結果進一步證實了鋼筋桁架與混凝土之間良好的粘結性和協同作用，有助于提高整體結構的抗拉性能。從試驗結果來看，桁架間距對抗拉強度的影響同樣不明顯，這表明設計中選擇的桁架間距能夠有效地滿足結構性能的要求。無論是較密的桁架布置（A 組）還是較疏的布置（B 組），都能保證樓板具有足夠的抗拉強度。

6 結論

輕量化預制混凝土疊合樓板在抗壓和抗拉方面的良好表現，展示了其在建筑工程中的應用潛力。試驗結果不僅驗證了樓板設計的合理性，也為未來的樓板設計和施工提供了重要的參考數據和經驗。通過對這些數據的深入分析，可以進一步優化樓板結構，以提高其在實際應用中的性能和可靠性。