泡沫混凝土復(fù)合墻板承載性能研究現(xiàn)狀及前景

錢坤 胡欣

吉林建筑大學(xué)（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(gòu)件，是以受力為主的部分，然后借由運(yùn)輸工具運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，由工人操作器械進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)連接并裝配成一個(gè)整體的混凝土結(jié)構(gòu)，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(yīng)用廣泛。但傳統(tǒng)的裝配式結(jié)構(gòu)仍然采用預(yù)制鋼筋混凝土構(gòu)件，雖然節(jié)省了模板工程和養(yǎng)護(hù)等一些費(fèi)用，但由于自重大，機(jī)械器具施工困難，大大增加了機(jī)具方面的成本。因此，具有保溫、隔熱、耐火和輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)良特性的新型混凝土外墻板的研究將推進(jìn)綠色建筑和住宅產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，滿足人們對(duì)住房高品質(zhì)、低價(jià)格、節(jié)能環(huán)保的需求。

1 國(guó)內(nèi)泡沫混凝土墻板研究現(xiàn)狀

1.1 泡沫混凝土復(fù)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(chǎn)生氣體來(lái)制作多孔砌塊，到了古羅馬時(shí)期，古羅馬人運(yùn)用石灰和一些細(xì)骨料制作出最早的混凝土，并在內(nèi)部混合了動(dòng)物血液和植物漿液攪拌產(chǎn)生大量氣泡制作出較為穩(wěn)定的原始泡沫混凝土，并混入一些毛發(fā)和植物秸稈，提高了抗裂性能，和目前發(fā)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(yè)化的進(jìn)步，泡沫混凝土逐漸從西方國(guó)家傳入中國(guó)，尤其是歐洲對(duì)泡沫混凝土的運(yùn)用技術(shù)。在當(dāng)時(shí)空調(diào)并沒(méi)有傳入中國(guó)，南方城市面對(duì)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?yàn)槠鋬?nèi)部空隙率較大，在溫度升高時(shí)內(nèi)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(xué)者對(duì)該墻板進(jìn)行大量試驗(yàn)研究。到目前為止，中國(guó)的泡沫混凝土技術(shù)已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位，從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)行標(biāo)都在不斷完善和規(guī)范泡沫混凝土的使用,許多高校的學(xué)者和研究團(tuán)隊(duì)也在不斷創(chuàng)新泡沫混凝土墻板，吉林建筑大學(xué)的錢坤教授及其研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型泡沫混凝土復(fù)合墻板“人字撐泡沫混凝土裝配式復(fù)合墻板”[2]。其在傳統(tǒng)泡沫混凝土墻板基礎(chǔ)上加入了內(nèi)部鋼筋的布置，采用人字形鋼筋籠，其中一項(xiàng)研究表明在配置了內(nèi)部鋼筋籠的情況下，該結(jié)構(gòu)比起傳統(tǒng)泡沫混凝土墻板結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)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(guó)建筑高度的不斷突破，風(fēng)和地震引起的沿水平方向的荷載越來(lái)越受到重視，在此國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)其都有一定的研究。

1.2.1 泡沫混凝土復(fù)合墻板豎向承載性能

王懷遠(yuǎn)[3]研究分析了泡沫混凝土墻板的承載能力，通過(guò)制作了1∶2的縮尺試件模型，對(duì)其加載至破壞，測(cè)得極限承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)并建立有限元數(shù)值分析模型與之對(duì)比分析得到其豎向承載能力約是傳統(tǒng)磚石砌塊墻的2.4倍。

江勇[4]對(duì)3塊由鋼梁和泡沫混凝土組合而成的復(fù)合墻板施加豎向荷載并觀察其不同破壞階段時(shí)裂縫發(fā)展情況和荷載數(shù)值，研究發(fā)現(xiàn)對(duì)該組合墻板影響最大的因素是板厚度，其次是混凝土強(qiáng)度和鋼筋種類。加大板厚可以提高豎向承載能力但過(guò)厚則會(huì)使得剛度變大從而引起混凝土的少筋破壞，并通過(guò)與ABAQUS建立模型分析對(duì)比驗(yàn)證了試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

1.2.2 泡沫混凝土復(fù)合墻板水平承載性能

王懷遠(yuǎn)進(jìn)一步對(duì)該模型施加水平低周往復(fù)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(guò)對(duì)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(fā)現(xiàn)泡沫混凝土墻板的滯回曲線包裹了磚砌墻的滯回曲線，說(shuō)明泡沫混凝土墻比起傳統(tǒng)磚砌墻其承載力和抗震性能更好。

王宇軒[5]對(duì)帶有外框架的泡沫混凝土墻板進(jìn)行了抗震性能研究。通過(guò)制作模型試件，對(duì)試件施加低周反復(fù)荷載，觀察其破壞過(guò)程，根據(jù)其滯回曲線、骨架曲線等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)帶有外框架的泡沫混凝土墻板其水平承載力是傳統(tǒng)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(tǒng)墻板的破壞形式，由在塑性鉸處彎曲破壞變?yōu)閺澢?剪切型破壞。

鮑超[6]在泡沫混凝土鋼構(gòu)框架組合墻板的研究中，通過(guò)施加單調(diào)側(cè)向力的作用下將該墻板加載至破壞，發(fā)現(xiàn)該墻板破壞形態(tài)為脆性破壞，其極限水平承載力約為傳統(tǒng)鋼框架的3倍，而且研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)板厚與梁翼緣寬度一樣時(shí)，其承載力達(dá)到最大。

1.3 泡沫混凝土復(fù)合墻板抗剪能力

范宇岐[7]將型鋼作為骨架配合現(xiàn)澆泡沫混凝土制作而成的新型泡沫混凝土復(fù)合墻板，使用水平單調(diào)加載和低周往復(fù)加載兩種方式，與采用鋼架和鋼絲網(wǎng)組成的純鋼骨架結(jié)構(gòu)對(duì)照來(lái)探究其抗剪性能。通過(guò)施加荷載采集其屈服、極限、破壞荷載等數(shù)據(jù)，對(duì)照分析影響抗剪性能的因素，結(jié)合其加載過(guò)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(fù)合墻板三個(gè)階段的抗側(cè)移剛度經(jīng)驗(yàn)公式。

1.4 泡沫混凝土復(fù)合墻板抗彎能力

錢臻旭[8]將輕鋼作為龍骨，配合現(xiàn)澆泡沫混凝土鑄成一個(gè)中空的泡沫混凝土復(fù)合墻板,通過(guò)2塊該墻板標(biāo)準(zhǔn)單元的4點(diǎn)彎曲試驗(yàn)與ABAQUS模擬研究了墻板的抗彎性能，通過(guò)應(yīng)變片采集墻板從加載到破壞的變形數(shù)據(jù)，得到了不同加載時(shí)期墻板的荷載位移曲線圖。在1/4荷載作用點(diǎn)混凝土首先開裂，然后中部開裂，最后龍骨發(fā)生屈曲與鉚釘連接失效，墻板出現(xiàn)貫穿裂縫，撓度增大。測(cè)量發(fā)現(xiàn)其極限承載力是產(chǎn)生的撓度分別為1/89和1/98，均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[9]的相對(duì)撓度限值，抗彎性能有所提高，且通過(guò)與模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)改變龍骨間距對(duì)抗彎性能的影響較大。

2 泡沫混凝土復(fù)合墻板優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

以上論述中學(xué)者研究的結(jié)論表明傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)或裝配式結(jié)構(gòu)在與泡沫混凝土結(jié)合后組成的新型復(fù)合墻板，與傳統(tǒng)混凝土墻板相比較，由于泡沫混凝土缺少骨料，其承載力沒(méi)有混凝土高。但通過(guò)與其他結(jié)構(gòu)組合形成泡沫混凝土復(fù)合墻板，其無(wú)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(fù)合墻板的自重也遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。其整體的剛度穩(wěn)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(shí)無(wú)征兆無(wú)明顯變形，但可以通過(guò)摻入一些天然或人造纖維或者鋼纖維，用來(lái)提高泡沫混凝土復(fù)合板的塑性，減小脆性破壞。通過(guò)和泡沫混凝土組合成的新型復(fù)合墻板，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)混凝土墻板所不具有的性能，如內(nèi)部較高的孔隙率所帶來(lái)的保溫、隔熱以及吸能效果，而且施工簡(jiǎn)單、施工速度快，充分符合我國(guó)當(dāng)前推行的綠色建筑發(fā)展，節(jié)能環(huán)保這一理念.

3 市場(chǎng)泡沫混凝土復(fù)合墻板綜合問(wèn)題

目前,泡沫混凝土行業(yè)還處于不斷探索時(shí)期。雖然我國(guó)泡沫混凝土年產(chǎn)量位居世界首位,但總體距離發(fā)達(dá)國(guó)家還是有一定的差距,其中主要存在以下的一些問(wèn)題：

3.1 市場(chǎng)產(chǎn)品種類過(guò)少

雖然泡沫混凝土的研究非常廣泛，但將其應(yīng)用到復(fù)合墻板的技術(shù)需求以及知識(shí)普及范圍不廣，導(dǎo)致在行業(yè)中投入生產(chǎn)和使用的比例較低。

3.2 市場(chǎng)產(chǎn)品質(zhì)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(fā)泡劑外加劑的研發(fā)質(zhì)量不穩(wěn)定，且泡沫混凝土的主要性能隨材料的改變而改變，使得產(chǎn)出的泡沫混凝土質(zhì)量不穩(wěn)定，且成本較高，使得難以被行業(yè)廣泛接受。

4 前景展望

目前我國(guó)建筑行業(yè)仍處于發(fā)展階段，混凝土結(jié)構(gòu)仍然是當(dāng)前市場(chǎng)最大需求，隨著城鄉(xiāng)融合發(fā)展建設(shè)的推進(jìn)以及綠色建筑的硬性要求，對(duì)新型建筑材料和建筑結(jié)構(gòu)的需求在不斷提高。未來(lái)我國(guó)建筑行業(yè)在全國(guó)GDP占比越來(lái)越高，雖然建筑主流結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸轉(zhuǎn)為超高層鋼結(jié)構(gòu)，但超高層鋼結(jié)構(gòu)其圍護(hù)結(jié)[10,11]構(gòu)目前仍然處于待研究階段，而裝配式泡沫混凝土復(fù)合墻板因其多樣性能滿足絕大部分的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)施，因此市場(chǎng)前景非常廣闊，相信隨著相關(guān)科研人員的努力與付出，將會(huì)取得更加優(yōu)異的成果，更好地服務(wù)于我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)。