微孔煤矸石混凝土板極限承載力研究

崔燕偉，劉晶波，費(fèi)畢剛

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

0 引言

我國裝配化建筑業(yè)發(fā)展迅速，帶動(dòng)了相關(guān)材料技術(shù)的發(fā)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(qiáng)度，適當(dāng)配置鋼筋后可承受荷載，滿足特定建筑構(gòu)件的強(qiáng)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(fā)泡劑[5]、減水劑等拌合攪拌制成。煤矸石直接進(jìn)行燒結(jié)，生產(chǎn)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(chǎn)出的微孔煤矸石混凝土具有較好的抗壓、抗拉強(qiáng)度，質(zhì)量輕，且充分利用了煤矸石、粉煤灰等煤炭生產(chǎn)的工業(yè)廢料，既可結(jié)合地區(qū)優(yōu)勢就地取材，又能解決現(xiàn)有煤炭生產(chǎn)廢料大量堆積，污染環(huán)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(shí)驗(yàn)研究證明這種板能夠被用于多層及高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外墻，采取構(gòu)造措施后可開窗洞、門洞，并且方便安裝，適用性強(qiáng)。此外，這種墻板造價(jià)不高于傳統(tǒng)砌塊墻體，具有安裝簡單、施工周期短、滿足裝配化要求的優(yōu)點(diǎn)，兼顧輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗震、隔熱[6]、隔音、節(jié)能，可廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)各領(lǐng)域。

1 試驗(yàn)研究

微孔煤矸石混凝土制備過程如下：煤矸石直接進(jìn)行燒結(jié)，生產(chǎn)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(jī)混合均勻，再摻加減水劑和水，最后將采用高速攪拌機(jī)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(fā)泡倍數(shù)20倍左右，減水劑采用FDN高效減水劑，減水率為14%。拆模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，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(qiáng)度fLcu=7.64MPa，軸心抗壓強(qiáng)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(yàn)板厚250mm，配置6@200雙層雙向鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片間設(shè)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(qiáng)措施。

圖1 配筋的微孔煤矸石混凝土板示意圖

試驗(yàn)板均為簡支，采用分配梁加載，在板面上布置多個(gè)分配梁以模擬均布荷載。試驗(yàn)加載照片如圖2所示，位移計(jì)及應(yīng)變片布置如圖3所示，板底布置三個(gè)位移計(jì)，板頂支座布置兩個(gè)位移計(jì)，跨中板側(cè)邊貼混凝土應(yīng)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(yàn)加載照片

圖3 位移計(jì)及應(yīng)變片布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

板PTB先在板底跨中出現(xiàn)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(cè)伸展，裂縫寬度增加，跨中與支座之間也逐漸出現(xiàn)同方向裂縫。接近極限荷載時(shí)，板底最大裂縫出現(xiàn)在跨中，裂縫寬度超過1cm，板向下彎曲較明顯，跨中出現(xiàn)較大撓度。加載至極限荷載的85%時(shí)，加載結(jié)束。整個(gè)加載過程中，板頂僅出現(xiàn)少許裂縫，從試驗(yàn)結(jié)果可見板的延性較大。

板KDB先在跨中與支座之間洞口兩側(cè)板底處出現(xiàn)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(kuò)展。加載至極限荷載時(shí)，洞口角部板底也出現(xiàn)部分裂縫，板底最大裂縫出現(xiàn)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(cè)撓度最大。加載至極限荷載的85%時(shí)，加載結(jié)束。整個(gè)加載過程中，板頂僅出現(xiàn)少許裂縫。

試驗(yàn)墻板的力學(xué)性能詳見表2，表中延性系數(shù)為極限荷載85%時(shí)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(xué)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(jīng)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(yàn)結(jié)果可知，配筋的微孔煤矸石混凝土板具有較好的強(qiáng)度和剛度，且構(gòu)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(qiáng)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(qiáng)措施，也能獲得與普通板較類似的力學(xué)性能。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，不開洞板板底跨中位置鋼筋應(yīng)力較大，而開洞板板底1/4跨位置鋼筋應(yīng)力較大；整個(gè)受荷過程中，板頂鋼筋壓應(yīng)力均很小，板底鋼筋拉應(yīng)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(dá)到了屈服，說明鋼筋與微孔混凝土協(xié)同工作效果較好，未出現(xiàn)粘結(jié)滑移，有效確保了配筋的微孔煤矸石混凝土板的強(qiáng)度。

圖5 荷載-鋼筋應(yīng)力曲線

3 極限承載能力計(jì)算

試驗(yàn)板在彈性階段后經(jīng)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(tài)，避免了非線性分析的復(fù)雜過程。

屈服線理論最早由Ingerslev[7]提出，后經(jīng)過Johansen等人[8]改進(jìn)，便可依據(jù)屈服線理論計(jì)算兩邊簡支單向板的極限承載力[9-10]。

假設(shè)兩邊簡支的單向板中心局部區(qū)域a×b發(fā)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(dāng)B＞A時(shí)，為圖6a）情況；當(dāng)B≤A時(shí)，為圖6b）情況。根據(jù)虛功原理，由外力虛功等于內(nèi)力虛功，可得如下關(guān)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(jù)試驗(yàn)板跨中板側(cè)面的混凝土應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果，假定配筋的微孔煤矸石混凝土構(gòu)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(gòu)件延性較普通鋼筋混凝土構(gòu)件稍差，受壓區(qū)高度計(jì)算需進(jìn)行折減。配筋的微孔煤矸石混凝土受彎構(gòu)件受壓區(qū)混凝土應(yīng)力圖形可簡化為等效的矩形應(yīng)力圖，正截面極限抗彎承載力計(jì)算可按式（4）進(jìn)行：

式中：Mu——配筋的微孔煤矸石混凝土構(gòu)件極限抗彎承載力；x——微孔煤矸石混凝土受壓區(qū)高度；b——試件寬度；h0——試件截面計(jì)算高度；fcm——微孔煤矸石混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fy——受拉區(qū)鋼筋屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；As——受拉區(qū)鋼筋截面積；β——微孔煤矸石混凝土受壓區(qū)高度修正系數(shù)。

式中修正系數(shù)β=0.75，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定有限元分析的合理性，并進(jìn)行擴(kuò)展分析，由ABAQUS有限元模擬結(jié)果擬合確定（圖7）。經(jīng)檢驗(yàn)，計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差均在5%以內(nèi)，且試驗(yàn)值大于計(jì)算值，偏于安全，滿足工程需要。

圖7 峰值承載力時(shí)鋼筋Mises應(yīng)力云圖

4 結(jié)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(shí)具有輕集料混凝土和泡沫混凝土的優(yōu)點(diǎn)，密度小、強(qiáng)度較高，在建筑領(lǐng)域有較廣闊的發(fā)展空間。本文對配筋的微孔煤矸石混凝土板進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

（1）配筋的微孔煤矸石混凝土構(gòu)件具有較好的強(qiáng)度和剛度，且具有輕質(zhì)、環(huán)保、保溫、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，能較好滿足裝配化建筑產(chǎn)業(yè)要求；

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

（3）試驗(yàn)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。