鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板性能研究

王雪，雷強(qiáng)，彭羅文，柳培玉，石永，陳威威，孫彤彤

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 前言

隨著建筑業(yè)的持續(xù)并高速發(fā)展，帶來了一系列環(huán)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(huán)境與資源的角度，裝配式建筑具有節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材的顯著特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)綠色建筑的重要途徑[1]。并且，綠色、健康、可持續(xù)等理念已深深固化于裝配式建筑當(dāng)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(biāo)和宗旨，即環(huán)保、節(jié)能減排、綠色化、持續(xù)發(fā)展化[2]。

鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板是一種新型綠色墻體板材。在生產(chǎn)過程中消耗大量工業(yè)廢料——粉煤灰，從原材料方面可達(dá)到循環(huán)再利用，屬于綠色墻體材料，滿足裝配式建筑對(duì)外圍護(hù)墻板的生態(tài)要求。鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板是以鋼絲網(wǎng)架和玻璃纖維網(wǎng)布為增強(qiáng)層，以間隔放置于W型覆絲網(wǎng)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(qiáng)度、低收縮泡沫混凝土為防護(hù)層的非承重預(yù)制外圍護(hù)用墻板，如圖1所示。其中高強(qiáng)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(jīng)混合攪拌、澆筑成型、養(yǎng)護(hù)而成具有閉孔結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)、高強(qiáng)多孔混凝土[3]，且干密度一般不大于1030 kg/m3。鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板兩側(cè)設(shè)置企口。該墻板具有整體性好、輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫、隔熱、隔聲、環(huán)保、制備工藝簡單等特點(diǎn)，是一種可以與目前廣泛應(yīng)用的蒸壓加氣混凝土墻板相媲美的節(jié)能型墻體板材[2]。

本文通過試驗(yàn)研究，探討鋼絲網(wǎng)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(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板

1 鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板抗彎性能的研究

1.1 鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板試件設(shè)計(jì)

試件尺寸（長×寬×厚）為3000 mm×600 mm×150 mm，墻板試件內(nèi)部鋼絲網(wǎng)架是由橫向鍍鋅低碳鋼絲與W型鍍鋅低碳覆絲網(wǎng)片焊接而成，形成的兩側(cè)鋼絲網(wǎng)片網(wǎng)孔規(guī)格為50 mm×50 mm，鋼絲直徑為3 mm，抗拉強(qiáng)度為440.1 MPa，鋼絲網(wǎng)片間W型覆絲間距為50 mm，W型覆絲直徑為2 mm，鋼絲網(wǎng)架四周采用U型鋼絲網(wǎng)進(jìn)行包覆，且U型鋼絲網(wǎng)與兩側(cè)鋼絲網(wǎng)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(nèi)、外側(cè)分別為厚度50 mm的高強(qiáng)度、低收縮泡沫混凝土，其中泡沫混凝土干密度等級(jí)不大于A10，且強(qiáng)度等級(jí)不低于C5。墻板試件截面構(gòu)造如圖2所示。2個(gè)墻板試件的實(shí)測質(zhì)量均為200 kg。

圖2 抗彎性能墻板試件截面構(gòu)造示意

1.2 泡沫混凝土實(shí)測抗壓強(qiáng)度

試件預(yù)制時(shí)預(yù)留3個(gè)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(yǎng)護(hù)。將上述泡沫混凝土立方體試件置于試驗(yàn)機(jī)承壓板上，使試件的軸線與試驗(yàn)機(jī)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(shù)平均值為測試值，精確至0.1 MPa。實(shí)測抗壓強(qiáng)度平均值為7.7 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.3 抗彎荷載設(shè)計(jì)與加載機(jī)制

墻板試件以100 m建筑高度最不利工況下風(fēng)荷壓為抗彎荷載指標(biāo)，根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》規(guī)定，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合式（1）規(guī)定：

式中：wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

βgz——高度z處的陣風(fēng)系數(shù)，根據(jù)GB 50009—2012中表8.6.1規(guī)定，當(dāng)離地高度100 m，地面粗糙度類別為C類時(shí)，取1.69；

μsl——風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，根據(jù)GB 50009—2012中第8.3.3條規(guī)定，對(duì)墻面取值為-1.4；

μz——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，根據(jù)GB 50009—2012中表8.2.1規(guī)定，當(dāng)離地高度100 m，地面粗糙度類別為C類時(shí)，取1.50；

w0——基本風(fēng)壓，根據(jù)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(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.60kN/m2，風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值為2.40 kN/m2，根據(jù)試件設(shè)計(jì)規(guī)格（試件長度取3000 mm，試件寬度取600 mm），即風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值為4.32 kN，此值作為試件加荷分級(jí)依據(jù)。

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(dòng)鉸支座，支座中間間距調(diào)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(yàn)采用荷載分級(jí)加載機(jī)制，并且不包括墻板試件自重。當(dāng)所施荷載小于風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值時(shí)，每級(jí)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(biāo)，即風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值，再靜置30 min。當(dāng)荷載超過抗彎荷載指標(biāo)時(shí)，每級(jí)荷載取板自重的10%，繼續(xù)分別加荷至斷裂破壞。記取第1級(jí)荷載至斷裂破壞前1級(jí)荷載總和P為試驗(yàn)結(jié)果。墻板試件的抗彎荷載試驗(yàn)結(jié)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(yàn)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(jí)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(yàn)裝置

圖5 千分表布置位置示意

1.4 墻板抗彎性能試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)

1.4.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

試件1在逐級(jí)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(jí)時(shí)，在板底1/4跨處出現(xiàn)第1條裂縫，裂縫寬度為0.1 mm。隨著荷載不斷增加，裂縫進(jìn)一步蔓延且板底裂縫數(shù)量增多。第10級(jí)荷載時(shí)，跨中裂縫達(dá)到0.2mm，荷載增量減半，但撓度增量加大，第20級(jí)荷載時(shí)墻板因受力鋼絲拉斷而斷裂失效。試件1的破壞形態(tài)如圖6所示。

圖6 試件1的破壞形態(tài)

試件2在逐級(jí)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(jí)時(shí)，在板底1/4跨處出現(xiàn)第1條裂縫。隨著荷載不斷增加，裂縫進(jìn)一步蔓延且板底裂縫數(shù)量增多?？缰辛芽p達(dá)到0.2 mm時(shí)，逐級(jí)加荷減半，但撓度增量加大，最終跨中裂縫達(dá)到1.5 mm時(shí)判定試件失效。試件2的破壞形態(tài)及跨中主裂縫如圖7、圖8所示。

1.4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，取L/200為泡沫混凝土防火外墻板正常使用狀態(tài)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(dá)到跨度的1/200時(shí)荷載、風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值下?lián)隙?、試件失效特征等?shù)據(jù)。

圖7 試件2的破壞形態(tài)

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(gè)試件的荷載-撓度曲線形狀大致相似。因?yàn)樵嚰?nèi)配置沒有明顯屈服點(diǎn)的冷拔低碳鋼絲骨架，所以與普通受彎構(gòu)件有所不同。

表1 試件的抗彎試驗(yàn)結(jié)果

1.5 墻板抗彎性能分析

對(duì)泡沫混凝土防火外墻板正截面承載力進(jìn)行假定：墻板內(nèi)W型覆絲在同一平面內(nèi)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(yīng)變符合平截面假定，即截面應(yīng)變沿高度保持線性變化。

參考GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)矩形截面受彎承載力的有關(guān)規(guī)定，得到式（2）：

由于板內(nèi)鋼絲不能屈服，所以可認(rèn)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(qū)高度可按式（3）、式（4）確定：

式中：fy——縱向受拉鋼絲的抗拉強(qiáng)度，N/mm2；

As——縱向受拉鋼絲的截面面積，mm2；

a1——系數(shù)，混凝土強(qiáng)度不超過C50時(shí)，取1.0。

正截面承載力計(jì)算簡圖如圖10所示。

圖10 正截面承載力計(jì)算簡圖

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

根據(jù)表1的試驗(yàn)結(jié)果可知，試件1和試件2的抗彎荷載分別是撓度為1/200時(shí)的荷載，即3.25、3.17 kN/m2，均大于風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值（2.40kN/m2）。并且試件的試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，可以判定，鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板滿足正常使用狀態(tài)下的剛度要求。

2 鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板隔聲性能的研究

鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板采用內(nèi)外為泡沫混凝土，保溫芯材選用憎水豎絲巖棉的構(gòu)造形式。豎絲巖棉不僅是優(yōu)質(zhì)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(jié)能和耐火性能。

2.1 隔聲性能試驗(yàn)試件設(shè)計(jì)

試件構(gòu)造與抗彎荷載試驗(yàn)所用試件構(gòu)造相同。試件在實(shí)驗(yàn)室安裝時(shí)，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(yàn)安裝實(shí)物

2.2 試驗(yàn)方法

本次隔聲試驗(yàn)在國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行。試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T 19889.3—2005《聲學(xué) 建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量 第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測量》進(jìn)行測試。試件的隔聲單值評(píng)價(jià)量依據(jù)GB/T 50121—2005《建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行確定，即計(jì)權(quán)隔聲量RW與頻譜修正量（C或Cu）之和。

2.3 墻板隔聲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試件在各頻段的隔聲量測試結(jié)果見表2。根據(jù)GB/T 50121—2005的規(guī)定，空氣聲隔聲單值評(píng)價(jià)量的評(píng)價(jià)結(jié)果為：RW（C；Ctr）=45（-1；-4）dB。

表2 空氣聲隔聲量測試結(jié)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(zhì)量定律相一致。在125 Hz時(shí)，試件隔聲量出現(xiàn)低估。這是由于外界聲波的激發(fā)頻率與試件彈性系統(tǒng)的固有頻率相同，而發(fā)生的共振現(xiàn)象。

試件隔聲量在高頻段內(nèi)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(shí)引起空隙間空氣振動(dòng)，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(dǎo)等原因，使部分聲能轉(zhuǎn)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(dòng)次數(shù)更多，故能量損耗更大。試件的隔聲單值評(píng)價(jià)結(jié)果為45 dB，滿足非承重圍護(hù)外墻的空氣計(jì)權(quán)隔聲量的使用要求。

3 鋼絲網(wǎng)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(yàn)試件設(shè)計(jì)

耐火極限的試件是將規(guī)格為3000 mm×600 mm×150 mm的鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板置于砌體結(jié)構(gòu)內(nèi)。試件構(gòu)造與抗彎荷載試驗(yàn)所用試件構(gòu)造相同。鋼絲網(wǎng)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(jù)GB 50016—2014（2018年版）《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定，在民用建筑中，非承重外墻為一級(jí)耐火等級(jí)時(shí)，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(jí)耐火等級(jí)時(shí)，耐火極限為2 h，所以，本試驗(yàn)設(shè)置試驗(yàn)試件耐火極限為2 h。

耐火性能試驗(yàn)在國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行。試驗(yàn)方法與判定要求嚴(yán)格按照GB/T 9978.1—2008《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法 第1部分：通用要求》。在背火面的墻板試件表面設(shè)置熱電偶對(duì)不同位置測溫點(diǎn)溫度變化進(jìn)行測試，通過記錄并分析不同測溫點(diǎn)的溫度變化，圖12為布置的5個(gè)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(diǎn)示意

3.2 墻板耐火試驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)象

在爐內(nèi)溫度根據(jù)爐內(nèi)升溫曲線不斷升溫過程中發(fā)現(xiàn)：360 s時(shí)，向火面有爆裂聲，背火面有可見水汽；900 s時(shí)，向火面持續(xù)有爆裂聲，背火面可見水汽增多；1500 s時(shí)，爆裂聲減少，可見水汽減少，之后無變化，直至7200 s時(shí)，完整性未破壞，試驗(yàn)結(jié)束。圖13為7200 s后背火面的破壞現(xiàn)象，圖14為爐內(nèi)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(xiàn)象

圖14 爐內(nèi)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(yàn)，隨著爐內(nèi)不斷升溫，隨著時(shí)間的推移，測溫點(diǎn)的溫度呈穩(wěn)定線性增長，并且增長速度緩慢，540 s后，爐內(nèi)升溫至1000℃，背火面測溫點(diǎn)平均溫度達(dá)到45℃，直到7200 s，背火面測溫點(diǎn)平均溫度持續(xù)緩慢升高，最終達(dá)到50℃。根據(jù)GB/T9978.1—2008第10.2.3條的規(guī)定：試件在7200 s持續(xù)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(diǎn)最高溫度升溫為22.5℃，且未超過初始溫度（包括移動(dòng)熱電偶）180℃；棉墊未被點(diǎn)燃，試件未出現(xiàn)縫隙，背火面未出現(xiàn)火焰。7200s內(nèi)，試件未喪失隔熱性和完整性。

4 結(jié)論

（1）鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板具有較好的平面外抗彎性能，試驗(yàn)結(jié)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(jì)算模型，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證具有較好的準(zhǔn)確性，并且理論計(jì)算結(jié)果偏于安全，可針對(duì)不同承載力要求進(jìn)行工程設(shè)計(jì)計(jì)算。

（3）鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板內(nèi)設(shè)置50 mm厚保溫芯材，可有效提高鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板的隔聲性能。150 mm厚的鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板隔聲單值評(píng)價(jià)量可達(dá)45dB。滿足鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板對(duì)隔聲性能的使用要求。

（4）通過鋼絲網(wǎng)架夾心泡沫混凝土墻板耐火試驗(yàn)研究，可明顯觀察到試件的抗火性能，可達(dá)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(jí)耐火等級(jí)的要求。