輕量化預(yù)制混凝土疊合樓板力學(xué)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(xiàn)代建筑工程的快速發(fā)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(huán)保方面。輕量化預(yù)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(xué)性能和施工便捷性，正逐漸成為工程應(yīng)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(yù)制混凝土疊合樓板試件的制備及其力學(xué)性能進行試驗分析，如圖1 所示。

圖1 輕量化預(yù)制混凝土疊合樓板示意圖

2 試驗準備

本次試驗中，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010 和《鋼筋桁架樓承板應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》T/CECS 1069-2022 的標準，設(shè)計兩組共計六塊輕量化預(yù)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(shè)計旨在探究桁架間距對樓板性能的影響。試件尺寸及設(shè)計參數(shù)見表1

表1 試件尺寸及設(shè)計參數(shù)

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(yù)制混凝土疊合樓板在受到軸向壓縮力時的表現(xiàn)。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010 規(guī)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(jié)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(huán)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(yīng)的變形量。根據(jù)所得數(shù)據(jù)，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(yù)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(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50010-2010 中的相關(guān)規(guī)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(jīng)歷了一個緩慢增加的拉力直至發(fā)生斷裂。為了確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，每組樣品均進行了三次重復(fù)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(yīng)的伸長率。

4 試驗加載方案

本試驗的關(guān)鍵在于準確地重現(xiàn)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(shè)置為固定鉸支座和可動鉸支座，以構(gòu)建一個經(jīng)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(zhuǎn)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(shè)置旨在模擬實際建筑結(jié)構(gòu)中樓板的支撐條件，確保試驗結(jié)果能夠真實地反映樓板在實際應(yīng)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(chǎn)生連續(xù)且均勻分布的荷載，如圖2 所示。荷載的分布和大小是根據(jù)預(yù)先計算的樓板設(shè)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(shè)計荷載或樓板發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)破壞。整個過程中，使用傳感器和測量設(shè)備來記錄樓板的變形、應(yīng)力和其他相關(guān)參數(shù)。這些數(shù)據(jù)對于分析樓板的承載能力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)至關(guān)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(wěn)定性和可重復(fù)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(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析提供堅實的基礎(chǔ)。

5 試驗結(jié)果與分析

5.1 試件抗壓強度結(jié)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(yù)制混凝土疊合樓板的抗壓強度表現(xiàn)出了令人滿意的結(jié)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(shè)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(chǎn)生裂縫，最終導(dǎo)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(nèi)部的鋼筋桁架結(jié)構(gòu)則提供了額外的穩(wěn)定性和支撐。這些結(jié)果強調(diào)了細石混凝土以及鋼筋桁架在預(yù)制混凝土疊合樓板中的重要作用，同時也證明了該設(shè)計對于提高建筑結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性是有效的。

5.2 試件抗拉強度結(jié)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(xiàn)也符合預(yù)期。試件QLH1 至QLH6 的抗拉強度均在2.4 至2.6 MPa 范圍內(nèi)，與C30 混凝土的典型抗拉性能相符。這一結(jié)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(jié)構(gòu)中可能遇到的各種拉伸應(yīng)力。

觀察試件的破壞模式，可以發(fā)現(xiàn)主要的破壞形式為沿縱向的裂縫，這表明拉伸應(yīng)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(jié)果進一步證實了鋼筋桁架與混凝土之間良好的粘結(jié)性和協(xié)同作用，有助于提高整體結(jié)構(gòu)的抗拉性能。從試驗結(jié)果來看，桁架間距對抗拉強度的影響同樣不明顯，這表明設(shè)計中選擇的桁架間距能夠有效地滿足結(jié)構(gòu)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(jié)論

輕量化預(yù)制混凝土疊合樓板在抗壓和抗拉方面的良好表現(xiàn)，展示了其在建筑工程中的應(yīng)用潛力。試驗結(jié)果不僅驗證了樓板設(shè)計的合理性，也為未來的樓板設(shè)計和施工提供了重要的參考數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。通過對這些數(shù)據(jù)的深入分析，可以進一步優(yōu)化樓板結(jié)構(gòu)，以提高其在實際應(yīng)用中的性能和可靠性。