秸秆粉煤灰复合条板抗弯承载性能试验研究

时间：2024-07-28

曾理文,尹华尧

(1.北京城建长城建筑装饰有限公司北京 100089; 2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610000)

农作物秸秆是一种韧性材料，粉煤灰是一种刚性材料，将这两种材料结合起来能废物再利用，开发出低成本高性能的建筑复合墙板。原材料中大量采用工农业废弃物，降低了农作物秸秆焚烧及粉煤灰处置带来的环境污染[1-2]；柔性纤维的加入能够抗混凝土干缩裂缝[2]，丝状秸秆(2～4 cm)同样具有此种作用；墙板可采用工厂化生产，质量易于得到保证，且经过材料抗压性能试验，其抗压强度易于满足相关规范要求[3]；现场安装工艺简单，对工人技术要求低，安装精度高速度快；干法施工湿作业少，对环境污染小；墙板自重轻易于人工搬运及安装；符合国家大力推广的建筑工业化要求，适合在房屋建筑中大量推广应用。

为满足墙体轻质性要求，在满足抗压强度的条件下，墙板自重越轻越好，故考虑采用两种方式达到此目的。

(1)优化骨料级配，采用秸秆纤维与粉煤灰共同加入水泥基胶凝材料中，降低自重并提高其抗局部开裂的能力；将影响板自重大的骨料用陶粒替换；墙板中不放骨料，直接采用秸秆砂浆。

(2)将墙板内部设置为空心夹层，便于安放管线的同时减少材料用量，达到进一步降低墙板自重的目的。空心夹层采用泡沫板进行填充，固定墙板上下层钢筋网片，同时提高保温隔热及隔声性能，如图1所示，墙板一次浇筑成型整体性好，详细构造见发明专利[4]。为保证墙体轻质性且强度满足相关规范要求[5-6]，墙板需配置抗拉材料，选用带肋钢筋或钢丝网片来实现(图2)，其对墙板的抗弯性能增强作用非常明显。

图1 墙体条板

对墙板进行抗弯承载力计算，并测的墙板在加载过程中的挠度及应变，分析墙板破坏形态，得到荷载-挠度及荷载-应变关系，所得相关数据为墙板的推广应用提供参考。

图2 钢丝网片

1 试验概况

1.1 试件设计

共制作了8块墙板试件，墙板尺寸长×宽×厚为2 850 mm×600 mm×150 mm，骨架分为钢筋骨架和钢丝网片两种。墙板配筋见图3，内置泡沫板见图4填充区域。钢筋骨架为在墙板纵向布置钢筋HPB335，纵向分布钢筋φ8 mm，横向分布钢筋φ6 mm，为提高上下双侧钢筋网片工作性能，在网片间采用穿墙钢筋连接上下两排钢筋，为φ10 mm。根据所需试验中的8块墙板构件见表1，将墙板的制作所需要的混凝土材料配合比的不同分为了4组，配合比详见表3。

图3 钢筋网片平面布置(单位:mm)

1.2 墙板配筋计算

墙板平面示意见图4(阴影部分空白)，单独计算部分1，

表1 试件编号及组成

图4 墙板计算简图

其中部分1与部分3相同，将其视为板进行计算，依据规范[7]的相关规定，依据混凝土极限受压区高度限值见式(1)。

(1)

求解得：x=11mm

fcbx=fyAs

(2)

将混凝土抗压强度标准值fc=14.3N/mm2，板宽度b=1000mm，钢筋屈服强度fy=300N/mm2，代入式(2)，即14.3×1000×11=300As，求解As=524.33mm2，根据计算取5根HRB335，φ12 mm的钢筋，实际配筋面积为565 mm2。

单独计算部分2，部分2与部分4相同，将其视为梁。

14.3×40×55=300As，求解得：As=104.9mm2

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取2根HRB335,φ8 mm的钢筋，实际配筋面积为101 mm2。

验算：根据通用技术要求[5]的规定，本条板厚度为200 mm，条板的抗弯破坏荷载应当是板自重的2倍，即为400 kg。取1 kg的重力约等于10 N，则400 kg的重力为4 kN。

(3)

(4)

(5)

(6)

板单元2、板单元4的承载力低于混凝土单元1、混凝土单元2，考虑构件安全，取板计算单元1～计算单元4承载力均为0.985 kN·m。M1+M2+M3+M4=0.985×4=3.94kN·m>1.25kN·m,故配筋安全。依据图6(a)所示，利用结构力学知识，对简支板进行计算，得到板可承受的竖向荷载值为11.88 kN。

表2 抗弯荷载破坏指标

1.3 混凝土材料的配合比选取

完成了4组混凝土配合比，见表3所示，成型及加载示意如图5所示。

图5 混凝土试块的制作与试验

表3 混凝土配合比

1.4 试件制作

试验墙板制作过程见图6所示。

(1)钢筋网片采用泡沫波纹板固定，如图6(a)所示，同时泡沫波纹板起到内部填充的作用，便于形成内部空心夹层。

(2)按照配合比制备胶凝材料干拌掺和料，并加入秸秆后搅拌如图6(b)所示。

(3)把钢筋骨架和钢丝网片放入模板中固定，浇筑过程中用振捣棒振捣如图6(c)所示。

(4)最后将表面抹平如图6(d)所示，静止养护待达到龄期后拆模。

图6 条板成型工艺

1.5 试验加载装置

试验是根据JG/T169-2005《建筑隔墙用轻质墙板》[3]的试验方法进行的。试验采用单调分级加载，观察应变、裂缝和挠度等情况，加载示意如图7(a)，现场试验装置如图7(b)。为实现墙板两端等效为固定铰支座，将圆钢管放置到分配梁下端，以实现三点弯加载。

(a) 抗弯破坏加载示意(单位:mm)

(b)试验现场布置图7 试验加载装置

1.6 测量内容及仪表布置

试验采用DH3815N静态应变测试系统。试验中共布置5个位移计，用于测量板跨中、1/4处及支座处的挠度，布置见图8。每块墙板布置8个应变片，跨中截面及距支座1/4处2根纵向钢筋的应变；板底跨中及1/4处混凝土板底的应变，布置见图9所示。

图8 位移计布置(单位:mm)

图9 应变片布置

2 试验结果

2.1 试验现象

B-2、B-4、B-6、B-8四块墙板内部均铺有钢丝网片，在加载过程中发生脆性破坏，破坏前没有预先征兆，四块板均在墙板1/2跨度处出现通缝，直接破坏，明显抗弯承载力不足，即便是对于混凝土板承载力也很低。采用裂缝比对卡对配有钢筋的B-1,B-3,B-5及B-7的裂缝宽度进行测量，画出裂缝出现位置和开展情况见图10所示，可看到：

(1)大部分裂缝分布在板的跨中，因其为弯矩最大处。

(2)内置的聚苯乙烯板边缘处应力复杂，随加载进行该区域裂缝逐渐发展成主裂缝而破坏，相应的墙板破坏图片见裂缝分布后所对应的图片。

2.2 主要试验结果分析

试件试验测得的荷载和挠度见表4，可看出与普通混凝土相比，秸秆混凝土的开裂荷载降低了41.8 %，极限荷载降低了23.4 %；陶粒混凝土开裂荷载和极限荷载分别降低了47.8 %，40.5 %；秸秆砂浆在四个试件中荷载最低，比普通混凝土开裂荷载降低59 %，极限荷载降低了43.89 %。

表4 主要试验结果

图10 裂缝分布及墙板破坏(单位：mm)

2.3 荷载-挠度分析

跨中荷载-挠度见图11所示，试件经历弹性、弹塑性和破坏三个阶段。

(1)开始加载时曲线呈弹性关系，随加载进行跨中出现第一条裂缝曲线发生转折是由于墙板受拉区混凝土开裂导致。继续加载裂缝不断出现，原有裂缝变宽，当纵向钢筋达到屈服应变时墙板也进入弹塑性变形阶段。

(2)纵向钢筋屈服后随荷载增加，板挠度增加明显，裂缝宽度变宽，直到板出现主裂缝而无法继续承载。

(3)B-1承载力高且刚度退化较缓慢，B-7虽初始刚度大，但砂浆开裂后由于缺少骨料作用，刚度退化迅速，承载力降低明显且快速失效。

图11 荷载-挠度曲线

2.4 墙板荷载-应变曲线

混凝土荷载-应变曲线见图12，板开裂前钢筋应变很小，在荷载分别达到8.2 kN、14.1 kN、5.78 kN、7.36 kN时，B-1、B-3、B-5及B-7的曲线出现明显转折点，由于板开裂瞬间受拉区墙板面积减小，导致裂缝处钢筋应变陡增。从图13钢筋荷载-应变曲线可看到：墙板进入弹塑性阶段钢筋应变增加变快；由于钢筋屈服曲线又出现了第二个转折点，紧接着墙板进入了破坏阶段，随荷载稍增钢筋应变急剧增加，板的延性表现良好，继续加载到板开裂后应变读数急剧增大直到板破坏。

图12 混凝土荷载-应变曲线

图13 钢筋荷载-应变曲线