水泥膨胀珍珠岩板抗弯性能试验研究

Experimental Study and Finite Element Analysis on Flexural Behavior of Cement Expanded Perlite Composite Exterior Wall Panels

摘要: 为研究水泥膨胀珍珠岩板的抗弯性能，完成了6个不同配筋形式、厚度的试件抗弯承载力试验。对不同设计参数试件的破坏形态、荷载位移曲线、钢筋应变、变形能力进行了分析，建立了水泥膨胀珍珠岩板正截面抗弯承载力计算公式，研究了其抵抗风荷载、地震作用及楼面均布荷载能力。试验与理论分析结果表明：配置有钢筋或钢丝网架 + 钢筋的水泥膨胀珍珠岩板具有良好的延性性能、塑性变形能力，受弯承载力计算值与试验值吻合较好；具有较好的抵抗风荷载、地震作用及楼面均布荷载能力，满足正常使用极限状态和承载能力极限状态要求，安全储备较高，可应用于装配式建筑工程外墙板、隔墙板及楼板。仅采用镀锌钢丝网架的水泥膨胀珍珠岩板，承载力很低、变形能力差，不适用于外墙板和楼板。

Abstract: To study the flexural behavior of cement expanded perlite slabs, six specimens under bending were tested. The effects of the reinforcement arrangement and the thickness on the failure modes, load-displacement curves, reinforcement strain and deformation capacity of the specimens were analyzed. Calculation formulas of normal section flexural capacity were established. The capacity of resistance to wind load, earthquake action and uniform floor load was researched. Research results indicate that cement expanded perlite slabs with rebars or galvanized steel wire grid plus rebars have favorable ductility, plastic deformation capacity, capacity of resistance to wind load, earthquake action and uniform floor load, and higher safety performance. The theoretical results of flexural capacity agreed well with the experimental results. The flexural behavior of cement expanded perlite slabs could meet the requirements of serviceability limit stage and bearing capacity limit state. They can be applied to exterior wall panels, internal partition walls, and floor slabs of prefabricated construction engineering. Cement expanded perlite slabs with galvanized steel wire grid have lower bearing capacity and deformation capacity, which cannot be applied to exterior wall panels and floor slabs.

1. 引言

国内外轻质混凝土外墙板、隔墙板、楼板，应用较广泛地主要为蒸压加气混凝土(AAC)板，有学者对其受力性能已展开了部分研究 [1] [2] [3] [4]，相关规范标准对墙板产品的性能、连接构造、设计等做出了具体规定 [5] [6]。本文研究的水泥膨胀珍珠岩板为轻质混凝土板的一种，采用硅酸盐水泥、水、膨胀珍珠岩、抗裂玻璃纤维、多种添加剂等按一定比例制备形成，适用于装配式建筑中的外墙板、隔墙板及楼板，具有轻质、高强度、防火、自保温、防水、隔音、抗冻、制作方便和绿色环保等性能，无需进行高温蒸压养护，防火性能达到B1级以上，导热系数不大于0.08 W/(m∙K)，满足建筑墙体使用性能要求，且无需单独设置保温层，结构简单。

上海市《装配式建筑墙板技术目录(2018版)》沪建市管(2018)43号文，内墙板目录对三维镀锌钢丝网架水泥膨胀珍珠岩条板常用厚度(90 mm和120 mm)、规格(2700 mm × 600 mm)、相应的技术性能参数给出了具体规定，但其不能直接应用于外墙板和楼板，平面外承载力较低。为进一步拓展水泥膨胀珍珠岩板适用范围，了解其整体受力性能和合理的配筋形式，有必要进行深入研究。国内外还未见相关文献资料，对水泥膨胀珍珠岩板的受力性能展开研究。

本文作者根据6块水泥膨胀珍珠岩板抗弯性能试验，研究其破坏模式、抗弯性能和变形能力，为水泥膨胀珍珠岩板在实际工程中的应用提供试验依据和理论基础。

2. 试验概况

2.1. 试件简介

本试验共制作6块水泥膨胀珍珠岩板(编号：B1~B6)，所有试件长度均为3300 mm，宽度均为600 mm，厚度包括150 mm和200 mm；钢筋主要采用直径2 mm镀锌钢丝网架、HRB400级钢筋，保护层厚度分别为10 mm和15 mm，考虑的配筋形式有三种：2 mm镀锌钢丝网架、2 mm镀锌钢丝网架+钢筋、钢筋，采用镀锌钢丝网架为上海市《装配式建筑墙板技术目录(2018版)》推荐的内墙板产品所采用的配筋形式；试件B1~B6截面详见图1，参数设计详见表1；研制的膨胀珍珠岩水泥材料性能详见表2，钢筋材料性能详见表3。

(a) 试件B1、B3 (b) 试件B2、B4 (c) 试件B5、B6

Figure 1. Cross sections of specimens

图1. 试件截面图

Table 1. Design information of specimens

表1. 试件参数设计表

Table 2. Properties of expanded perlite cement

表2. 膨胀珍珠岩水泥材料性能

注：f_cu为立方体抗压强度平均值，f_c为棱柱体轴心抗压强度平均值，E_c为弹性模量。

Table 3. Properties of reinforcement

表3. 钢筋材料性能

注：f_y为屈服强度平均值，f_u为极限强度平均值。

2.2. 加载装置与测点布置

本次试验主要研究水泥膨胀珍珠岩板平面外抗弯性能，以等效集中荷载代替平面外均布荷载作用。试验加载方案采用四分点加载法，在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行，试验装置如图2所示。

Figure 2. Test setup

图2. 加载装置

试验采用位移计测量支座、1/4跨、跨中处板的竖向位移。跨中位置粘贴应变片测量板底受拉钢筋和板面受压钢筋应变。试验过程中记录裂缝的发展规律，并观测作动器荷载—位移曲线。

竖向荷载采用位移控制加载，试验正式开始前进行预加载，以检验设备是否正常，位移加载制度：1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、7.5 mm、10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm……，直到荷载下降到峰值荷载的85%以下或裂缝宽度达到1.5 mm或无法继续加载为止。

3. 试验结果及分析

3.1. 试验现象

1) 试件B1~B4在安装完成加载前自重荷载作用下无裂缝出现，B1和B2板加载至5 mm、B3和B4板加载至3 mm时，两四分点之间板底和板侧开始出现细小裂缝。

2) 随着加载位移的增加，试件B1~B4上的裂缝逐渐开展，靠近两四分点之间板底和板侧受弯引起的裂缝数量增多，裂缝宽度增大，板底裂缝逐渐贯通，B1~B4板分别加载至10 mm、10 mm、7.5 mm和20 mm，裂缝宽度达0.2 mm。试件B2和B4支座至四分点之间板侧出现少许斜裂缝。

3) 试件B1~B4破坏时，受压区均无裂缝产生，荷载增长缓慢，但未出现下降。B1板加载至30 mm，B2板加载至55 mm，B3板加载至50 mm，裂缝宽度达1.5 mm；B4板加载至50 mm过程中，支座处突然断裂，发生脆性破坏，钢筋未剪断，上一级荷载作用下受弯裂缝宽度达0.5 mm。由试验现象可知，试件B1~B3的破坏形式均为弯曲破坏；试件B4最终发生支座处剪切破坏，但板底受拉钢筋早已发生屈服。

(a) 试件B1 (b) 试件B2 (c) 试件B3 (d) 试件B4 (e) 试件B5 (f) 试件B6

Figure 3. Failure modes of specimens

图3. 试件破坏形态

4) 试件B5在加载至4 mm时，跨中板底出现贯通裂缝，裂缝宽度达1.5 mm，峰值荷载为1.52 kN；试件B6在安装加载梁过程中，跨中发生脆性断裂。由试验现象可知，仅采用镀锌钢丝网架的水泥膨胀珍珠岩板受弯承载力很低、变形能力差，不适用于外墙板和楼板。各试件最终破坏形态如图3所示。

3.2. 荷载−跨中位移曲线

图4所示为试件B1~B4的作动器竖向荷载−跨中位移关系曲线。由图4可知：

1) 在加载初期，试件处于弹性阶段，荷载—位移曲线基本呈线性变化，试件开裂以后，钢筋逐渐屈服，开始进入弹塑性阶段，抗弯刚度减小。试件破坏时，荷载未见明显下降。

2) 采用钢筋相比于钢丝网架+钢筋的配筋形式，抗弯刚度增加，破坏时极限荷载增大。

3) 板厚提高，抗弯刚度增加，破坏时极限荷载增大。

4) 配置有钢筋或钢丝网架+钢筋的水泥膨胀珍珠岩板，相比于仅采用镀锌钢丝网架，承载力有较大幅度的提高。

Figure 4. Load-displacement curves

图4. 荷载—位移关系曲线

3.3. 钢筋应变

试件B1~B4跨中位置板底受拉钢筋和板面受压钢筋应变—跨中位移关系曲线如图5、图6所示。钢筋屈服应变取2263微应变。

1) 由图5可知，随着跨中位移的增大，板底受拉钢筋应变逐渐增加，破坏时各试件钢筋均已发生屈服。屈服时，试件B1~B4对应的跨中位移分别为21.8 mm、20.6 mm、22.8 mm、32.9 mm。

2) 由图6可知，试件B1随着跨中位移的增大，板面受压钢筋应变逐渐增加，破坏时钢筋未发生屈服。试件B2~B4随着跨中位移的增大，板面受压钢筋应变先增大后逐渐减小，过程中钢筋未发生屈服。

3.4. 变形能力

试件B1~B4在不同受力状态下的荷载P、跨中位移 $\Delta$ 、位移延性系数 ${\mu }_{\Delta }$ 如表4所示。板底钢筋屈服时，对应的荷载和位移为屈服荷载P_y和屈服位移 ${\Delta }_y$ ；试件破坏时，对应的荷载和位移为极限荷载P_u和极限位移 ${\Delta }_u$ ；位移延性系数 ${\mu }_{\Delta }={\Delta }_u/{\Delta }_y$ ；跨中位移达正常使用阶段允许挠度L/200 = 15 mm时，对应的荷载为P_L/200，L为板跨；裂缝宽度达正常使用阶段允许宽度0.2 mm时，对应的荷载和位移为P_0.2和 ${\Delta }_{0.2}$。由表4可知：

1) 试件B1~B4的位移延性系数依次为2.40，2.84，3.47和2.12，表明配置有钢筋或钢丝网架 + 钢筋的水泥膨胀珍珠岩板具有较好的延性性能，未发生钢筋屈服立即发生受弯脆性破坏现象。

2) 试件B1~B4破坏时极限挠度依次为1/57、1/51、1/38和1/43，表明配置有钢筋或钢丝网架 + 钢筋的水泥膨胀珍珠岩板具有良好的塑性变形能力。

3) 达到正常使用允许挠度或允许裂缝宽度，最不利情况下，试件B1~B4对应的荷载 $P_s$ (位移 ${\Delta }_s$ )分别为：18.1 kN (15 mm)、24.0 kN (12.9 mm)、7.3 kN (10.8 mm)和12.4 kN (15 mm)。

Figure 5. Tensile strain-displacement curves

图5. 受拉应变–位移关系曲线

Figure 6. Compressive strain-displacement curves

图6. 受压应变–位移关系曲线

3.5. 正截面承载力分析

本文研发的配置有钢筋或钢丝网架 + 钢筋的水泥膨胀珍珠岩板作为轻质混凝土板，与蒸压加气混凝土板受力性能较相似，参考其正截面抗弯承载力计算方法，建立水泥膨胀珍珠岩板正截面抗弯承载力计算公式：

$M_{u,cal}=0.9f_{c}bx\left(h_0-\frac{x}{2}\right)$ (1)

$f_{c}bx=f_y{A}_s+f_{ys}{A}_{ss}$, $x\le 0.5h_0$ (2)

式中： $M_{u,cal}$ 为正截面受弯承载力； $f_c$ 为棱柱体轴心抗压强度标准值；b为板材截面宽度； $h_0$ 为截面有效高度；x为受压区高度； $f_y$ 为纵向受拉钢筋屈服强度； $A_s$ 为纵向受拉钢筋面积； $f_{ys}$ 为纵向受拉钢丝屈服强度； $A_{ss}$ 为纵向受拉钢丝面积。

Table 4. Vertical load, displacement and displacement ductility coefficients of specimens

表4. 试件的竖向荷载、位移、位移延性系数

由上式(1)和(2)，计算得到试件B1~B4弯矩理论值 $M_{u,cal}$。根据极限荷载 $P_u$ 和正常使用允许荷载 $P_s$，考虑试件自重，换算得到弯矩试验值 $M_u$ 和 $M_s$。 $M_{u,cal}$ 、 $M_u$ 和 $M_{u,cal}/M_u$ 详见表5所示。由表5可知，弯矩理论值与试验值之比 $M_{u,cal}/M_u$ 在0.93~1.04之间，理论值与试验值吻合较好，表明建立的水泥膨胀珍珠岩板正截面抗弯承载力计算公式合理正确。

Table 5. Test and calculated results of bearing capacity and load effect

表5. 试件承载力试验值、计算值及荷载效应

3.6. 抵抗荷载作用能力

配置有钢筋或钢丝网架 + 钢筋的水泥膨胀珍珠岩板应用于外墙板，需抵抗风荷载和地震作用；应用于楼板，需承受相应的楼面均布荷载。

1) 风荷载

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009-2012) [7] 规定，外墙板的风荷载标准值 ${\omega }_k$ 按下式计算：

${\omega }_k={\beta }_{gz}{\mu }_{sl}{\mu }_z{\omega }_0$ (3)

式中： ${\beta }_{gz}$ 为高度z处的阵风系数； ${\mu }_{sl}$ 为局部风压体型系数； ${\mu }_z$ 为风压高度变化系数； ${\omega }_0$ 为基本风压。

以上海地区100 m高度处C类地面粗糙度为基础进行计算，基本风压 ${\omega }_0=0.55\text{kN}/{\text{m}}^{\text{2}}$，阵风系数 ${\beta }_{gz}=1.69$，局部风压体型系数 ${\mu }_{sl}=2.5$ (考虑最不利)，风压高度变化系数 ${\mu }_z=1.50$，代入上式(3)后得 ${\omega }_k=3.5\text{kN}/{\text{m}}^{\text{2}}$。试件B1~B4在风载荷标准值作用下，引起的跨中正截面弯矩效应 $M_w$ 详见表5。

2) 水平地震作用

计算水平地震作用标准值时，可采用等效侧力法，根据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1-2014) [8] 规定，按下式进行计算：

$F_{Ehk}={\beta }_E{\alpha }_{\max }{G}_k$ (4)

式中： $F_{Ehk}$ 为施加于外挂墙板重心处的水平地震作用标准值； ${\beta }_E$ 为动力放大系数，可取5； ${\alpha }_{\max }$ 为水平地震作用影响系数最大值； $G_k$ 为外挂墙板的重力荷载标准值。

考虑抗震设防烈度8度(0.3 g)，求得试件B1、B2及B3、B4的水平地震作用标准值 $F_{Ehk}$ 分别为4.4 kN和3.3 kN，换算得到的跨中正截面弯矩效应 $M_e$ 详见表5。

由表5可知，试件B1~B4弯矩效应 $M_w$ 、 $M_e$ 均小于正常使用允许弯矩 $M_s$ 和极限弯矩 $M_u$， $M_s/\max \left(M_w,M_e\right)$ 在1.5~3.2之间， $M_u/\max \left(M_w,M_e\right)$ 在3.4~5.4之间，表明水泥膨胀珍珠岩外墙板具有较好的抵抗风荷载及地震作用能力，安全储备较高，可应用于实际工程中。

3) 楼面均布荷载

试件B1~B4对应的正常使用允许荷载 $P_s$ 分别为18.1 kN、24.0 kN、7.3 kN和12.4 kN，相应的等效楼面均布荷载分别为10.1 kN/m²、13.3 kN/m²、4.1 kN/m²和6.9 kN/m²。由计算结果可知，试件B1、B2和B4承载力较高，可运用于楼板，试件B3承载力较低，不建议使用。

4. 结论

1) 配置有钢筋或钢丝网架+钢筋的水泥膨胀珍珠岩板试件破坏时，荷载未见明显下降，受压区均无裂缝产生，板底受拉钢筋屈服，板面受压钢筋未屈服。采用钢筋相比于钢丝网架 + 钢筋的配筋形式及板厚提高，试件抗弯刚度增加，破坏时极限荷载增大。

2) 仅采用镀锌钢丝网架的水泥膨胀珍珠岩板，承载力很低、变形能力差，不适用于外墙板和楼板。

3) 建立了水泥膨胀珍珠岩板正截面抗弯承载力计算公式，理论值与试验值吻合较好，表明建立的水泥膨胀珍珠岩板正截面抗弯承载力计算公式合理正确，可应用于配筋设计计算。

4) 配置有钢筋或钢丝网架 + 钢筋的水泥膨胀珍珠岩板具有良好的延性性能、塑性变形能力，较好的抵抗风荷载、地震作用、楼面均布荷载能力，满足正常使用极限状态和承载能力极限状态要求，安全储备较高，可应用于装配式建筑工程外墙板、隔墙板及楼板。

基金项目

国家重点研发计划资助(项目编号：2017YFC0702900) (National Key R&D Program of China (No. 2017YFC0702900))。

NOTES

^*通讯作者。