秸稈粉煤灰復(fù)合條板抗彎承載性能試驗(yàn)研究

曾理文,尹華堯

(1.北京城建長(zhǎng)城建筑裝飾有限公司 北京 100089; 2.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610000)

農(nóng)作物秸稈是一種韌性材料，粉煤灰是一種剛性材料，將這兩種材料結(jié)合起來(lái)能廢物再利用，開(kāi)發(fā)出低成本高性能的建筑復(fù)合墻板。原材料中大量采用工農(nóng)業(yè)廢棄物，降低了農(nóng)作物秸稈焚燒及粉煤灰處置帶來(lái)的環(huán)境污染[1-2]；柔性纖維的加入能夠抗混凝土干縮裂縫[2]，絲狀秸稈(2～4 cm)同樣具有此種作用；墻板可采用工廠化生產(chǎn)，質(zhì)量易于得到保證，且經(jīng)過(guò)材料抗壓性能試驗(yàn)，其抗壓強(qiáng)度易于滿足相關(guān)規(guī)范要求[3]；現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝簡(jiǎn)單，對(duì)工人技術(shù)要求低，安裝精度高速度快；干法施工濕作業(yè)少，對(duì)環(huán)境污染??；墻板自重輕易于人工搬運(yùn)及安裝；符合國(guó)家大力推廣的建筑工業(yè)化要求，適合在房屋建筑中大量推廣應(yīng)用。

為滿足墻體輕質(zhì)性要求，在滿足抗壓強(qiáng)度的條件下，墻板自重越輕越好，故考慮采用兩種方式達(dá)到此目的。

(1)優(yōu)化骨料級(jí)配，采用秸稈纖維與粉煤灰共同加入水泥基膠凝材料中，降低自重并提高其抗局部開(kāi)裂的能力；將影響板自重大的骨料用陶粒替換；墻板中不放骨料，直接采用秸稈砂漿。

(2)將墻板內(nèi)部設(shè)置為空心夾層，便于安放管線的同時(shí)減少材料用量，達(dá)到進(jìn)一步降低墻板自重的目的?？招膴A層采用泡沫板進(jìn)行填充，固定墻板上下層鋼筋網(wǎng)片，同時(shí)提高保溫隔熱及隔聲性能，如圖1所示，墻板一次澆筑成型整體性好，詳細(xì)構(gòu)造見(jiàn)發(fā)明專利[4]。為保證墻體輕質(zhì)性且強(qiáng)度滿足相關(guān)規(guī)范要求[5-6]，墻板需配置抗拉材料，選用帶肋鋼筋或鋼絲網(wǎng)片來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖2)，其對(duì)墻板的抗彎性能增強(qiáng)作用非常明顯。

圖1 墻體條板

對(duì)墻板進(jìn)行抗彎承載力計(jì)算，并測(cè)的墻板在加載過(guò)程中的撓度及應(yīng)變，分析墻板破壞形態(tài)，得到荷載-撓度及荷載-應(yīng)變關(guān)系，所得相關(guān)數(shù)據(jù)為墻板的推廣應(yīng)用提供參考。

圖2 鋼絲網(wǎng)片

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

共制作了8塊墻板試件，墻板尺寸長(zhǎng)×寬×厚為2 850 mm×600 mm×150 mm，骨架分為鋼筋骨架和鋼絲網(wǎng)片兩種。墻板配筋見(jiàn)圖3，內(nèi)置泡沫板見(jiàn)圖4填充區(qū)域。鋼筋骨架為在墻板縱向布置鋼筋HPB335，縱向分布鋼筋φ8 mm，橫向分布鋼筋φ6 mm，為提高上下雙側(cè)鋼筋網(wǎng)片工作性能，在網(wǎng)片間采用穿墻鋼筋連接上下兩排鋼筋，為φ10 mm。根據(jù)所需試驗(yàn)中的8塊墻板構(gòu)件見(jiàn)表1，將墻板的制作所需要的混凝土材料配合比的不同分為了4組，配合比詳見(jiàn)表3。

圖3 鋼筋網(wǎng)片平面布置(單位:mm)

1.2 墻板配筋計(jì)算

墻板平面示意見(jiàn)圖4(陰影部分空白)，單獨(dú)計(jì)算部分1，

表1 試件編號(hào)及組成

圖4 墻板計(jì)算簡(jiǎn)圖

其中部分1與部分3相同，將其視為板進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)規(guī)范[7]的相關(guān)規(guī)定，依據(jù)混凝土極限受壓區(qū)高度限值見(jiàn)式(1)。

(1)

求解得：x=11mm

fcbx=fyAs

(2)

將混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fc=14.3N/mm2，板寬度b=1000mm，鋼筋屈服強(qiáng)度f(wàn)y=300N/mm2，代入式(2)，即14.3×1000×11=300As，求解As=524.33mm2，根據(jù)計(jì)算取5根HRB335，φ12 mm的鋼筋，實(shí)際配筋面積為565 mm2。

單獨(dú)計(jì)算部分2，部分2與部分4相同，將其視為梁。

14.3×40×55=300As，求解得：As=104.9mm2

我們通過(guò)學(xué)習(xí)新課程理念，進(jìn)一步了解到：初中化學(xué)教師制作教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，要基于學(xué)生已有的認(rèn)知規(guī)律，并創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的生活情境，使學(xué)生在此環(huán)境中，充分運(yùn)用教學(xué)知識(shí)，加深其對(duì)于化學(xué)知識(shí)與生活緊密聯(lián)系的認(rèn)知，并提高其運(yùn)用化學(xué)知識(shí)解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的能力。而我們化學(xué)教師在教學(xué)的過(guò)程中要將學(xué)生的生活作為教學(xué)的落腳點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)，拉近化學(xué)和學(xué)生之間的距離，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的熱情。

取2根HRB335,φ8 mm的鋼筋，實(shí)際配筋面積為101 mm2。

驗(yàn)算：根據(jù)通用技術(shù)要求[5]的規(guī)定，本條板厚度為200 mm，條板的抗彎破壞荷載應(yīng)當(dāng)是板自重的2倍，即為400 kg。取1 kg的重力約等于10 N，則400 kg的重力為4 kN。

(3)

(4)

(5)

(6)

板單元2、板單元4的承載力低于混凝土單元1、混凝土單元2，考慮構(gòu)件安全，取板計(jì)算單元1～計(jì)算單元4承載力均為0.985 kN·m。M1+M2+M3+M4=0.985×4=3.94kN·m>1.25kN·m,故配筋安全。依據(jù)圖6(a)所示，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)，對(duì)簡(jiǎn)支板進(jìn)行計(jì)算，得到板可承受的豎向荷載值為11.88 kN。

表2 抗彎荷載破壞指標(biāo)

1.3 混凝土材料的配合比選取

完成了4組混凝土配合比，見(jiàn)表3所示，成型及加載示意如圖5所示。

圖5 混凝土試塊的制作與試驗(yàn)

表3 混凝土配合比

1.4 試件制作

試驗(yàn)墻板制作過(guò)程見(jiàn)圖6所示。

(1)鋼筋網(wǎng)片采用泡沫波紋板固定，如圖6(a)所示，同時(shí)泡沫波紋板起到內(nèi)部填充的作用，便于形成內(nèi)部空心夾層。

(2)按照配合比制備膠凝材料干拌摻和料，并加入秸稈后攪拌如圖6(b)所示。

(3)把鋼筋骨架和鋼絲網(wǎng)片放入模板中固定，澆筑過(guò)程中用振搗棒振搗如圖6(c)所示。

(4)最后將表面抹平如圖6(d)所示，靜止養(yǎng)護(hù)待達(dá)到齡期后拆模。

圖6 條板成型工藝

1.5 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)是根據(jù)JG/T169-2005《建筑隔墻用輕質(zhì)墻板》[3]的試驗(yàn)方法進(jìn)行的。試驗(yàn)采用單調(diào)分級(jí)加載，觀察應(yīng)變、裂縫和撓度等情況，加載示意如圖7(a)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置如圖7(b)。為實(shí)現(xiàn)墻板兩端等效為固定鉸支座，將圓鋼管放置到分配梁下端，以實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)彎加載。

(a) 抗彎破壞加載示意(單位:mm)

(b)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖7 試驗(yàn)加載裝置

1.6 測(cè)量?jī)?nèi)容及儀表布置

試驗(yàn)采用DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)中共布置5個(gè)位移計(jì)，用于測(cè)量板跨中、1/4處及支座處的撓度，布置見(jiàn)圖8。每塊墻板布置8個(gè)應(yīng)變片，跨中截面及距支座1/4處2根縱向鋼筋的應(yīng)變；板底跨中及1/4處混凝土板底的應(yīng)變，布置見(jiàn)圖9所示。

圖8 位移計(jì)布置(單位:mm)

圖9 應(yīng)變片布置

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

B-2、B-4、B-6、B-8四塊墻板內(nèi)部均鋪有鋼絲網(wǎng)片，在加載過(guò)程中發(fā)生脆性破壞，破壞前沒(méi)有預(yù)先征兆，四塊板均在墻板1/2跨度處出現(xiàn)通縫，直接破壞，明顯抗彎承載力不足，即便是對(duì)于混凝土板承載力也很低。采用裂縫比對(duì)卡對(duì)配有鋼筋的B-1,B-3,B-5及B-7的裂縫寬度進(jìn)行測(cè)量，畫(huà)出裂縫出現(xiàn)位置和開(kāi)展情況見(jiàn)圖10所示，可看到：

(1)大部分裂縫分布在板的跨中，因其為彎矩最大處。

(2)內(nèi)置的聚苯乙烯板邊緣處應(yīng)力復(fù)雜，隨加載進(jìn)行該區(qū)域裂縫逐漸發(fā)展成主裂縫而破壞，相應(yīng)的墻板破壞圖片見(jiàn)裂縫分布后所對(duì)應(yīng)的圖片。

2.2 主要試驗(yàn)結(jié)果分析

試件試驗(yàn)測(cè)得的荷載和撓度見(jiàn)表4，可看出與普通混凝土相比，秸稈混凝土的開(kāi)裂荷載降低了41.8 %，極限荷載降低了23.4 %；陶粒混凝土開(kāi)裂荷載和極限荷載分別降低了47.8 %，40.5 %；秸稈砂漿在四個(gè)試件中荷載最低，比普通混凝土開(kāi)裂荷載降低59 %，極限荷載降低了43.89 %。

表4 主要試驗(yàn)結(jié)果

圖10 裂縫分布及墻板破壞(單位：mm)

2.3 荷載-撓度分析

跨中荷載-撓度見(jiàn)圖11所示，試件經(jīng)歷彈性、彈塑性和破壞三個(gè)階段。

(1)開(kāi)始加載時(shí)曲線呈彈性關(guān)系，隨加載進(jìn)行跨中出現(xiàn)第一條裂縫曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折是由于墻板受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂導(dǎo)致。繼續(xù)加載裂縫不斷出現(xiàn)，原有裂縫變寬，當(dāng)縱向鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變時(shí)墻板也進(jìn)入彈塑性變形階段。

(2)縱向鋼筋屈服后隨荷載增加，板撓度增加明顯，裂縫寬度變寬，直到板出現(xiàn)主裂縫而無(wú)法繼續(xù)承載。

(3)B-1承載力高且剛度退化較緩慢，B-7雖初始剛度大，但砂漿開(kāi)裂后由于缺少骨料作用，剛度退化迅速，承載力降低明顯且快速失效。

圖11 荷載-撓度曲線

2.4 墻板荷載-應(yīng)變曲線

混凝土荷載-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖12，板開(kāi)裂前鋼筋應(yīng)變很小，在荷載分別達(dá)到8.2 kN、14.1 kN、5.78 kN、7.36 kN時(shí)，B-1、B-3、B-5及B-7的曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，由于板開(kāi)裂瞬間受拉區(qū)墻板面積減小，導(dǎo)致裂縫處鋼筋應(yīng)變陡增。從圖13鋼筋荷載-應(yīng)變曲線可看到：墻板進(jìn)入彈塑性階段鋼筋應(yīng)變?cè)黾幼兛?；由于鋼筋屈服曲線又出現(xiàn)了第二個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，緊接著墻板進(jìn)入了破壞階段，隨荷載稍增鋼筋應(yīng)變急劇增加，板的延性表現(xiàn)良好，繼續(xù)加載到板開(kāi)裂后應(yīng)變讀數(shù)急劇增大直到板破壞。

圖12 混凝土荷載-應(yīng)變曲線

圖13 鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

3 結(jié)論

秸稈粉煤灰輕質(zhì)復(fù)合墻板采用輕骨料及內(nèi)部加空心層的構(gòu)造處置措施能夠有效降低板重，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)生產(chǎn)成型，能滿足工程應(yīng)用要求。

(1)對(duì)四類復(fù)合墻板抗彎承載性能試驗(yàn)研究，其余三類墻板承載力及剛度均較鋼筋混凝土板差。且秸稈砂漿墻板一經(jīng)開(kāi)裂，承載力及剛度退化明顯且會(huì)快速破壞。

(2)縱向鋼筋屈服后隨繼續(xù)加載，板撓度增加明顯，裂縫寬度增加且擴(kuò)展，新裂縫不斷出現(xiàn)，直到板出現(xiàn)主裂縫而無(wú)法繼續(xù)承載。