新型裝配式GRC-PC復(fù)合墻板收縮試驗與應(yīng)力分析

丁克偉，宋浩源，陳東

(1.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽省BIM工程中心，安徽 合肥 230601)

裝配式墻體結(jié)構(gòu)是我國裝配式建筑主要研究結(jié)構(gòu)形式之一，相比于傳統(tǒng)的墻體更加輕便、美觀、環(huán)保，但目前裝配式墻體存在著一體化程度低、施工效率不高、工序煩瑣等問題；因此研究一種符合綠色環(huán)保、滿足預(yù)制化建筑等要求的復(fù)合墻板具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對不同材料的復(fù)合墻板進行了大量研究。姚謙峰、黃煒等[1-2]對密肋復(fù)合墻體進行了水平低周反復(fù)荷載作用下的試驗研究，分析了墻體受力特點及破壞過程，并給出墻體恢復(fù)力模型。研究表明墻體破壞形式主要分為剪切型和彎曲型，墻體在試驗中展現(xiàn)出良好的抗震性能；王靜峰、候和濤等[3-5]研究了節(jié)能復(fù)合墻板的極限承載力、抗震性能和破壞形式等，研究表明節(jié)能復(fù)合墻板鋼框架具有良好的延性，同時節(jié)點連接方式、配筋率和墻板厚度等都會對結(jié)構(gòu)承載力造成影響；藏人卓、時旭東等[6-7]對鋼筋混凝土復(fù)合墻板進行了軸向受力性能研究，通過試驗及有限元模擬的方式研究了不同偏心荷載、配筋率、肋寬的情況下墻板的受力性能，研究表明此類墻板具有較高承載性能，且荷載偏心距、墻板配筋率對墻板受力性能影響最為明顯；文獻[8-10]相繼研究了PCM在建筑墻體不同位置的應(yīng)用，并對PCM墻板進行了數(shù)值模擬，研究表明PCM復(fù)合墻板可以儲存熱能、降低夏季和冬季的能耗，且將PCM放置于內(nèi)部附近可以實現(xiàn)更高的效率。

GRC(glass fiber reinforced concrete)是一種新型的混凝土復(fù)合材料,質(zhì)感細(xì)膩，外觀純白美觀，性能穩(wěn)定，目前其應(yīng)用涉及古典建筑、室外幕墻、室內(nèi)裝飾以及名勝古跡修復(fù)等[11]。GRC與PC(precast concrete)結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的GRC-PC墻板在構(gòu)造一體化、環(huán)保、美觀等方面有突出的優(yōu)勢。目前對GRC材料應(yīng)用于一體化墻板的相關(guān)的研究較少，且運用于建筑外墻時會根據(jù)現(xiàn)場情況與項目要求，對墻板工藝、造型以及尺寸等做出調(diào)整。更大尺寸的復(fù)合墻板，與空氣接觸面更大，會造成更大的水分流失，使墻板增加開裂風(fēng)險。本文通過澆筑純GRC板與GRC-PC復(fù)合墻板，用儀器連續(xù)監(jiān)測GRC-PC墻板的收縮數(shù)據(jù)，對比分析復(fù)合墻板的收縮變化規(guī)律與影響因素，并計算墻板應(yīng)力，分析墻板抗裂性能，為實際工程的應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1 試驗研究

1.1 試驗設(shè)計

本試驗共澆筑3塊不同的GRC-PC復(fù)合墻板與1塊純GRC墻板，其中純GRC墻板與2塊GRC-PC復(fù)合墻板的尺寸為1 000 mm×1 000 mm，1塊GRC-PC復(fù)合墻板尺寸為1 000 mm×2 000 mm。在其中1塊1 000 mm×1 000 mm的GRC-PC復(fù)合墻板的C30混凝土板中埋入鋼絲網(wǎng)片。在澆筑GRC-PC板的同時澆筑尺寸為150 mm×150 mm×150 mm以及150 mm×150 mm×300 mm的兩種材料試塊，用于后期測量抗壓強度以及彈性模量，力學(xué)性能試驗尺寸、墻板尺寸與構(gòu)造見表1、表2所示。

表1 力學(xué)性能試驗尺寸參數(shù)表Tab.1 Dimension parameters for mechanical properties test

表2 墻板尺寸參數(shù)表Tab.2 Dimensions of the new type of GRC-PC composite wallboard

為了記錄GRC-PC復(fù)合墻板的收縮應(yīng)變，需要在墻板表面放置應(yīng)變計進行數(shù)據(jù)測量。應(yīng)變計放置位置及編號如圖1所示。

(a) 試件1～試件3尺寸與平面布置

1.2 試驗設(shè)備

為了試驗順利進行，需要準(zhǔn)備HJW-60型單臥軸試驗室攪拌機用于攪拌GRC材料；DH3818Y-2靜態(tài)應(yīng)變測試儀配合DH1205電阻式表面應(yīng)變計長期測量澆筑好的GRC-PC板的收縮應(yīng)變情況；微機液壓式萬能試驗機以及壓力試驗機用于后期測量C30混凝土和GRC的抗壓強度以及彈性模量。

1.3 抗壓強度和彈性模量試驗

抗壓強度是最基本的一項力學(xué)性能，可以確定混凝土的等級質(zhì)量、抗拉強度、峰值應(yīng)變等性能；彈性模量是混凝土重要力學(xué)性能，能夠反映混凝土應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系[12]。本文材性試驗方法均按照規(guī)范GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定，將試件分別養(yǎng)護7，14，21，28 d并測量其抗壓強度與彈性模量。試塊采用與GRC-PC復(fù)合墻板相同的養(yǎng)護方法。

使用壓力試驗機對試塊進行抗壓強度試驗，加壓試塊直至破壞，記錄荷載并計算試塊的抗壓強度?？箟簭姸扔嬎愎饺缦拢?/p>

(1)

式中：Fcu為C30混凝土及GRC立方體試件抗壓強度，MPa；F為試件破壞荷載，N；A為試件承壓面積，mm2。

通過微機液壓式萬能試驗機以及DH3818Y-2靜態(tài)應(yīng)變測試儀對試塊進行彈性模量試驗。將養(yǎng)護到規(guī)定時間的試件粘貼應(yīng)變片并連接上靜態(tài)應(yīng)變測試儀，使用試驗機均勻連續(xù)加載。

試塊彈性模量計算公式如下：

(2)

式中：Ec為試件的彈性模量；Fa為應(yīng)力為1/3軸心抗壓強度時的荷載，N；F0為應(yīng)力為0.5 MPa時的初始荷載，N；L為測量標(biāo)距，mm；A為試件承壓面積，mm2；Δn為最后一次從F0加載至Fa兩側(cè)變形的平均值，mm。

1.4 抗壓強度及彈性模量

通過抗壓強度和彈性模量試驗，得出C30混凝土和GRC材料7，14，21，28 d的抗壓強度和彈性模量，具體數(shù)值如表3～表6所示。

表3 C30混凝土抗壓強度Tab.3 Compressive strength of C30 concrete

表4 GRC抗壓強度Tab.4 Compressive strength of CRC

表5 C30混凝土彈性模量Tab.5 Elastic modulus of C30 concrete

表6 GRC彈性模量Tab.6 Elastic modulus of GRC

1.5 墻板澆筑

本試驗澆筑GRC-PC復(fù)合墻板需要準(zhǔn)備兩種材料——GRC和C30混凝土，其中C30混凝土為中建國際安徽海龍公司生產(chǎn)的商業(yè)C30混凝土，GRC是根據(jù)本課題組研究的配方于現(xiàn)場調(diào)配制成[14]。試驗具體步驟如下：

(1) 清理并檢查木模板，確保模板無開裂、漏漿。在模板上貼上標(biāo)簽，按高度60，70 mm用記號筆畫上標(biāo)記，并在木模板內(nèi)部涂刷脫模油，防止拆模無法分離。對應(yīng)變采集儀進行設(shè)置與調(diào)試，檢查通道是否損壞。

(2) 在木模板中澆筑C30混凝土，完成后用振搗棒對混凝土板進行振搗。按照試驗方案，在其中一塊澆筑好的C30混凝土板中埋入鋼絲網(wǎng)片。

(3) 對GRC的材料按設(shè)計配合比進行稱量，用攪拌機干拌粉料(不含砂、水、減水劑)2～3 min，再加入含有減水劑的水?dāng)嚢? min，最后再加砂攪拌8 min。攪拌完成后，將GRC取出，澆筑在C30混凝土上，并用滾筒刷滾平。

(4) 在滾平后的GRC板正中央安裝DH1205電阻式應(yīng)變計，并在應(yīng)變計中間部位包裹保鮮膜。在木模板上方擺放木棍并用繩子將表面應(yīng)變計固定，防止因GRC材料較為松軟使得應(yīng)變計下沉與C30混凝土接觸。

(5) 將應(yīng)變計連接DH3818Y-2靜態(tài)應(yīng)變測試儀，并在墻板表面覆蓋保鮮膜，連續(xù)7 d分早中晚對墻板表面灑水養(yǎng)護。連續(xù)監(jiān)測GRC-PC板收縮值，記錄每天早中晚的溫度，濕度以及測試儀的數(shù)值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 環(huán)境溫濕度

GRC-PC復(fù)合墻板收縮類型包括塑性收縮、干燥收縮、溫度收縮、碳化收縮、自收縮等。本文除了考慮自收縮外，還考慮環(huán)境的溫濕度對復(fù)合墻板收縮的影響。圖2、圖3為從2019年8月13日至2020年1月6日記錄的溫度和濕度隨時間變化的曲線圖。每天分別定時記錄早、中、晚實驗室內(nèi)溫濕度變化并記錄，取平均值繪制曲線圖。記錄時間段季節(jié)為夏季至冬季，室內(nèi)溫度逐漸變低。本試驗進行的地點為安徽省合肥市安徽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)與地下工程重點實驗室，室內(nèi)濕度波動較大，在晴朗天氣較為干燥，陰雨天氣較為潮濕。

時間/d圖2 溫度變化圖Fig.2 Temperature trend

時間/d圖3 濕度變化圖Fig.3 Humidity trend

2.2 復(fù)合墻板與純GRC板收縮對比

通過每日早、中、晚定時對數(shù)據(jù)的記錄和整理，算出每天記錄數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值并繪制曲線圖。澆筑的GRC-PC復(fù)合墻板與純GRC板應(yīng)變對比圖見圖4所示。由圖可知，純GRC板與GRC-PC復(fù)合墻板均是先進入膨脹拉伸階段。這是因為數(shù)據(jù)記錄初期，材料中水泥發(fā)生水化反應(yīng)，墻板受熱膨脹，發(fā)生拉伸應(yīng)變。隨著時間推移，材料的水化反應(yīng)逐漸減弱，墻板逐漸進入收縮階段，處于收縮受壓階段。在數(shù)據(jù)記錄的第28天后，墻板收縮應(yīng)變開始趨于穩(wěn)定，只在一定幅度范圍內(nèi)波動。GRC-PC復(fù)合墻板的收縮應(yīng)變遠(yuǎn)小于純GRC板的收縮應(yīng)變，減小幅度超過了70%。GRC-PC復(fù)合墻板及純GRC板的最大收縮應(yīng)變值見表7所示。

時間/d(a) 試件1和試件2的應(yīng)變對比圖

表7 墻板最大收縮應(yīng)變值Tab.7 Maximum shrinkage stress values of wallboards

由表7可知，試件2與試件3相比試件1，收縮應(yīng)變最大值減小了約80%；試件4相比試件1，收縮應(yīng)變最大值減小了約70%。這是因為復(fù)合墻板在收縮過程中，GRC外面層與C30混凝土的收縮性能不同，發(fā)生的收縮應(yīng)變也不相同。在復(fù)合墻板進入收縮后，內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)收縮較慢，從而對外面層的GRC板產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得外面層GRC板收縮應(yīng)變大幅減小。

2.3 復(fù)合墻板收縮對比

圖5為GRC-PC復(fù)合墻板的應(yīng)變對比圖，根據(jù)數(shù)據(jù)對比分析可知，試件2與試件3表面應(yīng)變在進入收縮階段后，相差不大，兩者最大的不同在于進入收縮前的膨脹變形階段。試件2的最大膨脹變形是試件3的4倍，這說明在混凝土結(jié)構(gòu)層埋入鋼絲網(wǎng)片在膨脹變形階段對GRC外面層的約束更大，并且會讓其更早進入收縮階段。在進入收縮穩(wěn)定階段后，試件2與試件3的收縮應(yīng)變值差距維持在25%以內(nèi)。

時間/d(a) 試件2和試件3的應(yīng)變對比圖

試件2與試件4采用相同的面層與結(jié)構(gòu)層厚度，區(qū)別為兩者的尺寸。在膨脹變形階段，試件2的表面應(yīng)變最大值為201.99×10-6，試件4的3個位置表面應(yīng)變最大值為121.573×10-6，兩者差距為39.81%。在進入收縮階段后，試件5的②、③兩個位置的收縮應(yīng)變值基本與試件3相同，①位置收縮應(yīng)變值與試件3相差約-100×10-6。GRC-PC復(fù)合墻板尺寸的增大使得表面的GRC面層與空氣接觸面增大，水分揮發(fā)的增快對面層的收縮應(yīng)變產(chǎn)生了一定的影響。

2.4 溫濕度影響

隨著時間的推移，試驗數(shù)據(jù)記錄的季節(jié)從夏季轉(zhuǎn)變?yōu)槎荆h(huán)境氣溫明顯降低。從圖4、圖5中可以看出，3塊GRC-PC復(fù)合墻板GRC外面層的收縮應(yīng)變值也有了不同程度的降低。在數(shù)據(jù)記錄的第20天和第100天，環(huán)境溫度有一個驟降，而從應(yīng)變對比圖中可以看到，這兩個時間段墻板的收縮應(yīng)變值都有一個階梯式的下降，氣溫的變化對于GRC-PC復(fù)合墻板的收縮有明顯的影響。試驗進行的地點為安徽省合肥市安徽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)與地下工程重點實驗室，室內(nèi)濕度波動較大，在墻板進入穩(wěn)定階段后，墻板的收縮應(yīng)變會因為濕度的影響，而在一定范圍內(nèi)波動。

3 收縮機制與應(yīng)力分析

3.1 墻板裂縫成因

墻板開裂因素主要分為內(nèi)部因素和外部因素兩個方面，內(nèi)部因素主要包括墻板材料自身的性能、墻體結(jié)構(gòu)的組成形式、墻體內(nèi)部材料發(fā)生反應(yīng)等。外部因素主要包括溫濕度變化導(dǎo)致墻體開裂、外部突加破壞性荷載、結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降等。GRC-PC復(fù)合墻板主要開裂原因是兩種材料復(fù)合后產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力超過了結(jié)構(gòu)本身強度，GRC外面層表面開裂從而釋放應(yīng)力。同時，作為一種新型建筑材料，在施工工藝上與傳統(tǒng)的建筑材料有所區(qū)別。在施工過程中，容易因操作不當(dāng)造成墻板產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，造成墻板開裂。

3.2 收縮類型

混凝土收縮類型主要分為以下6種：塑性收縮、自收縮、干燥收縮、碳化收縮、溫度收縮、沉降收縮。其中，影響最大的因素是干燥收縮和溫度收縮。干燥收縮是一種不可逆收縮，是內(nèi)部水分遷移而造成體積減小的一種收縮變形。溫度收縮是混凝土內(nèi)部溫度變化發(fā)生的熱脹冷縮。混凝土在澆筑完成后會發(fā)生水化反應(yīng)，內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量；當(dāng)水化反應(yīng)達到頂點后，會逐漸轉(zhuǎn)為平緩，內(nèi)部熱量也隨之降低。

GRC-PC復(fù)合墻體由混凝土結(jié)構(gòu)層和GRC面層組成，GRC材料不同于傳統(tǒng)混凝土材料，在制備時不添加粗骨料，水泥的占比偏大，相比于傳統(tǒng)混凝土材料，對外部環(huán)境溫度更為敏感，會造成更大的溫度變形；GRC材料本身含水量較高，具有較高的強度，使得制成的產(chǎn)品往往比較薄，一般作為墻板外面層，與空氣直接接觸，水分的流失使墻板產(chǎn)生更大的干濕變形。

3.3 收縮應(yīng)力計算及裂縫校核

本文澆筑的GRC-PC復(fù)合墻板相比于單一材料墻板，收縮變形顯著降低。為了校驗復(fù)合墻板抗裂性能，將復(fù)合墻板看作均勻彈性體，在理想狀態(tài)下計算GRC外面層應(yīng)變計位置處第28天應(yīng)力[15]，比較σ與f1之間的大小關(guān)系。

墻板應(yīng)力計算公式如下：

σ=Ecεc

(3)

式中：εc為總收縮應(yīng)變；σ為墻板應(yīng)力；Ec為彈性模量。

當(dāng)應(yīng)力σ超過墻板的抗拉強度時，會造成表面開裂。通常，混凝土構(gòu)件的抗拉強度估算公式如下：

(4)

式中：f1為抗拉強度；ft為抗壓強度。

將試驗測量的收縮應(yīng)變值與彈性模量代入公式(3)，計算3塊GRC-PC復(fù)合墻板應(yīng)變計放置位置處第28天應(yīng)力如表8所示。

表8 墻板應(yīng)變計放置位置第28天應(yīng)力Tab.8 Stress of the place where strain meter is placed on day 28

將試驗測得的GRC抗壓強度，代入公式(4)，得到GRC抗拉強度估算值為8.5 MPa。表8中各墻板計算的應(yīng)力數(shù)值，復(fù)合墻板表面應(yīng)力均不超過GRC抗拉強度估算值，具有良好的抗裂性能。其中，試件4①位置第28天應(yīng)力達到了8.13 MPa，較為接近GRC抗拉強度估算值。墻板前期養(yǎng)護環(huán)境、室外氣候與試驗室環(huán)境差異以及隨著時間推移，墻板收縮應(yīng)變的波動，都會增加墻板開裂的風(fēng)險。在實際工程運用中，可采取表面涂抹抗裂劑、安裝防裂網(wǎng)格布等措施，來減小開裂風(fēng)險。

4 結(jié)論

(1) 通過的數(shù)據(jù)記錄及對比，4塊墻板的整體變化趨勢是接近的，都是先進入拉伸階段，再進入收縮階段。進入收縮階段后，墻板會隨著時間推移，收縮逐漸平緩并進入穩(wěn)定階段。

(2) 試件2、試件3、試件4中的GRC墻板因受到混凝土板的約束作用，其收縮應(yīng)變值均遠(yuǎn)小于試件1的收縮應(yīng)變值，減小幅度超過了70%。

(3) 試件2與試件3表面應(yīng)變在進入收縮階段后，相差不大，兩者最大的不同在于進入收縮前的膨脹變形階段。試件2的最大膨脹變形是試件3的4倍，收縮應(yīng)變值兩者差距基本在25%以內(nèi)；試件4表面的②與③兩個位置的收縮應(yīng)變值基本與試件2相同，①位置的收縮應(yīng)變值與試件3差距在-100×10-6左右。尺寸增大使GRC面層與空氣接觸面增大，水分揮發(fā)得增快對面層的收縮應(yīng)變產(chǎn)生了一定的影響。

(4) 通過試驗測得的數(shù)據(jù)，對GRC-PC復(fù)合墻板進行應(yīng)力計算。3塊GRC-PC復(fù)合墻板GRC面層應(yīng)力均未超過GRC抗拉強度估算值，具有較好的抗裂性。