李方賢，李建新，肖 民，任蒙蒙

(1.華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣州 510640;2.廣州航海學(xué)院土木與工程管理學(xué)院,廣州 510725)

0 引 言

近年來，建筑節(jié)能、裝配式建筑、綠色建筑以及可持續(xù)發(fā)展理念備受關(guān)注，探索建筑節(jié)能新途徑和開發(fā)新型建筑節(jié)能材料成為研究的熱點[1-3]。泡沫混凝土具有輕質(zhì)、保溫、隔熱、隔聲等特點，是一種新型的建筑節(jié)能材料，常應(yīng)用于制作泡沫混凝土砌塊、泡沫混凝土墻板或補償?shù)鼗萚4-6]。為拓展泡沫混凝土因強度低而受限的工程應(yīng)用領(lǐng)域，可與其他高強度材料組合制成泡沫混凝土復(fù)合墻板[7-8]。輕鋼龍骨-泡沫混凝土-硅鈣板組合墻板是以間距為400～600 mm的C型冷彎卷邊槽鋼立柱作為承力構(gòu)件，立柱兩側(cè)采用自攻螺釘固定硅鈣板作為內(nèi)外墻面，在組成的內(nèi)部空腔內(nèi)灌入泡沫混凝土。與傳統(tǒng)混凝土墻板結(jié)構(gòu)相比，輕鋼龍骨墻板具有輕質(zhì)、高強、建造快速、施工簡單、可模塊化生產(chǎn)等優(yōu)勢[9-12]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對未填充泡沫混凝土的輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，如軸壓、抗彎曲性能、抗震性能等進行了大量的研究[13-16]。當(dāng)輕鋼龍骨框架內(nèi)灌注泡沫混凝土形成輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板后，充填材料與龍骨框架協(xié)同工作，整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)得到優(yōu)化，有利于提升其力學(xué)性能，而當(dāng)前關(guān)于此類結(jié)構(gòu)墻板力學(xué)性能的研究較少，劉殿忠等[17-18]對型鋼與泡沫混凝土抗剪承載力進行了研究，陳大鴻等[19]對復(fù)合墻體豎向承載能力進行了研究。目前，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板相關(guān)研究主要集中在材料改性和靜態(tài)性能上[20-21]，該墻板在達到承受靜荷載能力的同時，可以發(fā)揮泡沫混凝土自身多孔的特性以優(yōu)化墻板的抗沖擊性能，以應(yīng)對強風(fēng)、地震等沖擊作用。因此，對輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板沖擊損傷的研究具有重要意義。

本研究利用輕鋼龍骨作為支撐，以硅酸鈣板作為面層材料，在面層間澆注泡沫混凝土漿體，泡沫混凝土漿體凝結(jié)硬化后與硅酸鈣板、龍骨連為一體，形成完整一體的輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板，采用落球沖擊試驗法并輔以超高速攝像技術(shù)，研究不同增強結(jié)構(gòu)形式的輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板的抗沖擊性能，為輕鋼龍骨復(fù)合墻板的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 實 驗

1.1 原 料

膠凝材料：珠江水泥廠生產(chǎn)的P·O 42.5硅酸鹽水泥和山東盈潤智能新材料有限公司生產(chǎn)的?；郀t礦渣(granulated blast furnace slag， GBFS)，其化學(xué)成分如表1所示。

發(fā)泡劑：廣惠建材開發(fā)有限公司提供的HTQ-I復(fù)合型發(fā)泡劑，該發(fā)泡劑外觀上呈現(xiàn)為淺白色濃稠狀液體，其基本性能參數(shù)如表2所示。

硅酸鈣板：廣東雄塑綠色建材有限公司生產(chǎn)的厚度為6 mm的中密度面板，其主要性能指標(biāo)如表3所示。

輕鋼龍骨：選用C120 mm×40 mm×10 mm×1.2 mm(腹板高度×翼緣高度×卷邊高度×厚度)冷彎薄壁C型龍骨作為龍骨單元。

纖維：防靜電處理后的聚丙烯纖維，其基本性能如表4所示。

表1 水泥和礦渣的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of Portland cement and GBFS

表2 發(fā)泡劑的基本性能參數(shù)Table 2 Basic performance parameters of foamed agent

表3 硅酸鈣板的基本性能Table 3 Basic properties of calcium silicate board

表4 聚丙烯纖維的基本性能Table 4 Basic properties of polypropylene fiber

1.2 泡沫混凝土設(shè)計

參照表5設(shè)計制備容重等級為600 kg/m3的泡沫混凝土。

表5 泡沫混凝土的配合比Table 5 Mixture proportion of foamed concrete

1.3 抗沖擊試驗

圖1 抗沖擊試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of impact resistance test device

國標(biāo)《建筑隔墻用保溫條板》(GB/T 23450—2009)中關(guān)于保溫墻板抗沖擊性能測試的相關(guān)規(guī)定，要求將標(biāo)準(zhǔn)砂袋從指定高度沿固定繩自由擺動下落。該測試方法雖然易于操作，但無法對墻板抗沖擊性能進行定量計算，同時砂袋本身剛度不足，不能保證每次的沖擊能量一致。本研究參考落錘沖擊試驗法，設(shè)計利用質(zhì)量為2 040 g的鋼球分別從1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m的高度做自由落體，砸向復(fù)合墻板預(yù)定的沖擊點，同時利用全幅高達2 000幀/s的超高速相機拍攝試驗過程，后續(xù)再利用軟件對視頻進行分析，以鋼球的直徑作為參照物標(biāo)定出鋼球第一次反彈的高度和受沖擊后板的凹陷深度。試驗選用的五種墻板分別為：鋼絲網(wǎng)增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板(代號A)、無龍骨泡沫混凝土夾芯板(代號B)、纖維增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板(代號C)、玻璃纖維網(wǎng)格布增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板(代號D)、輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)樣(代號E)，五種復(fù)合墻板如表6所示，具體抗沖擊試驗裝置如圖1所示。

表6 試件信息一覽表Table 6 Summary of specimen information

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊過程

復(fù)合墻板受到鋼球沖擊的過程可簡化為圖2。初始鋼球自由落下，3 ms后鋼球第一次與復(fù)合墻板接觸，此時復(fù)合墻板受到?jīng)_擊荷載后整體受力向下收縮，沖擊點位置形變過大而出現(xiàn)凹坑，期間經(jīng)歷了從彈性形變轉(zhuǎn)為塑性形變，5 ms后鋼球下落達到最低點，此時沖擊點位置出現(xiàn)了不可逆的形變，隨后鋼球開始反彈上升，至89 ms反彈至最高點，此后再落下反彈直至靜止。整個過程中，忽略熱量的損耗，視鋼球和復(fù)合墻板整個體系能量守恒。初期鋼球重力勢能轉(zhuǎn)換為動能，在沖擊復(fù)合墻板后反彈至一定高度靜止，整個體系中鋼球的重力勢能減少，減少的重力勢能中極少的一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃繐p耗，剩余的部分被復(fù)合墻板吸收。當(dāng)鋼球能量傳遞完畢靜止后，復(fù)合墻板的彈性形變開始恢復(fù)，恢復(fù)期間會將這部分能量再傳遞給鋼球，鋼球獲得能量開始反彈，根據(jù)鋼球的反彈高度可以計算出復(fù)合墻板彈性形變傳遞給鋼球的能量。試驗中利用超高速相機記錄下復(fù)合墻板的凹陷深度和鋼球的彈起高度，在忽略熱損耗的前提下，鋼球的部分重力勢能傳遞給復(fù)合墻板，復(fù)合墻板吸收該能量后重力勢能增加，同時表面的硅酸鈣板發(fā)生形變，內(nèi)部泡沫混凝土也發(fā)生形變和開裂，利用能量守恒定量計算能量傳遞，定義復(fù)合墻板塑性形變所吸收的能量為Eimpact，相關(guān)公式如下：

E0=M0gh

(1)

Einpact=M0gh-M0gh1-M1gh2

(2)

ρ=Einpact/E0

(3)

Einpact=Ec+Ef

(4)

Ec=αkS

(5)

式中：M0為鋼球的質(zhì)量；g為重力加速度，大小為9.8 m/s2;h為對應(yīng)的沖擊高度；E0為沖擊能量；M1為復(fù)合墻板的質(zhì)量；h1為鋼球的反彈高度，h2為復(fù)合墻板的重心震動高度，利用圖像處理器可以獲得h1和h2的值；ρ為吸能比例；Ec為硅酸鈣板塑性形變吸收的能量；Ef為泡沫混凝土塑性形變吸收的能量；αk為硅酸鈣板的沖擊韌性，取2.6×10-3J/mm2；S為硅酸鈣板表面凹陷位置的面積(視凹陷面為圓形)。以復(fù)合墻板的吸能比例作為評價其抗沖擊性能強弱的標(biāo)準(zhǔn)，相同沖擊高度下吸收比例越小，則認(rèn)為該復(fù)合墻板的抗沖擊性能越好。

圖2 抗沖擊試驗過程Fig.2 Impact resistance test process

2.2 輕鋼龍骨對復(fù)合墻板抗沖擊性能的影響

圖3是無龍骨泡沫混凝土夾芯板B和輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板E的沖擊試驗破壞狀態(tài)圖片，可以觀察到泡沫混凝土夾芯板在沖擊高度為1.0 m時未出現(xiàn)開裂，只在墻體表面留下一個凹坑，繼續(xù)增加沖擊高度至1.5 m時開始出現(xiàn)裂縫，裂縫穿過沖擊點向墻板邊緣生長，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板在沖擊高度為2.0 m時才開始出現(xiàn)裂縫。

圖3 復(fù)合墻板B和E的沖擊破壞狀態(tài)Fig.3 Impact failure states of composite wall panel B and E

根據(jù)公式(1)～(5)可以計算得到在不同沖擊高度下墻板的吸收能量和吸能比例，結(jié)果如表7所示，沖擊能量為19.96 J時，泡沫混凝土夾芯板吸收了96.95%的沖擊能量，而輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板只吸收了95.49%，在不同的沖擊能量作用下，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板的吸能比例始終小于泡沫混凝土夾芯板，由此可見，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板的抗沖擊性能優(yōu)于泡沫混凝土夾芯板。泡沫混凝土夾芯板在1.5 m的沖擊高度下，吸能比例達到最大值98.95%，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板在2.0 m的沖擊高度下，吸能比例達到最大值97.52%，結(jié)合圖3試樣的破壞狀態(tài)，可以看出復(fù)合墻板的吸能比例隨著裂縫的生長而逐漸增加，當(dāng)試樣出現(xiàn)貫穿裂縫時復(fù)合墻板的吸能比例達到最大值。

表7 復(fù)合墻板B和E的抗沖擊試驗結(jié)果參數(shù)Table 7 Parameters of impact resistance test results of composite wall panel B and E

2.3 不同增強方式對復(fù)合墻板抗沖擊性能的影響

試驗研究了鋼絲網(wǎng)、纖維和玻璃纖維網(wǎng)格布三種增強方式的輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板(FC600+鋼絲網(wǎng)+LSF+CSB、FC600+纖維+LSF+CSB和FC600+玻璃纖維網(wǎng)格布+LSF+CSB)的抗沖擊性能，相關(guān)結(jié)果如表8所示。

表8 復(fù)合墻板A、C、D和E的抗沖擊試驗結(jié)果參數(shù)Table 8 Parameters of impact resistance test results of composite wall panel A, C, D and E

由表8可知，在1.0 m的沖擊高度下，鋼絲網(wǎng)、纖維和玻璃纖維網(wǎng)格布三種增強型復(fù)合墻板的吸能比例分別為94.98%、91.73%、91.21%，同時結(jié)合圖4中復(fù)合墻板受沖擊后的破壞狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)鋼絲網(wǎng)增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板和纖維增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板都在沖擊高度為2.0 m時出現(xiàn)裂縫，其吸能比例的最大值分別為97.80%和96.70%，玻璃纖維網(wǎng)格布增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板在沖擊高度為2.5 m時才出現(xiàn)裂縫，其最大吸能比例為96.57%，這表明三種增強方式對復(fù)合墻板的抗沖擊性能都有一定提高，但布置玻璃纖維網(wǎng)格布的方式對輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板抗沖擊性能的增強效果最佳。當(dāng)玻璃纖維網(wǎng)格布增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板受到?jīng)_擊時，由于玻璃纖維網(wǎng)格布垂直于沖擊力的方向，能最大限度地約束泡沫混凝土發(fā)生形變，使得沖擊能量更多地轉(zhuǎn)換為彈性形變和硅酸鈣板形變，如圖4(e)所示，相同沖擊高度下玻璃纖維網(wǎng)格布增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板的表面凹陷直徑比其他的復(fù)合墻板更大，即Ec更大。

對比鋼絲網(wǎng)增強型輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板(FC600+鋼絲網(wǎng)+LSF+CSB)和輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)樣(FC600+LSF+CSB)的抗沖擊試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在1.0 m和1.5 m的沖擊高度下，鋼絲網(wǎng)增強型復(fù)合墻板的吸能比例比標(biāo)準(zhǔn)樣小，而在2.0 m和2.5 m的沖擊高度下，鋼絲網(wǎng)增強型復(fù)合墻板的吸能比例比標(biāo)準(zhǔn)樣大，這是因為鋼絲與泡沫混凝土的黏結(jié)界面也是泡沫混凝土的薄弱區(qū)，復(fù)合墻板在受到?jīng)_擊后該薄弱區(qū)更易出現(xiàn)開裂，因此隨著沖擊能量的增大，裂縫生長到鋼絲與泡沫混凝土的黏結(jié)界面時會加速生長，導(dǎo)致其吸能比例大幅提高。觀察圖4(e)中鋼絲網(wǎng)增強型復(fù)合墻板的表面凹陷直徑也可以看出，鋼絲網(wǎng)增強型復(fù)合墻板表面凹陷直徑小于其他復(fù)合墻板，這說明其吸收的能量更多地作用于泡沫混凝土的塑性形變和開裂。

圖4 復(fù)合墻板A、C、D和E的沖擊破壞狀態(tài)Fig.4 Impact failure states of composite wall panel A, C, D and E

2.4 復(fù)合墻板表面不同位置的抗沖擊性能

龍骨對輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板的性能影響較大，根據(jù)龍骨在復(fù)合墻板中的位置，可以把復(fù)合墻板分成龍骨區(qū)域和非龍骨區(qū)域，即以龍骨翼緣為界限，龍骨翼緣寬度內(nèi)為龍骨區(qū)域，其他位置為非龍骨區(qū)域，本研究以輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板標(biāo)準(zhǔn)樣(FC600+LSF+CSB)為例，分析輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板表面不同位置的抗沖擊性能，具體的計算結(jié)果如表9所示，Ec值如圖5所示。

分析表9發(fā)現(xiàn)，在相同沖擊高度下，沖擊位置在龍骨區(qū)域時的吸能比例始終比非龍骨區(qū)域略大，這說明非龍骨區(qū)域的抗沖擊性能優(yōu)于龍骨區(qū)域。觀察圖5發(fā)現(xiàn)，沖擊龍骨區(qū)域時硅酸鈣板形變吸收的能量Ec總是大于非龍骨區(qū)域，而且隨著沖擊高度的增加，二者的差異越來越大，這說明沖擊龍骨區(qū)域的時候，龍骨提供的支撐作用更強，使得復(fù)合墻板在該位置的剛度更大，難以發(fā)生彈性形變，進而更多的沖擊能量被硅酸鈣板的塑性形變所吸收，不利于復(fù)合墻板的抗沖擊性能。

表9 復(fù)合墻板E不同區(qū)域的抗沖擊試驗結(jié)果Table 9 Impact resistance test results of composite wall panel E in different areas

圖5 輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板E不同區(qū)域的Ec值Fig.5 Ec value of lightweight steel-framed foamed concrete composite wall panel E in different areas

3 結(jié) 論

(1)采用落球沖擊試驗法，同時利用超高速相機拍攝沖擊試驗過程，計算得到復(fù)合墻板塑性形變所吸收的能量和吸能比例，可以對復(fù)合墻板的抗沖擊性能進行定量表征，評價墻板抗沖擊性能的優(yōu)劣，相同沖擊高度下吸能比例越小，墻板的抗沖擊性能越好。

(2)在不同沖擊能量作用下，輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板的吸能比例始終小于泡沫混凝土夾芯板，表明輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板的抗沖擊性能優(yōu)于泡沫混凝土夾芯板。

(3)鋼絲網(wǎng)、纖維、玻璃纖維網(wǎng)格布三種增強方式可以提升輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板的抗沖擊性能，在沖擊高度分別為2.0 m、2.0 m和2.5 m時出現(xiàn)裂縫，吸能比例的最大值分別為97.80%、96.70%和96.57%，但布置玻璃纖維網(wǎng)格布的方式對輕鋼龍骨-泡沫混凝土復(fù)合墻板抗沖擊性能的增強效果最佳。

(4)在相同沖擊高度下，沖擊位置在龍骨區(qū)域時的吸能比例始終比非龍骨區(qū)域大，表明非龍骨區(qū)域的抗沖擊性能優(yōu)于龍骨區(qū)域，龍骨提供的支撐作用使得復(fù)合墻板在該位置的剛度更大，難以發(fā)生彈性形變，不利于復(fù)合墻板的抗沖擊性能。