蒸壓加氣混凝土墻板的試驗研究

蒸壓加氣混凝土墻板的試驗研究

蒸壓加混凝土板（aac）是由水泥、石灰和沙子作為主要原料。根據(jù)結(jié)構(gòu)性能要求，采用不同數(shù)量的鋼筋網(wǎng)片形成輕多孔新型綠色環(huán)保建筑材料。它具有重量輕、耐腐蝕性、隔熱性、隔熱和隔熱等優(yōu)點?，F(xiàn)在，用鋼筋法加強了承受蒸壓混凝土板的抗彎性和抗裂性。作為住宅板、墻板和環(huán)保板，它被廣泛應(yīng)用于多高層建筑結(jié)構(gòu)和工業(yè)設(shè)施的建筑中。中國濕壓屋頂板的設(shè)計參考參數(shù)主要包括jgjt17-2008年蒸壓屋頂混凝土應(yīng)用技術(shù)法規(guī)和gb15761-2008年蒸壓屋頂混凝土板。這兩個規(guī)則和標準對蒸壓土產(chǎn)品的檢驗和材料性能的測量有相關(guān)規(guī)定，但濕壓屋頂板的配筋設(shè)計僅針對設(shè)計人員的參考。在實際生產(chǎn)區(qū)，生產(chǎn)廠應(yīng)參照規(guī)范為標準木材的標準規(guī)格進行設(shè)計。通過實驗研究和有限模擬分析，理論上的鋼筋設(shè)計結(jié)果可以得到證實，以促進大規(guī)模蒸壓屋頂板的工業(yè)化生產(chǎn)和設(shè)計。本文對4塊蒸壓加氣混凝土墻板進行結(jié)構(gòu)性能試驗及有限元分析,驗證了蒸壓加氣混凝土墻板的結(jié)構(gòu)性能,對指導(dǎo)蒸壓加氣混凝土板的配筋設(shè)計及其推廣應(yīng)用具有重要意義.1試驗總結(jié)1.1墻板生石灰用量4塊蒸壓加氣混凝土墻板試件(編號分別為:1#,2#,3#,4#)設(shè)計尺寸均為:4500mm×600mm×150mm,采用水泥、石灰、砂加氣混凝土;中速消解生石灰(消解速度為5～10min),消化溫度為65℃以防石灰消化過快而出現(xiàn)加氣混凝土失水稠化、產(chǎn)品裂紋、氣孔結(jié)構(gòu)差等現(xiàn)象.此外,通過嚴格控制生石灰和砂漿的細度,保證產(chǎn)品澆筑時具有較好的穩(wěn)定性,不出現(xiàn)明顯分層,提高產(chǎn)品強度.上網(wǎng)鋼筋和下網(wǎng)鋼筋分別為4根直徑為10mm的光圓鋼筋,箍筋直徑為6mm,蒸壓加氣混凝土強度等級為A5.0,干密度為510kg/m3,參照JGJ/T17—2008,考慮板材實際荷載計算并配筋,具體配筋方式參見圖1(本文研究的墻板均指外墻板).1.2蒸壓加壓混凝土板應(yīng)力參照GB15762—2008,試驗裝置設(shè)計如圖2所示,試驗過程中采用百分表測量支座處及跨中處板材的豎向位移,本次試驗在各個支座和跨中同一截面處各布置2個對稱的百分表.采用刻度放大鏡觀察蒸壓加氣混凝土板的裂縫發(fā)展.由于蒸壓加氣混凝土板是在蒸壓釜內(nèi),經(jīng)高溫高壓蒸氣養(yǎng)護形成的多孔輕質(zhì)混凝土制品,其特殊的制造環(huán)境致使在焊接鋼筋網(wǎng)片上布置應(yīng)變片比較困難,因此在試驗過程中無法測得鋼筋應(yīng)力.試驗支座有2種:滾軸支座和鉸支座,如圖3所示.滾軸支座只限制板材的豎向位移,鉸支座限制板材的橫向位移和豎向位移.1.3力學性能檢驗采用均布荷載法對蒸壓加氣混凝土墻板進行結(jié)構(gòu)性能測定.加載時,從板的兩端向中部逐步加載.用砝碼以荷載分級方式進行加載,每級荷載持荷5min,待百分表讀數(shù)穩(wěn)定后,進行下一級加載.參照GB15762—2008,根據(jù)加載過程中所觀察及記錄的數(shù)據(jù)可將結(jié)構(gòu)性能試驗依次分為短期撓度檢驗、出廠檢驗(裂縫檢驗)和承載能力檢驗3個階段.短期撓度檢驗時應(yīng)加載的集中荷載計算值F1(N)和檢驗荷載特征值WH(Pa)分別按照式(1),(2)計算:F1=WH×B×L0(1)WH=WK-ρ×D(2)式中:B,D分別為試驗板寬度、厚度,m;L0為試驗板兩支點間距離,m;WK為單項工程的荷載標準值,Pa;ρ為干密度計算值,N/m3,此為8250N/m3.按照本次墻板試件的設(shè)計規(guī)定,WK=1647Pa,單項工程的荷載設(shè)計值WR=2305.8Pa.經(jīng)計算可得:F1=1063.062N,WH=409.5Pa.在短期撓度檢驗階段,荷載分為5級,每級大小為F1/5.計算所得每級砝碼質(zhì)量為21.70kg,實際試驗時每級砝碼質(zhì)量取為20kg,靜止持荷10min后,記錄板跨中撓度.出廠檢驗階段荷載分為3級,按照每級荷載增加值為(WR-WK)×B×L0×1/3=58.17kg,實際試驗時每級砝碼質(zhì)量取為60kg.靜止持荷10min后,觀察試驗板材是否出現(xiàn)裂縫,并記錄.最后,進入承載力檢驗階段,每級荷載取F1/10,實際每級砝碼質(zhì)量取為10kg直至板破壞.2結(jié)果與分析2.1板段中斜裂縫的變化在短期撓度檢驗階段和出廠檢驗階段,板材變形不大,尚無裂縫出現(xiàn).在承載力檢測階段,隨荷載增加,板材上的裂縫逐漸開展,尤其以距離滾軸支座1/4板跨處板側(cè)面位置的斜裂縫開展速度最快.4塊試驗板材的破壞均表現(xiàn)為:隨荷載增加,跨中撓度逐漸增大;在加載后期,距離滾軸支座1/4板跨處斜裂縫寬度不斷增大.破壞形式屬于以彎曲為主的彎剪破壞.具體試驗現(xiàn)象以4#板為例,簡單概述如下:加載到9.607kN時,板材底部跨中偏右的地方出現(xiàn)了細小裂縫,且裂縫較長.隨著加載的繼續(xù),不斷有微小裂縫出現(xiàn).加載到11.203kN時,板靠近左邊支座的地方出現(xiàn)了細小的貫穿底部的裂縫.加載到11.618kN時,板材跨中底部和距兩邊支座各1/4板跨處出現(xiàn)了多條貫穿底部的裂縫,裂縫寬度也有增大.加載到12.028kN時,距滾軸支座接近1/4板跨處外側(cè)出現(xiàn)主斜裂縫.加載到12.126kN時,該主斜裂縫急劇擴展,裂縫寬度迅速變大,達到1.5mm,此時認為板材已經(jīng)達到破壞.繼續(xù)加載到12.430kN時,裂縫寬度達到2.5mm,此時認為不再適宜繼續(xù)加載,試驗結(jié)束.4塊板材的初裂裂縫均出現(xiàn)在承載力檢測階段,初裂裂縫一般出現(xiàn)在板材底部跨中位置,試驗觀察所得1#,2#板的初裂荷載分別為4.876,4.521kN,3#,4#板的初裂荷載分別為10.616,9.606kN.分析初裂荷載存在較大差異的原因是:蒸壓加氣混凝土外表為有空隙的稀疏材料,由于試驗條件的限制和人為因素等原因,使得在試驗前期過程中裂縫的觀測結(jié)果存在較大區(qū)別.但4塊板材觀察所得初裂荷載均處于承載力檢驗階段,都能滿足出廠檢驗的要求.4塊板材在接近破壞時,在接近滾軸支座1/4板跨處均產(chǎn)生1條較寬的斜裂縫,該主斜裂縫出現(xiàn)后迅速延伸,使斜截面剪壓區(qū)的高度縮小,最后使得受拉區(qū)加氣混凝土分離,只有鋼筋承受拉力,鋼筋變形增大.此時,由于斜裂縫的寬度達到了GB15762—2008中關(guān)于板材破壞標準的寬度限值,即認為板材不適于繼續(xù)加載,已達到破壞.各板材破壞時斜裂縫開展如圖4所示.產(chǎn)生這種破壞形式的主要原因是蒸壓加氣混凝土屬于脆性材料,其抗拉、抗剪強度較低.但根據(jù)表1可得,最終板的破壞荷載(最大裂縫寬度達到1.5mm時)基本穩(wěn)定在12kN左右.整個板材的承載力大大超過了板材的設(shè)計承載力6.225kN,在破壞時仍有較大的安全儲備.2.2面板短期撓度檢驗按照GB15762—2008的檢驗標準將3個檢驗階段的檢驗值匯總?cè)绫?所示.表中:Ws11s為墻板初裂時荷載實測值,Ws1=Fs2/(B×L0)+ρ×D,Pa;Fs22s為墻板初裂時砝碼總重,N;Ws22s為墻板破壞時荷載實測值,Ws2=Fs3/(B×L0)+ρ×D,Pa;Fs33s為墻板破壞時上一級砝碼總重,N.(1)短期撓度檢驗階段:在規(guī)定的單項工程荷載標準值下,板材短期撓度的計算值為:ak=WHWK×L0200×1000=5.470ak=WΗWΚ×L0200×1000=5.470mm.由表1可見,4塊試驗板材的短期撓度均小于該值,因此,短期撓度檢驗合格.(2)出廠檢驗階段:短期撓度檢測后,又加了3級荷載,荷載達到2.744kN,進入出廠檢驗階段,由表1可得,在此階段,板材內(nèi)均無裂縫出現(xiàn).因此,出廠檢驗階段滿足規(guī)程要求.(3)承載能力檢驗:4塊板材在最終破壞時所承受的砝碼總重均在12kN左右,結(jié)合GB15762—2008歸納的破壞形式,認為墻板腹部斜裂縫達到1.5mm時所承受的荷載為破壞荷載.承載能力檢驗要求板材在初裂及最終破壞時,承載力需滿足:Ws1≥WR=2305.8Pa?Ws2≥γ0[γu]γRWR=4150.4WR=2305.8Ρa?W2s≥γ0[γu]γRWR=4150.4Pa,其中:γ0為重要性系數(shù),根據(jù)結(jié)構(gòu)安全等級確定;[γu]為承載力檢驗系數(shù)允許值,取1.35;γR為抗力分項系數(shù),取0.75.由表1可知,4塊板材均滿足此要求且板材的實際承載能力距設(shè)計承載力尚有足夠的安全儲備.繪制板材的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線、荷載-支座位移曲線如圖5所示.由圖5可見:在滾軸支座和鉸支座處,板材的豎向撓度變化較小,各板材的測量值有所不同但最大值不超過1.2mm,認為其豎向撓度差異在誤差允許范圍之內(nèi).隨荷載增加,板材的跨中撓度增加明顯,4塊試驗板材的跨中撓度變化趨勢基本一致,破壞時,板材跨中撓度的平均值為41.588mm.3元模型研究3.1蒸壓加壓混凝土單元采用Ansys有限元軟件,建立蒸壓加氣混凝土的有限元模型,鋼筋采用Link8單元,蒸壓加氣混凝土采用Solid65單元,蒸壓加氣混凝土的彈性模量為2300MPa,密度為510kg/m3,抗壓強度為3.5MPa,抗拉強度為0.31MPa,泊松比為0.2,考慮材料非線性,選取Concrete材料模型來模擬蒸壓加氣混凝土.3.2有限元計算結(jié)果有限元加載采用在模型頂面施加節(jié)點面荷載,并采用單調(diào)加載方式,當計算終止時,作用在蒸壓加氣混凝土上的荷載(將頂面節(jié)點的面荷載轉(zhuǎn)換為集中荷載)即為該板的破壞荷載.有限元計算所得最終破壞荷載為11.897kN,最終破壞時,板底豎向撓度為47.624mm,變形如圖6所示.從有限元計算結(jié)果中可以提取鋼筋應(yīng)力,彌補了試驗研究時因板材高溫制作而無法在生產(chǎn)過程中在鋼筋上貼應(yīng)變片的不足.破壞時,受拉區(qū)鋼筋的最大拉應(yīng)力為210MPa,受壓區(qū)鋼筋最大壓應(yīng)力為139MPa,具體鋼筋軸力如圖7所示.由此可見,鋼筋的材料強度得到了較大利用,將荷載與對應(yīng)板材跨中撓度的有限元模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比(如圖8所示)可得:有限元數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合,從而驗證了有限元模型的正確性.3.3極限強度荷載法文獻中總結(jié)了Fangopol和Curley提出的4種結(jié)構(gòu)冗余度,并將其第2種應(yīng)用于單塊蒸壓加氣混凝土板的承載力可靠性能評估.定義設(shè)計板材的承載力可靠系數(shù)為k,具體計算公式為:k=FintactFnominal(3)k=FintactFnominal(3)式中:Fintact為板材破壞的極限強度荷載;Fnominal為板材的名義承受荷載.參照試驗所得結(jié)果,由式(3)可計算得到1#,2#,3#,4#板的承載力可靠系數(shù)分別為1.985,1.927,2.028,1.932,平均值為1.968.參考有限元計算結(jié)果,得到設(shè)計板材的承載力可靠系數(shù)的計算值為1.911.因此,設(shè)計配筋形式的蒸壓加氣混凝土墻板其強度可以滿足設(shè)計要求,且具有較大的安全儲備.本文設(shè)計的配筋加氣混凝土板的結(jié)構(gòu)性能滿足規(guī)程要求,其設(shè)計方法以及有限元模擬研究均可以用來指導(dǎo)日后的蒸壓加氣混凝土板的配筋設(shè)計工作.目前,由于安裝造價等因素影響,蒸壓加氣混凝土板材主要應(yīng)用于大型工業(yè)廠房的墻板工程中.為了進一步擴大應(yīng)用,使其在工程中能更廣泛地作為屋面板或者與其他材料結(jié)合形成組合樓板,有必要對其從材料及受力性能方面進一步研究.4施工質(zhì)量評估(1)設(shè)計配筋的蒸壓加氣混凝土墻板在短期