聚苯颗粒复合墙板平面外抗弯性能研究
李雅漠
(四川工程职业技术学院，四川德阳618000)
【摘要】文章为研究不同因素对某种聚苯颗粒复合墙板抗弯性能的影响，对不同厚度、不同加肋数以及经过温湿循环后的聚苯颗粒复合墙板进行均布荷载加载试验，发现墙板的破坏类似少筋梁的破坏，短期温湿循环会使墙板的抗弯极限荷载降低约3%左右，挠度则增大达9.5%，加肋对不同厚度墙板的抗弯刚度也有不同的影响。并给出了墙板相对容许挠度建议值以及不同墙板的抗弯刚度参考值，得出了墙板的结构影响系数和环境影响系数建议值。
【关键词】聚苯颗粒复合墙板；抗弯性能；均布荷载试验；温湿循环；硅酸钙板
【中图分类号】TU528.41【文献标志码】A
装配式墙板是装配式建筑中非常重要的一个部分，其中聚苯颗粒复合墙板由于其轻质保温等特点，已成为应用量较大、市场前景较好的板类新型墙体材料之一，被许多标准和规范所青睐⑷。但在实际工程中聚苯颗粒复合墙板主要运用于建筑物的围护结构，并不是建筑物的主要承重部分，国家及地方缺少相应的力学相关规定，导致此类墙板还存在一定的安全隐患。在使用过程中，轻质条形墙板主要受到面外水
平荷载引起的弯矩［2］、面内水平荷载引起的剪力和竖向荷载引起的轴力，本文仅针对其面外抗弯性能开展研究。
聚苯颗粒混凝土本身是一种广泛使用的建筑材料，对其材料力学性能的研究开展已经较为丰富，如Miled［3］等人对于聚苯颗粒轻质混凝土的抗压性能进行了细致研究。国外有一种相关产品名为“JK板”⑷，以聚苯颗粒轻质混凝土为主材，辅以各种加劲材料形成结构板材，可用于受力较小的结构中。高子栋⑸等人对面板为纤维水泥板，芯材为聚苯颗粒混凝土的复合墙板开展了芯材与面板剪切粘接强度、芯材与面板共同抗压强度、聚苯颗粒混凝土试块单独抗压强度研究，试验表明复合夹芯墙板的抗压强度值大小主要影响因素为：聚苯颗粒混凝土的承压力、面部板材的承压力以及面材与芯材界面的剪切粘结力。夏光辉同等人对一种新型夹芯保温复合墙板进行了抗弯性能试验，利用ANSYS模拟了墙板在轴向荷载作用下的力学性能，为实际工程中的墙板应用提供了依据。张兰英⑺等人对装配式外围护墙板进行了抗风能力分析，试验表明，复合类墙板的强度普遍偏低，抵抗水平荷载的能力比较差，不能应用在高层建筑和风比较大的地区。
上述研究分析了墙板的强度影响因素和不同荷载下墙板的力学性能，对工程应用具有一定的指导意义。但针对此类复合墙板，其承载能力和变形控制能力受加肋、厚度、环境温湿度等因素影响较大⑼，有必要进行考虑相关因素的实验，明确其抗弯作用机理机制，并提出有效的工程设计方法，以此对实际工程有更具体的指导作用。
1试验概况
1.1试验选材及试验装置
试件选用重庆泰的绿色新材有限公司生产的聚苯颗粒复合条板，面板采用两块增强纤维硅酸钙板，芯体为聚苯乙烯颗粒、发泡波特兰水泥、膨胀珍珠岩粉、多种轻集料等混合材料。板材长2440mm，宽610mm，厚度有50mm、75mm、100mm、125mm、150mm等规格。
墙板养护过程中，对于较厚的板来说，厚度方向的收缩值较大。设置肋条可有效保障墙板的平整度。设置肋条的墙板的内部结构如图1所示。
图1加肋墙板内部构造
墙板的吊挂力、燃烧性能、耐火性能、耐火极限、空气隔声量等指标均符合国家标准GB/T23450-2009《建筑隔墙用保温条板》，本次试验选用板材型号及数量见表10参考JG/T169-2016《建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》中的试验装置，本次试验支座采用刚性垫块，墙板每端与垫块接触长度为50mm。利用沙袋进行均布加载。在两端支座处及跨中的位置设置百分表，跨中百分表测头与木棒连接，木棒作用为延长百分表测头，以便于放置沙袋加载。试
验装置如图2所示。
1.2试验方案
按JG/T169-2016＜建筑隔墙用轻质条板通用技术要求》中要求，加载前，先将板空载静置2min。加载等级不少于5级，每级加载不大于板自重的30%，从两端向中间均匀
［定稿日期］2020-07-16
［作者简介］李雅漠(1993-)，女，硕士，助教，从事建筑安全相关工作。
表1板材选用数量
厚度/mm养护时间/d数量备注
5073
143
2863块墙板加肋
7573
143
2863块墙板加肋
10073
143
2863块墙板加肋图2试验装置
加荷，堆长相等，间隙均匀，堆宽与板宽相同。前4级每级加荷后静置2min，加载至板自重的1.5或2倍后，静置5min，此后，继续按此分级施加荷载，直至板破坏O
探究温湿循环对板抗弯性能影响时，将板材置于环境仓中［1°］，调节环境仓温度为40七，湿度为70%,24h后将墙板取出，进行均布荷载加载试验。
所用环境仓为微环境与人工气候室（图3），型号CABR -QH1302，净尺寸为3mX4mX2.7m，温度的调节范围为-5~40湿度为30%~95%，风速为0.0-1.5m/s o
图3微环境与人工气候室
1.3试验现象
板在空载静置时，无明显挠度，静置2min后跨中百分表无变化。加载过程中，墙板受弯，跨中挠度随加载重量增大而增大，大致呈线性关系。加载到一定量后，内部混凝土出现裂缝，墙板达到破坏荷载时，受拉侧纤维硅酸钙板被拉断，内部混凝土裂缝瞬间贯通，之后墙板断裂。破坏位置大致为两种，一种为在板的两个三等分点处，另一种为跨中和靠近两端支座处断裂。断裂处表现为下层纤维硅酸钙板被拉断，夹心层被拉断，上层纤维硅酸钙板未断裂，如图4所示。
图4板断裂处破坏形态
1.4试验结果
试验中板即为受弯构件，沙袋可视为线性均布荷载，图5为三种厚度不同的墙板荷载挠度曲线图。
图5不同墙板荷载-位移曲线
由图5可知，墙板的挠度和线性均布荷载大致呈直线关系。由此可知，墙板受弯过程可近似视为弹性受弯过程。
墙板的破坏荷载为后期加载重量与墙板自重的和。表2为不同类型的墙板的破坏荷载和跨中挠度。
从整个过程中可知，受拉侧纤维硅酸钙板的拉断是墙板破坏挠度的决定性因素，其后的内部混凝土主要较宽裂缝出现和墙板断裂几乎与其同时发生。而不论是否加肋，或者经过温湿循环，受拉侧纤维硅酸钙板的极限抗拉应变总是一定的，因此墙板的弯曲极限挠度也几乎相同。
表2不同类型的墙板破坏荷载和跨中挠度厚度/mm类型
破坏荷载
/(kN・m_i)
跨中挠度mm 50
加肋  1.148.28
不加肋  1.108.24 75
加肋  1.54  5.40
不加肋  1.49  5.61 100
加肋  2.63  4.30
不加肋  2.51  4.21在探究温湿循环对墙板影响时，将两种厚度的条板置于环境仓内24h。试验时外界温度大致为25T，湿度大致为50%~60%。环境仓内温度较外界空中较高，约为40七。由结果可知两种厚度的条板极限抗弯承载力均有小幅下降。表3为板经24h温湿循环后的破坏荷载和跨中挠度。
表3经温湿循环的墙板破坏荷载和跨中挠度厚度/mm破坏荷载/（kN•m"）跨中位移mm
50
1.10&24
1.078.33
100
2.51  4.21
2.49  4.65
注：外界温湿：40t,70%。
墙板主要为两层硅酸盖板与外界环境接触，温湿等因素主要对两层硅酸钙板有影响。实验时将墙板置于环境仓内24h，两种厚度的墙板极限抗弯承载力均有小幅下降，大约在3%左右。尤其值得注意的是，环境对与挠度的影响较大，高达9.5%，工程上不能忽略。因此，可推断聚苯颗粒复合墙板外层纤维硅酸钙板的防水性和耐水性是影响整体墙板抵抗温湿循环的关键。
2抗弯刚度计算方法
聚苯颗粒复合墙板的夹芯层和外层纤维硅酸钙板的自身材料性能比较离散，而且两者之间的粘结强度不易控制，所以很难直接用两者材料性能去推算整块复合墙板的抗弯强度。因此，基于抗弯试验的结果利用计算公式进行反推是一种有效的途径。
2.1基于抗弯刚度的设计思路
根据本文所得试验数据，结合弯曲变形的理论公式，即可获得聚苯颗粒复合墙板抗弯变形控制的设计方法（式⑴）。
3〜皿鹅W3⑴式中：5为墙板结构影响系数，作用是考虑墙板内部肋的影响；«2为环境影响系数，作用是考虑温度循环的影响；[«]为墙板容许挠度。
由于试验样本数量的局限，以上影响系数更多的意义在于反应计算的方法和理念，在其具体取值上还有待后续更多的试验进行修正。
2.2相对容许挠度
由试验结果可知，聚苯颗粒复合墙板破坏时，均有较明显挠度变形，因此可采用墙板计算挠度不超过允许挠度的方式来进行墙板抗弯性能设计和验算。
考虑到每块墙板之间的各项性能有所差异，同时给墙板在使用过程中保留一定的安全储备，所以对墙板的破坏考虑一定的安全系数。墙板破坏呈现出明显的塑性破坏形式，考虑50%的安全储备。为使容许挠度具有更普遍的适用性，根据试验中条板的长度确定相对容许挠度，即容许挠度与条板长度的比值。
根据试验结果可看出，加肋虽然提高了抗弯刚度，但是对破坏时的变形能力几乎无影响。因此对同种厚度的墙板的容许挠度取相同的值。表4为各种厚度墙板的相对容许挠度建议值。
2.3抗弯刚度£7
根据式（1）3=躺以及条板的相对容许挠度值可计
表4墙板相对容许挠度建议值
条板厚度/mm相对容许挠度/10T
50  2.3
75  1.5
100  1.2
算得出条板的抗弯刚度，去掉差异过大的试样的抗弯刚度，剩下的取其平均值⑴〕。表5为通过试验得出的不同厚度墙板的抗弯刚度。
表5不同墙板板的抗弯刚度参考值
墙板类型墙板厚度/mm
抗弯刚度
/(kN•m2•m1)不加肋板
5072
75146
100322
2.4结构影响系数
通过结构影响系数5，可考虑加肋的结构形式对于抗弯刚度的影响。图6为不同厚度的墙板的结构影响系数。
1.060-
1.055-
1050-
1.045-
I040-
1.035-
1.030-
1.025-
1.020f
1.015-
1.010-
I005-
1.000-
5075100
厚麼/mm
图6不同厚度的墙板的结构影响系数
由图6可知，加肋对不同厚度墙板的影响程度不同，对于所有墙板，所定义的结构影响系数山大约位于1-03~
1.06之间，从安全角度考虑，可确定结构影响系数心为1.03。
2.5环境影响系数
如前所述，墙板抗弯承载力的决定性因素是受拉侧纤维硅酸钙板的极限抗拉能力，因此纤维硅酸钙板的温湿度敏感性势必直接影响墙板的抗弯能力。
然而实际工程中的环境变化规律相对复杂，远非简单的环境仓温湿度的短期变化可模拟，因此本文提
出的环境影响系数a?的取值不可避免的具有相当大的不可靠性。但本文仍基于有限的数据给出«2的建议值，一是可反映环境影响抗弯能力的思路，二是为后续研究提供数据比较。表6为两种厚度的墙板的环境影响系数。
表6墙板环境影响系数
墙板厚度/mm环境影响系数
500.96
1000.90
3结论
本试验通过对不同厚度、不同加肋数、不同温湿循环后的聚苯颗粒复合墙板进行了均布荷载加载试验，得出结论如下：
(1)聚苯颗粒复合墙板受弯破坏时，其破坏模式为脆性破坏，类似少筋梁的破坏。提高硅酸钙板的抗拉强度可增强聚苯颗粒复合墙板的抗弯强度。
(2)根据墙板均布荷载的试验结果，采用由计算公式进行反推的思路，提出了由挠度反算抗弯刚度的方法，可有效用于实际工程中墙板抗弯刚度的计算。得出相应厚度墙板的抗弯刚度，同时给出加肋对墙板抗弯刚度的影响系数。
(3)短期的温湿循环可使墙板的抗弯极限荷载降低3%，挠度则增大达9.5%o提出环境影响抗弯能力的思路，并给出环境影响系数建议值。
(4)考虑聚苯颗粒复合墙板在实际工程中的安全储备，给出墙板的相对容许挠度值，为墙板在实际工程中的应用给予一定的参考。
参考文献
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gy performance of buildings—methods for expressing energy per­
(上接第248页)为了进一步确定优化效果，采用2根。= 60。时的斜杆的计算结果Mises应力与位移云图，其作用部位为基准环、斜梁与立柱搭接处。与图4、图5优化前的工况相比，优化后的反力架最大应力为171MPa，减小了12.3%；最大位移为2.9mm，较小20.7%。可见，反力架斜杆的作用部位与角度对反力架的受力影响较大，当0=60。时，不仅可以大大减少结构的最大Mises应力与位移，而且减少了1根长斜杆的使用，减少了反力架使用空间，便于施工(表1、图8)。
表1不同工况数据对比
工况最大Mises应力/MPa最大位移/mm
优化前192  3.5
优化后171  2.9减小百分比/%12.320.7
(a)<1移(b)应力
图8优化后的反力架计算结果云图
4结论
(1)在工程现场所应用的反力架虽然受力验算是安全可靠的，但受一侧斜杆的影响，使结构受力均匀性较差，具有明
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显的应力集中以及大位移区域，在环境复杂的施工现场，对其进行优化是非常必要的。
(2)根据工程经验，斜杆的最优作用部位集中在基准环、斜梁与立柱搭接处。
(3)对于斜杆与立柱的夹角，根据对比分析得出在60。左右时，反力架体系的受力是最优的。
参考文献
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