微孔煤矸石混凝土板极限承载力研究

崔燕伟，刘晶波，费毕刚

（1清华大学 土木工程系，北京 100084；2国质（北京）建设工程检测鉴定中心，北京 100837）

0 引言

我国装配化建筑业发展迅速，带动了相关材料技术的发展。微孔煤矸石混凝土板主要采用多孔混凝土、轻骨料混凝土[1-2]等材料制作，按一定原料和配比制备的微孔煤矸石混凝土[3]具有较好的抗压、抗拉强度，适当配置钢筋后可承受荷载，满足特定建筑构件的强度、刚度要求。

微孔煤矸石混凝土主要使用快硬水泥、粉煤灰、煤矸石陶粒[4]等材料，按配比将这些材料、水、发泡剂[5]、减水剂等拌合搅拌制成。煤矸石直接进行烧结，生产出碎石型陶粒，作为骨料以替代混凝土中的石子；粉煤灰与水泥混合，能增加浆体体积，使混凝土和易性变好，减少混凝土用水量。这样生产出的微孔煤矸石混凝土具有较好的抗压、抗拉强度，质量轻，且充分利用了煤矸石、粉煤灰等煤炭生产的工业废料，既可结合地区优势就地取材，又能解决现有煤炭生产废料大量堆积，污染环境的问题。

本文研究一种配筋的微孔煤矸石混凝土板，通过实验研究证明这种板能够被用于多层及高层建筑结构的内、外墙，采取构造措施后可开窗洞、门洞，并且方便安装，适用性强。此外，这种墙板造价不高于传统砌块墙体，具有安装简单、施工周期短、满足装配化要求的优点，兼顾轻质、高强、抗震、隔热[6]、隔音、节能，可广泛应用于建筑业各领域。

1 试验研究

微孔煤矸石混凝土制备过程如下：煤矸石直接进行烧结，生产出碎石型陶粒；将水泥、粉煤灰、煤矸石陶粒、生石灰、石膏按一定比例加入搅拌机混合均匀，再掺加减水剂和水，最后将采用高速搅拌机制成的泡加入浆体，搅拌均匀。微孔煤矸石混凝土配合比见表1。采用合成泡沫剂，发泡倍数20倍左右，减水剂采用FDN高效减水剂，减水率为14%。拆模后标准养护，温度20℃，相对湿度90%。

表1 微孔煤矸石配合比

微孔煤矸石混凝土立方体抗压强度fLcu=7.64MPa，轴心抗压强度fLc=6.64MPa。

配筋的微孔煤矸石混凝土板示意图如图1所示，试验板厚250mm，配置6@200双层双向钢筋网片，网片间设置@400拉筋，平面尺寸为2×3.2m，分为不开洞普通墙板PTB与开洞墙板KDB，开洞墙板采取有效的洞口加强措施。

图1 配筋的微孔煤矸石混凝土板示意图

试验板均为简支，采用分配梁加载，在板面上布置多个分配梁以模拟均布荷载。试验加载照片如图2所示，位移计及应变片布置如图3所示，板底布置三个位移计，板顶支座布置两个位移计，跨中板侧边贴混凝土应变片。加载采用分级加载，开裂前按开裂荷载的20%，开裂后按屈服荷载的10%分级加载，每级加载后持荷10min观察裂缝。

图2 试验加载照片

图3 位移计及应变片布置图

2 试验结果分析

板PTB先在板底跨中出现平行于板宽度方向的微小裂缝，随着荷载的增加，跨中挠度增大，板底跨中裂缝也逐渐向两侧伸展，裂缝宽度增加，跨中与支座之间也逐渐出现同方向裂缝。接近极限荷载时，板底最大裂缝出现在跨中，裂缝宽度超过1cm，板向下弯曲较明显，跨中出现较大挠度。加载至极限荷载的85%时，加载结束。整个加载过程中，板顶仅出现少许裂缝，从试验结果可见板的延性较大。

板KDB先在跨中与支座之间洞口两侧板底处出现平行于板宽度方向的微小裂缝，随着荷载的增加，跨中挠度增大，裂缝向两边逐渐扩展。加载至极限荷载时，洞口角部板底也出现部分裂缝，板底最大裂缝出现在跨中与支座之间，裂缝宽度超过1cm，板向下弯曲较明显，跨中偏向洞底侧挠度最大。加载至极限荷载的85%时，加载结束。整个加载过程中，板顶仅出现少许裂缝。

试验墙板的力学性能详见表2，表中延性系数为极限荷载85%时的试件挠度最大处竖向位移与屈服位移的比值。

表2 配筋的无砂微孔混凝土外墙板力学性能

如图4所示，配筋的微孔煤矸石混凝土板从受荷曲线大致走向来看，经历了弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段，这与普通钢筋混凝土板是相似的。从试验结果可知，配筋的微孔煤矸石混凝土板具有较好的强度和刚度，且构件延性性能也较好，能较好满足工程需要。

图4 荷载-位移曲线

采取洞口加强措施后的开洞板极限荷载是未开洞板的85%，二者延性性能也比较接近。可见，开洞板的受力性能与不开洞板相比有一定差距，但只要采取合理的洞口加强措施，也能获得与普通板较类似的力学性能。

由试验结果可知，不开洞板板底跨中位置钢筋应力较大，而开洞板板底1/4跨位置钢筋应力较大；整个受荷过程中，板顶钢筋压应力均很小，板底钢筋拉应力较大，但多未屈服。如图5所示，板底钢筋基本均未屈服，只有开洞板板底1/4跨位置钢筋达到了屈服，说明钢筋与微孔混凝土协同工作效果较好，未出现粘结滑移，有效确保了配筋的微孔煤矸石混凝土板的强度。

图5 荷载-钢筋应力曲线

3 极限承载能力计算

试验板在弹性阶段后经历了非线性的带裂缝工作阶段，屈服线理论只考虑极限状态，避免了非线性分析的复杂过程。

屈服线理论最早由Ingerslev[7]提出，后经过Johansen等人[8]改进，便可依据屈服线理论计算两边简支单向板的极限承载力[9-10]。

假设两边简支的单向板中心局部区域a×b发生方向向下的单位虚位移，外荷载Pu所做的外力虚功We为：

简支板屈服线如图6所示,当B＞A时，为图6a）情况；当B≤A时，为图6b）情况。根据虚功原理，由外力虚功等于内力虚功，可得如下关系式：

图6 简支板屈服线

式中，Mux、Muy分别为宽度B方向和长度A方向的单位宽度极限抵抗弯矩。

依据试验板跨中板侧面的混凝土应变试验结果，假定配筋的微孔煤矸石混凝土构件横截面能够满足平截面假定，但由于配筋的微孔煤矸石混凝土构件延性较普通钢筋混凝土构件稍差，受压区高度计算需进行折减。配筋的微孔煤矸石混凝土受弯构件受压区混凝土应力图形可简化为等效的矩形应力图，正截面极限抗弯承载力计算可按式（4）进行：

式中：Mu——配筋的微孔煤矸石混凝土构件极限抗弯承载力；x——微孔煤矸石混凝土受压区高度；b——试件宽度；h0——试件截面计算高度；fcm——微孔煤矸石混凝土的轴心抗压强度设计值；fy——受拉区钢筋屈服强度设计值；As——受拉区钢筋截面积；β——微孔煤矸石混凝土受压区高度修正系数。

式中修正系数β=0.75，依据试验结果，确定有限元分析的合理性，并进行扩展分析，由ABAQUS有限元模拟结果拟合确定（图7）。经检验，计算值与试验值误差均在5%以内，且试验值大于计算值，偏于安全，满足工程需要。

图7 峰值承载力时钢筋Mises应力云图

4 结论

微孔煤矸石混凝土不同于普通的轻集料混凝土和普通泡沫混凝土，其同时具有轻集料混凝土和泡沫混凝土的优点，密度小、强度较高，在建筑领域有较广阔的发展空间。本文对配筋的微孔煤矸石混凝土板进行研究，得出如下结论：

（1）配筋的微孔煤矸石混凝土构件具有较好的强度和刚度，且具有轻质、环保、保温、节能的优点，能较好满足装配化建筑产业要求；

（2）配筋的微孔煤矸石混凝土受弯构件在受力过程中，经历了弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段。受弯计算可采用平截面假定，钢筋与微孔煤矸石混凝土粘结较好，可不考虑二者之间的滑移；

（3）试验表明，配筋的微孔煤矸石混凝土板具有较高的抗弯极限承载力，且具有较好的延性，但抗裂性能较差。