泡沫混凝土复合墙板承载性能研究现状及前景

钱坤 胡欣

吉林建筑大学（130022）

0 引言

装配式混凝土墙板是以提前在工厂制备而成的构件，是以受力为主的部分，然后借由运输工具运至施工现场，由工人操作器械进行现场连接并装配成一个整体的混凝土结构，能极大的缩短工期。在一些低层建筑如廉租房、小别墅、拆迁公租保障房等应用广泛。但传统的装配式结构仍然采用预制钢筋混凝土构件，虽然节省了模板工程和养护等一些费用，但由于自重大，机械器具施工困难，大大增加了机具方面的成本。因此，具有保温、隔热、耐火和轻质高强等优良特性的新型混凝土外墙板的研究将推进绿色建筑和住宅产业的发展，满足人们对住房高品质、低价格、节能环保的需求。

1 国内泡沫混凝土墙板研究现状

1.1 泡沫混凝土复合墙板的概述

泡沫混凝土最早起源[1]于古埃及，人们使用一些天然材料混合之后产生气体来制作多孔砌块，到了古罗马时期，古罗马人运用石灰和一些细骨料制作出最早的混凝土，并在内部混合了动物血液和植物浆液搅拌产生大量气泡制作出较为稳定的原始泡沫混凝土，并混入一些毛发和植物秸秆，提高了抗裂性能，和目前发展的掺入纤维的混凝土有异曲同工之处。随着近些年的改革开放工业化的进步，泡沫混凝土逐渐从西方国家传入中国，尤其是欧洲对泡沫混凝土的运用技术。在当时空调并没有传入中国，南方城市面对炎热的夏天，迫切需求隔热保温的墙板，而泡沫混凝土墙板因为其内部空隙率较大，在温度升高时内部的孔隙能形成一层空气墙，有效地起到保温隔热的作用，所以在南方开始广泛流行，并吸引许多学者对该墙板进行大量试验研究。到目前为止，中国的泡沫混凝土技术已经处于世界领先地位，从国家标准、地方标准、企业行标都在不断完善和规范泡沫混凝土的使用,许多高校的学者和研究团队也在不断创新泡沫混凝土墙板，吉林建筑大学的钱坤教授及其研究团队提出了一种新型泡沫混凝土复合墙板“人字撑泡沫混凝土装配式复合墙板”[2]。其在传统泡沫混凝土墙板基础上加入了内部钢筋的布置，采用人字形钢筋笼，其中一项研究表明在配置了内部钢筋笼的情况下，该结构比起传统泡沫混凝土墙板结构其承载能力大幅提高。

1.2 泡沫混凝土墙板受力及抗震性能

装配式泡沫混凝土墙板设计时主要考虑上部建筑荷载传递给墙板的竖向荷载，但随着我国建筑高度的不断突破，风和地震引起的沿水平方向的荷载越来越受到重视，在此国内学者对其都有一定的研究。

1.2.1 泡沫混凝土复合墙板竖向承载性能

王怀远[3]研究分析了泡沫混凝土墙板的承载能力，通过制作了1∶2的缩尺试件模型，对其加载至破坏，测得极限承载力试验数据并建立有限元数值分析模型与之对比分析得到其竖向承载能力约是传统砖石砌块墙的2.4倍。

江勇[4]对3块由钢梁和泡沫混凝土组合而成的复合墙板施加竖向荷载并观察其不同破坏阶段时裂缝发展情况和荷载数值，研究发现对该组合墙板影响最大的因素是板厚度，其次是混凝土强度和钢筋种类。加大板厚可以提高竖向承载能力但过厚则会使得刚度变大从而引起混凝土的少筋破坏，并通过与ABAQUS建立模型分析对比验证了试验的准确性。

1.2.2 泡沫混凝土复合墙板水平承载性能

王怀远进一步对该模型施加水平低周往复荷载，观察其位移和裂缝展开情况，分析了试件的破坏形式，通过对比极限荷载阶段和破坏阶段的泡沫混凝土墙板与砖砌墙板滞回曲线，发现泡沫混凝土墙板的滞回曲线包裹了砖砌墙的滞回曲线，说明泡沫混凝土墙比起传统砖砌墙其承载力和抗震性能更好。

王宇轩[5]对带有外框架的泡沫混凝土墙板进行了抗震性能研究。通过制作模型试件，对试件施加低周反复荷载，观察其破坏过程，根据其滞回曲线、骨架曲线等试验数据，发现带有外框架的泡沫混凝土墙板其水平承载力是传统框架的1.69倍，刚度是3.3倍，而且这种泡沫混凝土墙板改变了传统墙板的破坏形式，由在塑性铰处弯曲破坏变为弯曲-剪切型破坏。

鲍超[6]在泡沫混凝土钢构框架组合墙板的研究中，通过施加单调侧向力的作用下将该墙板加载至破坏，发现该墙板破坏形态为脆性破坏，其极限水平承载力约为传统钢框架的3倍，而且研究发现当板厚与梁翼缘宽度一样时，其承载力达到最大。

1.3 泡沫混凝土复合墙板抗剪能力

范宇岐[7]将型钢作为骨架配合现浇泡沫混凝土制作而成的新型泡沫混凝土复合墙板，使用水平单调加载和低周往复加载两种方式，与采用钢架和钢丝网组成的纯钢骨架结构对照来探究其抗剪性能。通过施加荷载采集其屈服、极限、破坏荷载等数据，对照分析影响抗剪性能的因素，结合其加载过程中的不同变化阶段即弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，推理出该复合墙板三个阶段的抗侧移刚度经验公式。

1.4 泡沫混凝土复合墙板抗弯能力

钱臻旭[8]将轻钢作为龙骨，配合现浇泡沫混凝土铸成一个中空的泡沫混凝土复合墙板,通过2块该墙板标准单元的4点弯曲试验与ABAQUS模拟研究了墙板的抗弯性能，通过应变片采集墙板从加载到破坏的变形数据，得到了不同加载时期墙板的荷载位移曲线图。在1/4荷载作用点混凝土首先开裂，然后中部开裂，最后龙骨发生屈曲与铆钉连接失效，墙板出现贯穿裂缝，挠度增大。测量发现其极限承载力是产生的挠度分别为1/89和1/98，均高于标准规定[9]的相对挠度限值，抗弯性能有所提高，且通过与模拟对比发现改变龙骨间距对抗弯性能的影响较大。

2 泡沫混凝土复合墙板优缺点总结

以上论述中学者研究的结论表明传统的框架结构或装配式结构在与泡沫混凝土结合后组成的新型复合墙板，与传统混凝土墙板相比较，由于泡沫混凝土缺少骨料，其承载力没有混凝土高。但通过与其他结构组合形成泡沫混凝土复合墙板，其无论是承载能力还是抗震性能都大幅度提高，且泡沫混凝土复合墙板的自重也远小于传统钢筋混凝土结构。其整体的刚度稳定性也有所提高，但破坏形式逐步趋向于脆性破坏，脆性破坏时无征兆无明显变形，但可以通过掺入一些天然或人造纤维或者钢纤维，用来提高泡沫混凝土复合板的塑性，减小脆性破坏。通过和泡沫混凝土组合成的新型复合墙板，弥补了传统混凝土墙板所不具有的性能，如内部较高的孔隙率所带来的保温、隔热以及吸能效果，而且施工简单、施工速度快，充分符合我国当前推行的绿色建筑发展，节能环保这一理念.

3 市场泡沫混凝土复合墙板综合问题

目前,泡沫混凝土行业还处于不断探索时期。虽然我国泡沫混凝土年产量位居世界首位,但总体距离发达国家还是有一定的差距,其中主要存在以下的一些问题：

3.1 市场产品种类过少

虽然泡沫混凝土的研究非常广泛，但将其应用到复合墙板的技术需求以及知识普及范围不广，导致在行业中投入生产和使用的比例较低。

3.2 市场产品质量难以保证

由于泡沫混凝土制备工艺不够成熟，其核心部分发泡剂外加剂的研发质量不稳定，且泡沫混凝土的主要性能随材料的改变而改变，使得产出的泡沫混凝土质量不稳定，且成本较高，使得难以被行业广泛接受。

4 前景展望

目前我国建筑行业仍处于发展阶段，混凝土结构仍然是当前市场最大需求，随着城乡融合发展建设的推进以及绿色建筑的硬性要求，对新型建筑材料和建筑结构的需求在不断提高。未来我国建筑行业在全国GDP占比越来越高，虽然建筑主流结构会逐渐转为超高层钢结构，但超高层钢结构其围护结[10,11]构目前仍然处于待研究阶段，而装配式泡沫混凝土复合墙板因其多样性能满足绝大部分的围护结构设施，因此市场前景非常广阔，相信随着相关科研人员的努力与付出，将会取得更加优异的成果，更好地服务于我国现代化建设。