新型装配式GRC-PC复合墙板收缩试验与应力分析

丁克伟，宋浩源，陈东

(1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省BIM工程中心，安徽 合肥 230601)

装配式墙体结构是我国装配式建筑主要研究结构形式之一，相比于传统的墙体更加轻便、美观、环保，但目前装配式墙体存在着一体化程度低、施工效率不高、工序烦琐等问题；因此研究一种符合绿色环保、满足预制化建筑等要求的复合墙板具有重要意义。

国内外学者对不同材料的复合墙板进行了大量研究。姚谦峰、黄炜等[1-2]对密肋复合墙体进行了水平低周反复荷载作用下的试验研究，分析了墙体受力特点及破坏过程，并给出墙体恢复力模型。研究表明墙体破坏形式主要分为剪切型和弯曲型，墙体在试验中展现出良好的抗震性能；王静峰、候和涛等[3-5]研究了节能复合墙板的极限承载力、抗震性能和破坏形式等，研究表明节能复合墙板钢框架具有良好的延性，同时节点连接方式、配筋率和墙板厚度等都会对结构承载力造成影响；藏人卓、时旭东等[6-7]对钢筋混凝土复合墙板进行了轴向受力性能研究，通过试验及有限元模拟的方式研究了不同偏心荷载、配筋率、肋宽的情况下墙板的受力性能，研究表明此类墙板具有较高承载性能，且荷载偏心距、墙板配筋率对墙板受力性能影响最为明显；文献[8-10]相继研究了PCM在建筑墙体不同位置的应用，并对PCM墙板进行了数值模拟，研究表明PCM复合墙板可以储存热能、降低夏季和冬季的能耗，且将PCM放置于内部附近可以实现更高的效率。

GRC(glass fiber reinforced concrete)是一种新型的混凝土复合材料,质感细腻，外观纯白美观，性能稳定，目前其应用涉及古典建筑、室外幕墙、室内装饰以及名胜古迹修复等[11]。GRC与PC(precast concrete)结构复合而成的GRC-PC墙板在构造一体化、环保、美观等方面有突出的优势。目前对GRC材料应用于一体化墙板的相关的研究较少，且运用于建筑外墙时会根据现场情况与项目要求，对墙板工艺、造型以及尺寸等做出调整。更大尺寸的复合墙板，与空气接触面更大，会造成更大的水分流失，使墙板增加开裂风险。本文通过浇筑纯GRC板与GRC-PC复合墙板，用仪器连续监测GRC-PC墙板的收缩数据，对比分析复合墙板的收缩变化规律与影响因素，并计算墙板应力，分析墙板抗裂性能，为实际工程的应用提供一定的指导。

1 试验研究

1.1 试验设计

本试验共浇筑3块不同的GRC-PC复合墙板与1块纯GRC墙板，其中纯GRC墙板与2块GRC-PC复合墙板的尺寸为1 000 mm×1 000 mm，1块GRC-PC复合墙板尺寸为1 000 mm×2 000 mm。在其中1块1 000 mm×1 000 mm的GRC-PC复合墙板的C30混凝土板中埋入钢丝网片。在浇筑GRC-PC板的同时浇筑尺寸为150 mm×150 mm×150 mm以及150 mm×150 mm×300 mm的两种材料试块，用于后期测量抗压强度以及弹性模量，力学性能试验尺寸、墙板尺寸与构造见表1、表2所示。

表1 力学性能试验尺寸参数表Tab.1 Dimension parameters for mechanical properties test

表2 墙板尺寸参数表Tab.2 Dimensions of the new type of GRC-PC composite wallboard

为了记录GRC-PC复合墙板的收缩应变，需要在墙板表面放置应变计进行数据测量。应变计放置位置及编号如图1所示。

(a) 试件1～试件3尺寸与平面布置

1.2 试验设备

为了试验顺利进行，需要准备HJW-60型单卧轴试验室搅拌机用于搅拌GRC材料；DH3818Y-2静态应变测试仪配合DH1205电阻式表面应变计长期测量浇筑好的GRC-PC板的收缩应变情况；微机液压式万能试验机以及压力试验机用于后期测量C30混凝土和GRC的抗压强度以及弹性模量。

1.3 抗压强度和弹性模量试验

抗压强度是最基本的一项力学性能，可以确定混凝土的等级质量、抗拉强度、峰值应变等性能；弹性模量是混凝土重要力学性能，能够反映混凝土应力应变之间的关系[12]。本文材性试验方法均按照规范GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[13]规定，将试件分别养护7，14，21，28 d并测量其抗压强度与弹性模量。试块采用与GRC-PC复合墙板相同的养护方法。

使用压力试验机对试块进行抗压强度试验，加压试块直至破坏，记录荷载并计算试块的抗压强度。抗压强度计算公式如下：

(1)

式中：Fcu为C30混凝土及GRC立方体试件抗压强度，MPa；F为试件破坏荷载，N；A为试件承压面积，mm2。

通过微机液压式万能试验机以及DH3818Y-2静态应变测试仪对试块进行弹性模量试验。将养护到规定时间的试件粘贴应变片并连接上静态应变测试仪，使用试验机均匀连续加载。

试块弹性模量计算公式如下：

(2)

式中：Ec为试件的弹性模量；Fa为应力为1/3轴心抗压强度时的荷载，N；F0为应力为0.5 MPa时的初始荷载，N；L为测量标距，mm；A为试件承压面积，mm2；Δn为最后一次从F0加载至Fa两侧变形的平均值，mm。

1.4 抗压强度及弹性模量

通过抗压强度和弹性模量试验，得出C30混凝土和GRC材料7，14，21，28 d的抗压强度和弹性模量，具体数值如表3～表6所示。

表3 C30混凝土抗压强度Tab.3 Compressive strength of C30 concrete

表4 GRC抗压强度Tab.4 Compressive strength of CRC

表5 C30混凝土弹性模量Tab.5 Elastic modulus of C30 concrete

表6 GRC弹性模量Tab.6 Elastic modulus of GRC

1.5 墙板浇筑

本试验浇筑GRC-PC复合墙板需要准备两种材料——GRC和C30混凝土，其中C30混凝土为中建国际安徽海龙公司生产的商业C30混凝土，GRC是根据本课题组研究的配方于现场调配制成[14]。试验具体步骤如下：

(1) 清理并检查木模板，确保模板无开裂、漏浆。在模板上贴上标签，按高度60，70 mm用记号笔画上标记，并在木模板内部涂刷脱模油，防止拆模无法分离。对应变采集仪进行设置与调试，检查通道是否损坏。

(2) 在木模板中浇筑C30混凝土，完成后用振捣棒对混凝土板进行振捣。按照试验方案，在其中一块浇筑好的C30混凝土板中埋入钢丝网片。

(3) 对GRC的材料按设计配合比进行称量，用搅拌机干拌粉料(不含砂、水、减水剂)2～3 min，再加入含有减水剂的水搅拌8 min，最后再加砂搅拌8 min。搅拌完成后，将GRC取出，浇筑在C30混凝土上，并用滚筒刷滚平。

(4) 在滚平后的GRC板正中央安装DH1205电阻式应变计，并在应变计中间部位包裹保鲜膜。在木模板上方摆放木棍并用绳子将表面应变计固定，防止因GRC材料较为松软使得应变计下沉与C30混凝土接触。

(5) 将应变计连接DH3818Y-2静态应变测试仪，并在墙板表面覆盖保鲜膜，连续7 d分早中晚对墙板表面洒水养护。连续监测GRC-PC板收缩值，记录每天早中晚的温度，湿度以及测试仪的数值。

2 试验结果分析

2.1 环境温湿度

GRC-PC复合墙板收缩类型包括塑性收缩、干燥收缩、温度收缩、碳化收缩、自收缩等。本文除了考虑自收缩外，还考虑环境的温湿度对复合墙板收缩的影响。图2、图3为从2019年8月13日至2020年1月6日记录的温度和湿度随时间变化的曲线图。每天分别定时记录早、中、晚实验室内温湿度变化并记录，取平均值绘制曲线图。记录时间段季节为夏季至冬季，室内温度逐渐变低。本试验进行的地点为安徽省合肥市安徽建筑大学结构与地下工程重点实验室，室内湿度波动较大，在晴朗天气较为干燥，阴雨天气较为潮湿。

时间/d图2 温度变化图Fig.2 Temperature trend

时间/d图3 湿度变化图Fig.3 Humidity trend

2.2 复合墙板与纯GRC板收缩对比

通过每日早、中、晚定时对数据的记录和整理，算出每天记录数据的算数平均值并绘制曲线图。浇筑的GRC-PC复合墙板与纯GRC板应变对比图见图4所示。由图可知，纯GRC板与GRC-PC复合墙板均是先进入膨胀拉伸阶段。这是因为数据记录初期，材料中水泥发生水化反应，墙板受热膨胀，发生拉伸应变。随着时间推移，材料的水化反应逐渐减弱，墙板逐渐进入收缩阶段，处于收缩受压阶段。在数据记录的第28天后，墙板收缩应变开始趋于稳定，只在一定幅度范围内波动。GRC-PC复合墙板的收缩应变远小于纯GRC板的收缩应变，减小幅度超过了70%。GRC-PC复合墙板及纯GRC板的最大收缩应变值见表7所示。

时间/d(a) 试件1和试件2的应变对比图

表7 墙板最大收缩应变值Tab.7 Maximum shrinkage stress values of wallboards

由表7可知，试件2与试件3相比试件1，收缩应变最大值减小了约80%；试件4相比试件1，收缩应变最大值减小了约70%。这是因为复合墙板在收缩过程中，GRC外面层与C30混凝土的收缩性能不同，发生的收缩应变也不相同。在复合墙板进入收缩后，内部混凝土结构收缩较慢，从而对外面层的GRC板产生拉应力，使得外面层GRC板收缩应变大幅减小。

2.3 复合墙板收缩对比

图5为GRC-PC复合墙板的应变对比图，根据数据对比分析可知，试件2与试件3表面应变在进入收缩阶段后，相差不大，两者最大的不同在于进入收缩前的膨胀变形阶段。试件2的最大膨胀变形是试件3的4倍，这说明在混凝土结构层埋入钢丝网片在膨胀变形阶段对GRC外面层的约束更大，并且会让其更早进入收缩阶段。在进入收缩稳定阶段后，试件2与试件3的收缩应变值差距维持在25%以内。

时间/d(a) 试件2和试件3的应变对比图

试件2与试件4采用相同的面层与结构层厚度，区别为两者的尺寸。在膨胀变形阶段，试件2的表面应变最大值为201.99×10-6，试件4的3个位置表面应变最大值为121.573×10-6，两者差距为39.81%。在进入收缩阶段后，试件5的②、③两个位置的收缩应变值基本与试件3相同，①位置收缩应变值与试件3相差约-100×10-6。GRC-PC复合墙板尺寸的增大使得表面的GRC面层与空气接触面增大，水分挥发的增快对面层的收缩应变产生了一定的影响。

2.4 温湿度影响

随着时间的推移，试验数据记录的季节从夏季转变为冬季，环境气温明显降低。从图4、图5中可以看出，3块GRC-PC复合墙板GRC外面层的收缩应变值也有了不同程度的降低。在数据记录的第20天和第100天，环境温度有一个骤降，而从应变对比图中可以看到，这两个时间段墙板的收缩应变值都有一个阶梯式的下降，气温的变化对于GRC-PC复合墙板的收缩有明显的影响。试验进行的地点为安徽省合肥市安徽建筑大学结构与地下工程重点实验室，室内湿度波动较大，在墙板进入稳定阶段后，墙板的收缩应变会因为湿度的影响，而在一定范围内波动。

3 收缩机制与应力分析

3.1 墙板裂缝成因

墙板开裂因素主要分为内部因素和外部因素两个方面，内部因素主要包括墙板材料自身的性能、墙体结构的组成形式、墙体内部材料发生反应等。外部因素主要包括温湿度变化导致墙体开裂、外部突加破坏性荷载、结构发生沉降等。GRC-PC复合墙板主要开裂原因是两种材料复合后产生的内部应力超过了结构本身强度，GRC外面层表面开裂从而释放应力。同时，作为一种新型建筑材料，在施工工艺上与传统的建筑材料有所区别。在施工过程中，容易因操作不当造成墙板产生应力集中现象，造成墙板开裂。

3.2 收缩类型

混凝土收缩类型主要分为以下6种：塑性收缩、自收缩、干燥收缩、碳化收缩、温度收缩、沉降收缩。其中，影响最大的因素是干燥收缩和温度收缩。干燥收缩是一种不可逆收缩，是内部水分迁移而造成体积减小的一种收缩变形。温度收缩是混凝土内部温度变化发生的热胀冷缩。混凝土在浇筑完成后会发生水化反应，内部产生大量热量；当水化反应达到顶点后，会逐渐转为平缓，内部热量也随之降低。

GRC-PC复合墙体由混凝土结构层和GRC面层组成，GRC材料不同于传统混凝土材料，在制备时不添加粗骨料，水泥的占比偏大，相比于传统混凝土材料，对外部环境温度更为敏感，会造成更大的温度变形；GRC材料本身含水量较高，具有较高的强度，使得制成的产品往往比较薄，一般作为墙板外面层，与空气直接接触，水分的流失使墙板产生更大的干湿变形。

3.3 收缩应力计算及裂缝校核

本文浇筑的GRC-PC复合墙板相比于单一材料墙板，收缩变形显著降低。为了校验复合墙板抗裂性能，将复合墙板看作均匀弹性体，在理想状态下计算GRC外面层应变计位置处第28天应力[15]，比较σ与f1之间的大小关系。

墙板应力计算公式如下：

σ=Ecεc

(3)

式中：εc为总收缩应变；σ为墙板应力；Ec为弹性模量。

当应力σ超过墙板的抗拉强度时，会造成表面开裂。通常，混凝土构件的抗拉强度估算公式如下：

(4)

式中：f1为抗拉强度；ft为抗压强度。

将试验测量的收缩应变值与弹性模量代入公式(3)，计算3块GRC-PC复合墙板应变计放置位置处第28天应力如表8所示。

表8 墙板应变计放置位置第28天应力Tab.8 Stress of the place where strain meter is placed on day 28

将试验测得的GRC抗压强度，代入公式(4)，得到GRC抗拉强度估算值为8.5 MPa。表8中各墙板计算的应力数值，复合墙板表面应力均不超过GRC抗拉强度估算值，具有良好的抗裂性能。其中，试件4①位置第28天应力达到了8.13 MPa，较为接近GRC抗拉强度估算值。墙板前期养护环境、室外气候与试验室环境差异以及随着时间推移，墙板收缩应变的波动，都会增加墙板开裂的风险。在实际工程运用中，可采取表面涂抹抗裂剂、安装防裂网格布等措施，来减小开裂风险。

4 结论

(1) 通过的数据记录及对比，4块墙板的整体变化趋势是接近的，都是先进入拉伸阶段，再进入收缩阶段。进入收缩阶段后，墙板会随着时间推移，收缩逐渐平缓并进入稳定阶段。

(2) 试件2、试件3、试件4中的GRC墙板因受到混凝土板的约束作用，其收缩应变值均远小于试件1的收缩应变值，减小幅度超过了70%。

(3) 试件2与试件3表面应变在进入收缩阶段后，相差不大，两者最大的不同在于进入收缩前的膨胀变形阶段。试件2的最大膨胀变形是试件3的4倍，收缩应变值两者差距基本在25%以内；试件4表面的②与③两个位置的收缩应变值基本与试件2相同，①位置的收缩应变值与试件3差距在-100×10-6左右。尺寸增大使GRC面层与空气接触面增大，水分挥发得增快对面层的收缩应变产生了一定的影响。

(4) 通过试验测得的数据，对GRC-PC复合墙板进行应力计算。3块GRC-PC复合墙板GRC面层应力均未超过GRC抗拉强度估算值，具有较好的抗裂性。