轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的抗冲击性能

李方贤，李建新，肖 民，任蒙蒙

(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广州 510640;2.广州航海学院土木与工程管理学院,广州 510725)

0 引 言

近年来，建筑节能、装配式建筑、绿色建筑以及可持续发展理念备受关注，探索建筑节能新途径和开发新型建筑节能材料成为研究的热点[1-3]。泡沫混凝土具有轻质、保温、隔热、隔声等特点，是一种新型的建筑节能材料，常应用于制作泡沫混凝土砌块、泡沫混凝土墙板或补偿地基等[4-6]。为拓展泡沫混凝土因强度低而受限的工程应用领域，可与其他高强度材料组合制成泡沫混凝土复合墙板[7-8]。轻钢龙骨-泡沫混凝土-硅钙板组合墙板是以间距为400～600 mm的C型冷弯卷边槽钢立柱作为承力构件，立柱两侧采用自攻螺钉固定硅钙板作为内外墙面，在组成的内部空腔内灌入泡沫混凝土。与传统混凝土墙板结构相比，轻钢龙骨墙板具有轻质、高强、建造快速、施工简单、可模块化生产等优势[9-12]。目前，国内外学者对未填充泡沫混凝土的轻钢龙骨结构的力学性能，如轴压、抗弯曲性能、抗震性能等进行了大量的研究[13-16]。当轻钢龙骨框架内灌注泡沫混凝土形成轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板后，充填材料与龙骨框架协同工作，整体结构的受力状态得到优化，有利于提升其力学性能，而当前关于此类结构墙板力学性能的研究较少，刘殿忠等[17-18]对型钢与泡沫混凝土抗剪承载力进行了研究，陈大鸿等[19]对复合墙体竖向承载能力进行了研究。目前，轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板相关研究主要集中在材料改性和静态性能上[20-21]，该墙板在达到承受静荷载能力的同时，可以发挥泡沫混凝土自身多孔的特性以优化墙板的抗冲击性能，以应对强风、地震等冲击作用。因此，对轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板冲击损伤的研究具有重要意义。

本研究利用轻钢龙骨作为支撑，以硅酸钙板作为面层材料，在面层间浇注泡沫混凝土浆体，泡沫混凝土浆体凝结硬化后与硅酸钙板、龙骨连为一体，形成完整一体的轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板，采用落球冲击试验法并辅以超高速摄像技术，研究不同增强结构形式的轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的抗冲击性能，为轻钢龙骨复合墙板的实际应用提供指导。

1 实 验

1.1 原 料

胶凝材料：珠江水泥厂生产的P·O 42.5硅酸盐水泥和山东盈润智能新材料有限公司生产的粒化高炉矿渣(granulated blast furnace slag， GBFS)，其化学成分如表1所示。

发泡剂：广惠建材开发有限公司提供的HTQ-I复合型发泡剂，该发泡剂外观上呈现为浅白色浓稠状液体，其基本性能参数如表2所示。

硅酸钙板：广东雄塑绿色建材有限公司生产的厚度为6 mm的中密度面板，其主要性能指标如表3所示。

轻钢龙骨：选用C120 mm×40 mm×10 mm×1.2 mm(腹板高度×翼缘高度×卷边高度×厚度)冷弯薄壁C型龙骨作为龙骨单元。

纤维：防静电处理后的聚丙烯纤维，其基本性能如表4所示。

表1 水泥和矿渣的化学组成Table 1 Chemical composition of Portland cement and GBFS

表2 发泡剂的基本性能参数Table 2 Basic performance parameters of foamed agent

表3 硅酸钙板的基本性能Table 3 Basic properties of calcium silicate board

表4 聚丙烯纤维的基本性能Table 4 Basic properties of polypropylene fiber

1.2 泡沫混凝土设计

参照表5设计制备容重等级为600 kg/m3的泡沫混凝土。

表5 泡沫混凝土的配合比Table 5 Mixture proportion of foamed concrete

1.3 抗冲击试验

图1 抗冲击试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of impact resistance test device

国标《建筑隔墙用保温条板》(GB/T 23450—2009)中关于保温墙板抗冲击性能测试的相关规定，要求将标准砂袋从指定高度沿固定绳自由摆动下落。该测试方法虽然易于操作，但无法对墙板抗冲击性能进行定量计算，同时砂袋本身刚度不足，不能保证每次的冲击能量一致。本研究参考落锤冲击试验法，设计利用质量为2 040 g的钢球分别从1.0 m、1.5 m、2.0 m和2.5 m的高度做自由落体，砸向复合墙板预定的冲击点，同时利用全幅高达2 000帧/s的超高速相机拍摄试验过程，后续再利用软件对视频进行分析，以钢球的直径作为参照物标定出钢球第一次反弹的高度和受冲击后板的凹陷深度。试验选用的五种墙板分别为：钢丝网增强型轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板(代号A)、无龙骨泡沫混凝土夹芯板(代号B)、纤维增强型轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板(代号C)、玻璃纤维网格布增强型轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板(代号D)、轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板标准样(代号E)，五种复合墙板如表6所示，具体抗冲击试验装置如图1所示。

表6 试件信息一览表Table 6 Summary of specimen information

2 结果与讨论

2.1 冲击过程

复合墙板受到钢球冲击的过程可简化为图2。初始钢球自由落下，3 ms后钢球第一次与复合墙板接触，此时复合墙板受到冲击荷载后整体受力向下收缩，冲击点位置形变过大而出现凹坑，期间经历了从弹性形变转为塑性形变，5 ms后钢球下落达到最低点，此时冲击点位置出现了不可逆的形变，随后钢球开始反弹上升，至89 ms反弹至最高点，此后再落下反弹直至静止。整个过程中，忽略热量的损耗，视钢球和复合墙板整个体系能量守恒。初期钢球重力势能转换为动能，在冲击复合墙板后反弹至一定高度静止，整个体系中钢球的重力势能减少，减少的重力势能中极少的一部分转变为热量损耗，剩余的部分被复合墙板吸收。当钢球能量传递完毕静止后，复合墙板的弹性形变开始恢复，恢复期间会将这部分能量再传递给钢球，钢球获得能量开始反弹，根据钢球的反弹高度可以计算出复合墙板弹性形变传递给钢球的能量。试验中利用超高速相机记录下复合墙板的凹陷深度和钢球的弹起高度，在忽略热损耗的前提下，钢球的部分重力势能传递给复合墙板，复合墙板吸收该能量后重力势能增加，同时表面的硅酸钙板发生形变，内部泡沫混凝土也发生形变和开裂，利用能量守恒定量计算能量传递，定义复合墙板塑性形变所吸收的能量为Eimpact，相关公式如下：

E0=M0gh

(1)

Einpact=M0gh-M0gh1-M1gh2

(2)

ρ=Einpact/E0

(3)

Einpact=Ec+Ef

(4)

Ec=αkS

(5)

式中：M0为钢球的质量；g为重力加速度，大小为9.8 m/s2;h为对应的冲击高度；E0为冲击能量；M1为复合墙板的质量；h1为钢球的反弹高度，h2为复合墙板的重心震动高度，利用图像处理器可以获得h1和h2的值；ρ为吸能比例；Ec为硅酸钙板塑性形变吸收的能量；Ef为泡沫混凝土塑性形变吸收的能量；αk为硅酸钙板的冲击韧性，取2.6×10-3J/mm2；S为硅酸钙板表面凹陷位置的面积(视凹陷面为圆形)。以复合墙板的吸能比例作为评价其抗冲击性能强弱的标准，相同冲击高度下吸收比例越小，则认为该复合墙板的抗冲击性能越好。

图2 抗冲击试验过程Fig.2 Impact resistance test process

2.2 轻钢龙骨对复合墙板抗冲击性能的影响

图3是无龙骨泡沫混凝土夹芯板B和轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板E的冲击试验破坏状态图片，可以观察到泡沫混凝土夹芯板在冲击高度为1.0 m时未出现开裂，只在墙体表面留下一个凹坑，继续增加冲击高度至1.5 m时开始出现裂缝，裂缝穿过冲击点向墙板边缘生长，轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板在冲击高度为2.0 m时才开始出现裂缝。

图3 复合墙板B和E的冲击破坏状态Fig.3 Impact failure states of composite wall panel B and E

根据公式(1)～(5)可以计算得到在不同冲击高度下墙板的吸收能量和吸能比例，结果如表7所示，冲击能量为19.96 J时，泡沫混凝土夹芯板吸收了96.95%的冲击能量，而轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板只吸收了95.49%，在不同的冲击能量作用下，轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的吸能比例始终小于泡沫混凝土夹芯板，由此可见，轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的抗冲击性能优于泡沫混凝土夹芯板。泡沫混凝土夹芯板在1.5 m的冲击高度下，吸能比例达到最大值98.95%，轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板在2.0 m的冲击高度下，吸能比例达到最大值97.52%，结合图3试样的破坏状态，可以看出复合墙板的吸能比例随着裂缝的生长而逐渐增加，当试样出现贯穿裂缝时复合墙板的吸能比例达到最大值。

表7 复合墙板B和E的抗冲击试验结果参数Table 7 Parameters of impact resistance test results of composite wall panel B and E

2.3 不同增强方式对复合墙板抗冲击性能的影响

试验研究了钢丝网、纤维和玻璃纤维网格布三种增强方式的轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板(FC600+钢丝网+LSF+CSB、FC600+纤维+LSF+CSB和FC600+玻璃纤维网格布+LSF+CSB)的抗冲击性能，相关结果如表8所示。

表8 复合墙板A、C、D和E的抗冲击试验结果参数Table 8 Parameters of impact resistance test results of composite wall panel A, C, D and E

由表8可知，在1.0 m的冲击高度下，钢丝网、纤维和玻璃纤维网格布三种增强型复合墙板的吸能比例分别为94.98%、91.73%、91.21%，同时结合图4中复合墙板受冲击后的破坏状态，发现钢丝网增强型轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板和纤维增强型轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板都在冲击高度为2.0 m时出现裂缝，其吸能比例的最大值分别为97.80%和96.70%，玻璃纤维网格布增强型轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板在冲击高度为2.5 m时才出现裂缝，其最大吸能比例为96.57%，这表明三种增强方式对复合墙板的抗冲击性能都有一定提高，但布置玻璃纤维网格布的方式对轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板抗冲击性能的增强效果最佳。当玻璃纤维网格布增强型轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板受到冲击时，由于玻璃纤维网格布垂直于冲击力的方向，能最大限度地约束泡沫混凝土发生形变，使得冲击能量更多地转换为弹性形变和硅酸钙板形变，如图4(e)所示，相同冲击高度下玻璃纤维网格布增强型轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的表面凹陷直径比其他的复合墙板更大，即Ec更大。

对比钢丝网增强型轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板(FC600+钢丝网+LSF+CSB)和轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板标准样(FC600+LSF+CSB)的抗冲击试验结果，发现在1.0 m和1.5 m的冲击高度下，钢丝网增强型复合墙板的吸能比例比标准样小，而在2.0 m和2.5 m的冲击高度下，钢丝网增强型复合墙板的吸能比例比标准样大，这是因为钢丝与泡沫混凝土的黏结界面也是泡沫混凝土的薄弱区，复合墙板在受到冲击后该薄弱区更易出现开裂，因此随着冲击能量的增大，裂缝生长到钢丝与泡沫混凝土的黏结界面时会加速生长，导致其吸能比例大幅提高。观察图4(e)中钢丝网增强型复合墙板的表面凹陷直径也可以看出，钢丝网增强型复合墙板表面凹陷直径小于其他复合墙板，这说明其吸收的能量更多地作用于泡沫混凝土的塑性形变和开裂。

图4 复合墙板A、C、D和E的冲击破坏状态Fig.4 Impact failure states of composite wall panel A, C, D and E

2.4 复合墙板表面不同位置的抗冲击性能

龙骨对轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的性能影响较大，根据龙骨在复合墙板中的位置，可以把复合墙板分成龙骨区域和非龙骨区域，即以龙骨翼缘为界限，龙骨翼缘宽度内为龙骨区域，其他位置为非龙骨区域，本研究以轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板标准样(FC600+LSF+CSB)为例，分析轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板表面不同位置的抗冲击性能，具体的计算结果如表9所示，Ec值如图5所示。

分析表9发现，在相同冲击高度下，冲击位置在龙骨区域时的吸能比例始终比非龙骨区域略大，这说明非龙骨区域的抗冲击性能优于龙骨区域。观察图5发现，冲击龙骨区域时硅酸钙板形变吸收的能量Ec总是大于非龙骨区域，而且随着冲击高度的增加，二者的差异越来越大，这说明冲击龙骨区域的时候，龙骨提供的支撑作用更强，使得复合墙板在该位置的刚度更大，难以发生弹性形变，进而更多的冲击能量被硅酸钙板的塑性形变所吸收，不利于复合墙板的抗冲击性能。

表9 复合墙板E不同区域的抗冲击试验结果Table 9 Impact resistance test results of composite wall panel E in different areas

图5 轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板E不同区域的Ec值Fig.5 Ec value of lightweight steel-framed foamed concrete composite wall panel E in different areas

3 结 论

(1)采用落球冲击试验法，同时利用超高速相机拍摄冲击试验过程，计算得到复合墙板塑性形变所吸收的能量和吸能比例，可以对复合墙板的抗冲击性能进行定量表征，评价墙板抗冲击性能的优劣，相同冲击高度下吸能比例越小，墙板的抗冲击性能越好。

(2)在不同冲击能量作用下，轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的吸能比例始终小于泡沫混凝土夹芯板，表明轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的抗冲击性能优于泡沫混凝土夹芯板。

(3)钢丝网、纤维、玻璃纤维网格布三种增强方式可以提升轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板的抗冲击性能，在冲击高度分别为2.0 m、2.0 m和2.5 m时出现裂缝，吸能比例的最大值分别为97.80%、96.70%和96.57%，但布置玻璃纤维网格布的方式对轻钢龙骨-泡沫混凝土复合墙板抗冲击性能的增强效果最佳。

(4)在相同冲击高度下，冲击位置在龙骨区域时的吸能比例始终比非龙骨区域大，表明非龙骨区域的抗冲击性能优于龙骨区域，龙骨提供的支撑作用使得复合墙板在该位置的刚度更大，难以发生弹性形变，不利于复合墙板的抗冲击性能。