轻质混凝土型块填充板的力学性能研究.pdf

2 0 1 1 年 第 6期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6i n2 01 l ( To t a 1 No2 6 0) 混 凝 土 Co nc r e t e 混凝土制品 CoNCRETE PR0DUCTS d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 6 0 3 8 轻质混凝土型块填充板的力学性能研究 张大英 ，王录 民 1 , 2 ，许启铿 ，余汉华 ( 1 合肥工业大学 土木与水利工程学院 ，安徽 合肥 2 3 0 0 0 9 ；2 河南工业大学 土木建筑学院 ，河南 郑州 4 5 0 0 5 2 ) 摘要 ： 将废旧聚苯乙烯泡沫塑料粉碎成 5 n l m左右大小 的颗粒 ， 用少量水泥 和胶结剂黏结制作成外形为 圆环体 的轻质混凝土型块 ， 填 充在现浇板的中性轴部位替换掉普通混凝土形成的新型轻质混凝土型块填充板 ， 大大减轻了楼板 自重 ， 节约了混凝土用量 ， 降低 了工程造 价。 通过对轻质混凝土型块填充板的现场加载试验 ， 得到了楼板内钢筋的荷载一 应变曲线 ， 由分析可知 ， 在与同样大小的实心板配筋相 同的 情况下， 轻质混凝土型块填充板的承载力并没有降低， 具有很好的力学性能， 满足工程应用。 关键词 ： 轻质混凝土型块 ；废 旧聚苯乙烯 ；力学性能 中图分类号： T U5 2 8 7 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) O 6 一 O 1 2 2 一 O 3 M e c ha ni c a l pr ope r t y s t ud y of t he s l ab wi t h l i ght we i gh t co nc r e t e- bl oc k s Z HA NGD a - y i n g ， WANGL u min1 ,2 ， XUQ i - k e n g 。 ， Y UHa n h u a (1 S h o ol o f Ci v i l E n g i n e e r i n g， He f e i Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， He f e i 2 3 0 0 0 9， Ch i n a； 2 S h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r in g a n d Ar c h i t e c t u r e ， H e n a nUn i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Z h e n g z h o u4 5 0 0 5 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Di s us e d e x pa nd e d p olys t y r e n e f o a m p l a s t i c s wh i c h a r e b r o k e n i n t o g r a n u l e 5 mm i n d i a me t e r ， a r e mi x e d wi t h a l i t t l e of c e me n t a n d c e me n t i n g a g e n t t o b e ma d e i n t o l i g htwe i g h t c o n c r e t e bl o c k s Th e s e b l o c k s a r e f i l l e d i n t h e ne u t r a l a x i s l o c a t i o n o f c a s t i n s i t u s l a b s t o b e s ub s t i tut - e d fo r c o n c r e t e t O c o ns t r u c t a n e w k i n d o f s l a b wi t h l i g ht we i g h t c o n c r e t e b l o c k s Ac c o r d i n g l y， we i g h t i s r e d u c e d g r e a t l y， c o n c r e t e i s s a v e d， a n d c o s t i s l o we r e d e n o r mo u s l y T h r o u g h t h e p r a c t i c a l e x p e r i me n t a l s t ud y o ft h e s l a b wi t h l i g h t we i g h t c o n c r e t e bl o c k s u n d e r d e a d l o a d， l o a d s tra i n c u r v e s o f s t e e l i n c o n c r e t e are g i v e nCo n s e q u e n t l y， i t i s f o u n d t h a t t h e b e a r i n g c a p a c i ty o f t h e s l a b wi t h l i g h t we i g h t c o n c r e t e b l o c k s i s n o t we a k e n d c o mp a r e d wi t ht h e t e g e n e r a l s o l i d s l a b wi t h e q u i v a l e n t r e i n f o r c e me n t Th e r e f o r e t h e s l a b wi m l i g h t we i g ht c o n c r e t e bl o c k s are t e s t i fie d t o b e o f g o o d m e c h a n i c a l p r o p e r t y t o s a ri s f y t h e n e e d o f c i v i l e n g i n e e fin g Ke y w or d s： l i g h twe i g h t c o n c r e t e b l o c k s ； d i s u s e d e x p a n d e d p o l y s tyr e n e； m e c ha n i c a l p r o p e r t y 0 引言 废旧聚苯 乙烯泡沫塑料( 以下简称 E P S ) 具有质轻 、 良好 的 保温隔热性、 较强的化学稳定性和水稳定性 、 良好的力学性能 且施工方便等优点， 被广泛应用于土木工程的各个领域。 2 0 0 3年， 李崇景等利用大量废弃的泡沫塑料生产保温砌筑砂浆， 并通过 试验研究了其保温性 和抗压 强度 I” 。 2 0 0 7年 ， 颜雪洲 、 姚谦峰通 过泡沫混凝土受压全过程试验 ， 并与加气混凝土相比较 ， 给出 了泡沫混凝土受压应力一 应变全曲线方程【 2 。 2 0 0 7年， 王录民、 张献兵等将 E P S作为粮仓钢筋混凝土现浇楼板的填充置换材 料 ， 并进行了理论分析和试 验研究 。 本研究将 E P S 破碎成小颗粒后用水泥浆和胶结剂黏结并 使其成型填充在建筑楼板中以置换掉部分混凝土， 从而减轻楼 板 白重。 基于轴压试验研究的 E P S混凝土力学特性H， 结合双向 板的受力性能 ， 将 E P S混凝土制成中心对称的轻质混凝土型块 ， 按照一定的布置规则将轻质混凝土型块安放在钢筋混凝土现 浇楼板的中性轴部位 ， 得到一种新型轻质混凝 土型块填充板。 1 轻质混凝土型块的设计 与布置 1 1 轻 质混 凝土型 块 的设 计 根据楼板的厚度， 并考虑板顶板底钢筋及保护层厚度 ， 设计 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 1 2 3 l 基金项 目：河南省杰 出人才计划项 目( 0 8 4 2 0 0 4 1 0 0 0 1 ) l 22 好轻质混凝土型块 的截面直径 ， 在保证轻质混凝土型块 成型效 果良好、 不易断裂和破损的条件下， 确定其内径和外经的大小。 因此 ， 不同厚度的楼板， 可以制作出不同大小的轻质混凝土型 块以满足使用要求。 一般轻质混凝土型块的厚度 日= ( h - 7 0 ) m m ( h为楼板 厚度 ) ， 外径 ( 直径 ) 宜取 3 0 0 6 0 0 I T ff n ， 内径 ( 直径 ) 宜 取 1 0 0 2 0 0 mn l ， 以利于楼板在轻质混凝土型块范围内的局部受 压和浇筑 的密实性 。 详 细的制作过程参见文献 4 】 。 现场试验中， 轻质混凝土型块填充板的厚度设计为 1 6 0 m n l ， 轻质混凝土型块的大小为： 外径( 直径) 3 5 0 m i l l ， 内径( 直径) 1 5 0 mm， 截面直径为 1 0 0 mm。 图 1 给 出了轻质混凝土型块 的尺寸 。 1 2 轻质混 凝 土型块 的布 置 轻质混凝土型块的布置首先应尽量提高现浇楼板内混凝 土的置换率， 提高经济效益， 更重要的是应尽量减少对承载力 和变 形的不利影 响 ， 满 足轻质混凝 土型块填充板 的使用要求 。 轻质混凝土型块不但可以像现浇空心板的细长管材填充材料 一 样布置在单向板中起到降低 自重的作用， 更因其本身中心对 称 的外形 ， 布置在现浇 双向板 中比细长管材更具 有优势 ， 因为 它使得板在两个方向被削弱的刚度大致相同， 使双向板每个方 向都能很好的发挥 自己的承载力。 试验中， 现浇 5 4 mx 3 6 IT I 的双向板。 布置时轻质混凝土型块 图 1 轻质混凝土型块 尺寸( 单位 ： mm) 距梁柱边应大于 l 5 0 mm， 以满足抗剪要求 ； 轻质混凝土型块之问 的孔隙宜取 l O 0 2 0 0 mm， 均匀布满整个楼面。 当负筋的弯钩与轻 质混凝土型块相抵触时， 不得将轻质混凝土型块钻孑 L 或锯断 ， 需要 调整轻质混凝土型块之间的孑 L 隙以错开负筋弯钩。 图 2 给出了试 验楼板中轻质混凝土型块为了错开负筋的弯钩， 横向留有 3 0 0 mm 宽孑 L 隙的平面图。 轻质混凝土型块在现浇板中摆放好后需要用细 铁丝将其环绕绑扎在板底钢筋上 细铁丝末端要固定牢固， 这样一 方面保证了轻质混凝土型块放置的横平竖直 ， 另一方面克服了混 凝土对其产生的浮力。 网 3 给出了轻质混凝土型块 的绑扎方式。 200 450 650 5 x 45 0=2 2 50 65 0 45 0 200 O 图 2 轻质混凝土型块在现浇板中的布置( 单位 ： mm) 图 3 轻 质混凝土型块 用细铁丝扎 2 轻质混凝土型块填充板的设计与应变测点 布置 2 1 配筋及荷裁的计算 利用配筋计算软件计算与轻质混凝土型块填充板同样大 小的实心板的配筋 ， 对轻质混凝 土型块填充板采用相同的配筋 量和配筋方式 。 通过加载测试轻质混凝土型块填充板的承载能 力 ， 并以此判定它的力学性能。 由= 轻质混凝 土型块 的密度 仅为 1 8 0 k g m ， 比普通混凝 土密度 2 5 0 0 k g m 低很多， 且它放置在板的中性轴部位， 因此 在计算时可以将放置轻质混凝土型块处做空心处理， 这样就如 同空心 板一 样由轻质混凝土型块孔 隙中的混 凝土发挥作用 和 钢筋一起共同承担施加的荷载。 由此， 轻质混凝土型块填充板的 截面简化为工字型截面， 图4 给出了简化的工字型截面的示意图。 在计算开裂荷载时考虑钢筋受拉， 将钢筋的面积折算后加到混 凝土受拉区面积上 钢筋与混凝土 的弹性模量之 比为 ： k = E E ， 所以钢筋折算后的面积为( k - 1 ) A 。 依据混凝土结构双向板肋 梁楼盖计 算理论 ， 计算得到轻质混凝 土型块填充板扣除 自重 后 的开裂荷载 为 1 6 7 k P a ， 承载力为 7 4 4 k P a 。 型块 顶部的混凝 图 4 简化计算截面 2 2应 变测点 布置 利用结构试验仪器对结构 物或试件进行变形 和应变测量 时 ， 由于一个仪表一般 只能测量一个试 验数据 ， 因此 ， 在测量一 个结构物 的强度 、 刚度 和抗 裂性 能时 ， 往 往需 要利用较多数量 的测量 仪表 。 一般来说 ，量测 的点位愈多愈能了解结构物 的应 力和变形情况 。 但是 ， 在满足试验 目的的前提下 ， 测点还是宜少 不宜多。 任何一个测点的布置都应该是有目的的， 服从于结构分 析的需要。 因此在测量工作之前，应该利用已知的力学和结构 理论对结构进行初步估算 ， 然后合理的布置点位。 以下是测点的 布置原则： ( 1 ) 测点 的位置要具 有代表性 ， 以便于分 析和计算 。 试验 中 ， 楼板 的最大挠度和最大应 力处便是典型的测点 。 因此 ， 在这 些最大值出现的部位上必须布置测点。 ( 2 ) 为了保证测量数据的可靠性， 还应该布置一定数量的校 核性测点。 因此 ， 试验巾， 在每个典型部位至少布置两个测点。 ( 3 ) 测点 的布置应有利于试验时操作 和测读。 不便 于测读 和不便于安装仪器的部位， 最好不设或少设测点 给双向板加载采用的是分级施加均布砖荷载的方式 ， 根据 双 向板在均 部荷载下的受力特点 ， 并结合测点的选择 与布置原 则 。 试验时 ， 在板跨 中和 l 4 ( 或 3 4 ) 跨处的钢筋上贴上应变片 ， 图 5给 f f 1 了应变片在轻质混凝 土型块填 充板内钢 筋上的具体 位置。 6为轻 质混凝土型块填充板的加载图。 3 结果分析 加载测试后 ， 钢筋的每个应变测点在加载测 试的整个 时间 历程上都有对应 的应变值 ， 约 1 5 0 0个数据 ， 根据分级情况 ， 取 出每一级加载结束时对应的应变值 ， 描绘 出面荷载一 微应变曲线 图 ， 进行钢筋 的受力分 析。 共 2 8个测点 ， 图 5给 出了坐标方 向 及各位置测点的编号 。 这里取出轻质混凝土型块填充板内钢筋 上 5个部位的同方向上微应变值较大的测点进行分析。 分别 为 ： 板中心处 2 ， 2号点( Y 向钢筋 ) 、 短跨 3 4处 4 ， 2号点 ( Y向 钢筋 ) 、 长跨 3 4处 5 号点( Y 向钢筋 ) 、 短跨 3 , 4处 1 1 ， 2号点( X 向钢筋 ) 、 边跨跨中 1 3号点( Y向钢筋 ) 。 由图 7 1 1 均可以发现 ， 在 面荷 载为 3 1 9 2 k P a 时 ， f 1 线都 有不 同程度的拐点 ， 在这之前 ， 基本保持直线。 这与试验 加载过 程中此1t 寸 刻板底混凝土开始出现裂缝相互应。 也说明了实际的 开裂荷载 3 1 9 2 k P a 远大于理论上计算的开裂荷载 1 6 7 k P a 。 主 要原因是， 理论计算开裂荷载时， 将截面简化为T字型截面， 而 l 23 一 一 一 一 一 一 一 一 工 】 =一 一 _钢 丽 _ 看 l l 1 i 土2 l 一 】 1 4蟾 户 、 1 o 1 o 2 l 昌 ， ， 2 J f 6 2 哑卫 t 、 2 2 5 ，2 ： 昌 f 挖 、 、 1 2 】 、 钢 筋 l 一 1 、 广1 1 2 0 0 f 1 4 0 0 p 1 2 0 0 l 1 2 0 0 1 9 9 1 一 图 5 钢筋上应变测点的布置 图 6 轻质混凝土型块填充板加载 且参与作用的混凝土只考虑了轻质混凝土型块顶部和底部及 相邻两轻质混凝土型块最小孑 L 隙内的 昆 凝土， 并没有将轻质混 凝土型块 自身孔洞内的混凝土考虑在内， 因此 ， 这种简化计算 从工程应用的角度上讲是偏安全的。 比较图 7 l 1 发现 短跨跨中即 2 ， 2 号点的微应变值较其他 位置处测点的应变要 大。 由图 7可知 ， 在 施加 1 9 层 砖 ， 即施加 荷载为理论计算极限荷载 7 4 4 k P a 后， 短跨跨中钢筋应变刚达 到屈服应变 。 在工程设计 中， 钢筋的极 限拉应变 为 0 0 l ， 而试验 所得轻质混凝土型块填充板在理论计算极限荷载作用下仅为 0 0 0 1 ， 并没有达到其极限拉应变 ， 这充分说明轻质混凝土型块 填充板的实际承载力比理论计算所得承载力要大的多。 这也主 要与计算截面的简化趋于安全有关。 由图 8 可知， 短跨 3 4 处 4 ， 2 号点， 实测的钢筋应变值更小， 1 2 4 面荷载 k Pa 图 7 2 ， 2号点面荷载一 微应变 曲线 面荷载 k P a 图 8 4 ， 2号点 面荷载一 微应 变曲线 面荷载 k P a 图 9 5号点面荷载一 微应变曲线 面荷 载 k Pa 图 1 0 1 1 ， 2号点面荷载一 微应变 曲线 最大仅为 0 0 0 0 8 。 由图 9可知， 长跨 3 4处 5号点， 钢筋的应变 值更小， 最大仅为 0 0 0 0 3 5 。 图 1 O中， 短跨 3 4处 1 1 ， 2号点最 大应变也仅为 0 0 0 0 7 。 上述说明轻质混凝土型块填充板的短 跨 、 长跨 3 4 ( 1 4 ) 处 ， 分担 的弯矩较小 ， 因此 ， 钢筋产生 的应变值 较小 ， 跟实心板各处分担荷载的情况相 同。 在支座处， 配有负筋， 承受支座处产生的拉应力。 由图 1 l 可 知 ， 跨中负筋的应变值在加载过程中变化不大 ， 最大为 0 0 0 0 4 5 ， 远小于钢筋的极限拉应变。 4结语 面荷 载 k P a 图 1 1 1 3号点 面荷载一 微应 变曲线 ( 1 ) 利用破碎的废 旧聚苯乙烯泡沫塑料为主要骨料 ， 用水泥 和胶结剂黏结制作而成的轻质 昆 凝土型块造价低廉，减少了环境 污染， 填充在现浇板中大大节约了混凝土用量， 减轻了楼板自重。 ( 2 ) 中心对称的轻质混凝土型块填充在双向板中， 使得板 两个方 向被削弱的程度大致相同 ， 解决 了细长管材填 充材 料在 双 向板 中应用 的不足 。 ( 3 ) 通过在轻质混凝土型块填充板的受力较大部位的钢筋 上布置应变片， 得到了钢筋在整个加载历程上的应变变化曲线， 分析发现加载达到远大于理论计算的开裂荷载时， 钢筋的应变 才出现拐点， 加载达到理论计算的极限荷载时， 钢筋的最大应 变远小于极限拉应变。 说明轻质混凝土型块填充板具有很好的 抗裂性和承载力。 下转第 1 3 3页 ( 6 ) 混凝土大板的抗渗均大于 P 1 0 。 混凝土大板的抗冻结果没 有规牵l生， 有的达到 F 2 5 0 ， 有的只有 F 5 0 但大部分能达到 F 1 5 0 ， 如 设计对喷混凝土没有高的抗冻要求， 喷射混凝土可不掺引气剂。 3 混凝土室 内和现场强度 比较 为进一步 比较无碱速凝 剂和碱性速凝剂对混凝 土强度 的 影响， 特将喷射? 昆 凝土室内和现场强度进行了统计， 统计结果 见表 7 。 统计结果表 明： ( 1 ) 室内掺无碱速凝剂和出机口不掺速凝剂的混凝土强度 基 本一致 ， 说明掺无碱速凝 剂不会影响混凝土 的强度 ， 也佐证 了上述无碱速凝剂抗压强度比基本大于 1 0 0 的情况。 表 7 室内强度和现场强度比较 ( 2 ) 现场大板强度比出机口的强度要低 ， 掺无碱速凝剂二 者平均相差 1 2 5 MP a ， 掺碱性速凝剂二者平均相差 1 9 0 MP a ， 大 板强度低与以下因素有关 ： 首先喷射混凝 土的密实性不如标准条件成型的试件 ， 喷射 大板的密实性与喷射工艺有关 ， 同一盘混凝土不同人或 不同喷 射角度 、 距离等都会 影响大板的密实性 ， 还会 因喷射带入混 凝 土中一定的气泡 。 其次大板中混凝土掺人 了速凝剂 ， 混凝土凝结 的快 ， 凝 结 快的混凝土水泥水化产物结构较粗大， 混凝土强度要受到一定 影响。 再者大板试件需加T成立方体试件 ， 加工过 程 、 试件 的尺 寸和形状都会给试验结果带来负误差。 ( 3 ) 掺碱性速凝剂 比掺无碱速凝剂的现场大板和出机口强 度的差值更大， 说明掺碱性速凝剂强度损失大。 4 混凝土推荐 配合 比 根据现场 喷射 混凝 土强度 、 回弹率等试验结 果 ， 推荐 无碱 速凝剂喷射混凝土配合比见表 8 。 根据现场喷射试验结果来看， 所推荐的喷射混凝土配合比回 弹率小， 强度能满足设计要求。 但存在一定的超强， 这是主要是为 了能满足喷混凝土的可喷型， 同时为了减少回弹率， 胶材用量较多 引起的。 在以后施工中可在胶凝材料总量基本不变的条件下， 进行 表 8 喷射混凝土推荐配合 比 序号 强度等级 混凝土种类 砂率 粉煤灰 水 ( k g m ) 水泥 ( k g m ) 粉煤灰 ( k g m ) 砂 f ( k g m ) 石 ( k g m ) 纤维 ( k g m ) 速凝剂 ( k g m ) 3 灰掺量的喷射混凝土试验沦证， 通过提高粉煤灰掺量， 减 少 2 8 d 龄期的超强， 以进一步减少回弹率、 降低成本。 5结 论 ( 1 ) 相 对于使用 碱性速凝剂的喷射混凝 土 ， 使用无 碱速凝 剂的喷射混凝土， 具有回弹率小、 现场空气质量好、 后期强度损 失小， 并且 9 0 d强度还有增长等优点 ， 建议地下厂房工程喷射 混凝土使用无碱速凝剂 。 ( 2 ) 混凝土室 内和现场试验结果表明 ： 相对于 2 8 d强度 ， 掺 用无碱速凝 剂 ， 混凝 土的强度随着龄期的增长而增长 ， 并且增 长率室内为 1 1 7 ， 现场达到了 1 3 7 ， 这一点 ， 充分体现了无碱 速凝剂的优势 。 上接第 1 2 4页 ( 4 ) 轻质混凝土型块填充板还具有普通现 浇板 所没有的 良 好的保温隔热性 。 参考文献 ： 1 】李崇景 ， 杨大海 ， 马明辉 ， 等 利用废 弃的泡沫塑料生产保温砌筑砂 浆I J J _工业建筑， 2 0 0 3 ， 3 3 ( 1 0 ) ： 8 4 8 5 2 】颜雪 洲 ， 姚谦 峰 泡沫混凝 土力学性能试验研 究【 J J l 工业建 筑 ， 2 0 0 7 ( 3 7 ) ： 9 6 2 9 6 4， 【 3 王录民， 张献兵 ， 等粮仓 E P S 填充板的研究l J J 河南工业大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( 1 ) ： 1 5 【 4 】王录民， 张大英 ， 王树 明 废旧聚苯乙烯泡沫混凝土试验研 究 J 】 混凝 土， 2 o 0 8 ( 5 ) ： 1 0 3 1 0 6 ( 3 ) 根据本次的试验结果， 溪洛渡工地已经开始使用无碱 速凝剂 ， 掺 2 5 粉煤灰的配合比进行喷射混凝土施工 ， 从施工 现场取样抗压强度看，还是存在一定的超强。 针对混凝土超强问 题 ，溪洛渡施工单位实验室 已经在室 内进行掺 3 0 、 4 0 甚至 5 0 的粉煤灰室内配合比试验， 相信能够解决混凝土超强的问 题， 同时又能满足施工要求的混凝土施工配合比， 给工程带来 可观 的技术 ， 经济效益 。 作者简介 ： 联系地 址： 联系电话 朱文华 ( 1 9 7 4 一 ) ， 男 ， 工程师。 中国水利水电第十四工程局有限公司勘察设计研究院 ( 6 5 0 0 4 1 ) l 3 5 1 03 2 8 8 61 5 】王录民 混凝土结构设计原理【 M 】 郑州： 郑州大学出版社， 2 0 0 8 ： 1 3 6 2 6 J6 刘传春 建筑结构静力计算手册【 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 8： 21 4 2 4 5 【 7 】王树明， 梁醒培， 张大英 E P S 混凝土型块填充板保温性能的数值模 拟f J 1 福建建材 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 1 0 3 1 0 5 作者简介： 张大英( 1 9 8 2 一 ) ， 女， 博士研究生， 主要研究方向为工程力 学、 结构工程、 仓储结构。 联系地址： 河南省郑州市嵩山南路 1 4 0 号 河南工业大学土木建筑学 院( 4 5 0 0 5 2 ) 联 系电话 ： 0 3 7 1 6 7 7 8 9 7 8 0 l 33