装配式泡沫混凝土外墙板抗风承载力试验研究 张天一陈敖宜陈志华王辉张旺李志国 （1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.天津市建筑设计院，天津300074； 3.威海建设集团股份有限公司，山东威海264200) 摘要：21世纪以来建筑工业化和绿色建筑逐渐成为当今房屋建筑业的发展趋势.
研究符合轻质高 强、保温隔热、防火、防水、隔声、抗冻性能卓越的外墙板是推广装配化建筑的关键环节.
通过对目前常用的 装配式外墙板种类和性能的分析提出了全新的装配式钢龙骨泡沫混凝土外墙板.
详组介绍了试验墙板的 设计制作、试验装置、加载制度及试验现象对试验墙板的荷载-挠度曲线的试验值与课题组研发的预制发 泡聚苯乙烯颗粒混凝土墙板的试验值进行对比分析，可知：装配式钢龙骨泡沫混凝土外墙板的抗风承载力满 足规范要求，且比预制发泡聚苯乙烯颖粒混凝土板更有优势.
关键词：装配式泡沫混凝土外墙板：抗风承载力；荷载-挠度曲线 DOI: 10. 13204/j gyjz201709013 EXPERIMENTAL RESEARCH ON WIND LOAD-BEARING CAPACITY OF PREFABRICATED FOAM CONCRETE EXTERNAL WALL PLANE ( 1. Sehool of Civil Engineering Tianjin University Tianjin 300072 China; 2. Tianjin Architeture Design Institute Tinjin 300074 China; 3. Weihai Construetion Group Company Limted Weihai 264200 China) Abstract: Since the twenty-firt century tbe industrialization of constuction and green housing have gradually becme the developmen tren f the housing cstti industry. Sudying the emal all ples wich meet the requirements of light weight high strength themal insulation fire preventim waler peventio soud inslatin and anti-frze is the key to pemote prefabricaed buildings. On the bsis of literature researches the types and properties of the prefabricated esteral wall panels were analyzed and a new prefabricated fam conerete estermal all panel with steel kee was put fonanl. The paper introdced the design and mfacture of the test panebs the test sel-up the lading syslem and experimental phenomena. The test values of load-efletion cuves far test panels and EPS conerete wall panels developed by the research group were pared and analyzed. The wind resistant bearing capacity of the assembled steel keel foam concrete ouler wall panel meets the requirement of the norm and it has more adhrantages than precast expanded polystyrene particle conerele wall panel. Keywords: prefabricated fam concrete estemal wall panel; wind load bearing capacity; load-deflection cuve 21世纪以来建筑工业化和绿色建筑逐渐成为优越、价格适中的围护体系的问题尤为突出.
而在 现代科学技术以大规模工业化生产方式建造房屋建外墙板的装配化水平.
建筑工业化急需开发一种轻 筑，具有降低成本和能耗、提高住宅整体质量、提高质高强、保温隔热、防火、防水、隔声、抗冻性能优越 生产效率等优点，国务院在《关于进一步加强城的装配式外墙板.
推广并应用装配式轻质混凝土外 市规划建设管理工作的若干意见》中提出：要大力 墙板符合国家绿色建筑和建筑节能的产业政策，是 推广装配式建筑积极稳妥推广钢结构建筑力争用 建筑行业实现可持续发展战略的重要内容. 10年左右时间使装配式建筑占新建建筑的比例达 到30%.
在2016年“两会”的政府工作报告中同样 提出积极推广绿色建筑和建材大力发展钢结构和 装配式建筑：但毕竞我国钢结构和装配式建筑的应 研究任务（2013BAJ09B01）.
用才刚刚起步在应用中还存在着很多问题特别是 第一作者：张天一男1992年出生硕士研究生.
通信作者：陈志华zhchn@ ju.edu.cn. 普遍反映钢结构住宅的造价成本高和缺乏一种性能 收稿日期：201702-12 60 Inxlustrial Gonstnaxction Vol. 47 No 9 2017 工业建筑2017年第47卷第9期
1常用的装配式外墙板 装配式建筑常用墙体材料一般可分为两大类： 砌块类和轻质板材类（可分为单一材料墙板和复合 墙板）.
轻质板材类墙体材料具有工厂化的生产方 式和装配化的施工方式，更加符合装配式建筑产业 化发展的要求，本文重点选取市场上技术比较成 熟应用比较广发展比较好的装配式外墙板进行调 查研究发现常用的主要有以下3种：蒸压轻质加气 混凝土（ALC）外墙板、真空挤压成型纤维水泥板 （ECP）外墙板和装配式轻质泡沫混凝土外墙板.
图1骨架模型 1)蒸压轻质加气混凝土（ALC)外墙板是以水 Fig. 1 Skeleton model 泥、硅砂、石灰等为主要原料添加不同数量经防腐 中试件1是由物理发泡混凝土、钢龙骨和两侧水泥 成了微小的气孔，具有导热率低、保温隔热性能好 量为1584kg-2块试验用板尺寸均为3600mm× （为普通混凝土的10倍）、吸声隔声效果好（因其厚 0Z× m 000 度不同可降低30-50dB噪声、轻质高强）、良好的 内置钢龙骨架由槽型钢加工焊接而成.
采用物 防火及抗震性能.
它不仅表观密度小，而且具有足 理发泡方式的泡沫混凝土外墙板是先在钢龙骨内外 够的强度（板内设置配筋）和良好的可加工性能（可 两面铺上水泥纤维板并覆盖网格布然后用砂浆磨 钉、可锯、可黏结）.
该外墙板已具有50多年的欧 平.
从一侧的水泥纤维板（留有孔洞）浇筑发泡水 美发达国家推广应用经验工艺技术成熟.
泥并用发泡机向里面吹气.
而采用化学发泡方式 2)真空挤压成型纤维水泥板（ECP）外墙板是 的泡沫混凝土外墙板是先在钢龙骨一侧铺上水泥纤 以硅质材料、水泥、纤维等为主要原料先通过真空 维板并覆盖网格布然后将发泡水泥和化学发泡剂 高压挤塑成型（中空型板材）再通过高温高压蒸汽浇筑到钢龙骨中最后覆盖另一侧的水泥纤维板并 养护而成的新型建筑水泥墙板.
具有轻质高强、防覆盖网格布砂浆磨平.
水性好、适合作混凝土幕墙、高速公路隔声墙.
但其2.2试验装置 价格比较高、制造工艺难度较大需采用先进的“高 试验装置如图2所示.两组1.2m高的钢梁上分 压真空挤出方式”才能使原料高压充填成型同时别 别放置施焊和不施焊的圆钢管用来模拟铰支座和滚轴 将空气排除在外实现基体材料极高的密实度.
支座，墙板吊装后搁置在支座上两端与支座摘置长 3）装配式轻质泡沫混凝土外墙板是将水泥、粗度不大于150mm.
试验过程中采用位移计测量支座 细骨料、发泡剂等搅拌混合成浆体随后将浆体浇筑处及跨中处板材的竖向位移试验在两个支座同一截 到试模中经养护而成的一种新型建筑材料.
装配式 面处的三分点各布置2个对称的位移计在墙板跨中 轻质泡沫混凝土外墙板具有轻质高强、保温隔热、防 同一截面处下方四分点布置3个位移计共计7个位 火、防水、导热系数低、隔声性能良好、装饰效果优的 移计，在外墙板上表面均匀划分8个网格采用砝码 特点是绿色建筑发展的方向所以课题组以装配 加载用以模拟均布荷载的效果如图3所示.
式轻质泡沫混凝土外墙板作为研究重点，研发了新 型装配式钢龙骨泡沫混凝土外墙板. 2试验简介 2.1试验墙板 新型装配式钢龙骨泡沫混凝土外墙板主要由发 泡水泥（采用物理发泡和化学发泡两种方式）、沙 子、钢龙骨以及两侧水泥纤维板混合而成其中，水 a-铰支座；b-浪轴支座 泥和砂子配比5：1钢龙骨架模型如图1所示两侧 图2试件装置 水泥纤维板厚度为0.6mm. 22 本试验共计2块装配式泡沫混凝土外墙板，其 由于在试验的过程中墙板横放故墙板所受荷 装配式泡沫混凝土外墙板抗风承载力试验研究-张天一等 61
0 139 D 3.000 注：字母代表区域，数字代表位移计，圆屋是滚轴支座、 图4试件表面出现碎脱落 三角形代表铰支座 Fig 4 Ddeis aberision on the xurface of specimm 图3加载装置及测点示意 Fig 3 Sketch diagm of laling et-ap and muring pirba 载为墙板上所加砝码重量和试验墙体的自重之和.
2.3加载制度 用尺寸为3600mm×3000mm×230mm的墙 板来模拟高层钢结构建筑中的外墙板.
风荷载标准 值的计算地点选取为塘沽，计算高度为100m分以 下两种情况进行计算：1）根据GB50009-2012（建 筑结构荷载设计规范》的规定选取C类场地进 图5试件出现较长裂缝 行计算；2）根据JGJ133-2001（金属与石材幕墙工 Fig 5 Longer crack 程技术规范》进行计算.
出现了很小的残余变形且在误差允许的范围之内.
通过对以上两种情况的计算取值分别为 3.2板底跨中试验值分析 223kN/m²和278kN/m²按最大值取值即根据JGJ 试验测得的装配式泡沫混凝土外墙板试件1、试 133-2001取C类场地进行计算x取为278kN/m² 件2板底跨中在各级荷载下的位移值按式（1）计算： 外墙板安装就位前，在墙板两侧表面撑起一条 ntn）-∈/（nn1n）=，n 线并固定以找准外墙板未发生变形之前的水平位 us au') /4 u (1) 置用钢尺量测板跨度中心至水平线的垂直距离即 式中：位移向下取正值向上取负值.
为外墙板的初始浇度值u.
表1给出了板底跨中试验值的均布荷载和挠度 试验共分10级加载，并在加载过程中实现对 值-从表1可以看出：试件1、2均在弹性变形范围 H=100m风荷载标准值和设计值的控制.为了测 之内试件1在高度为100m的风荷载标准值和设 试装配式泡沫混凝土外墙板在风荷载作用下平面外 计值作用下跨中Z向挑度分别为0.79mm和 弹性变形的恢复能力有无残余变形及变形值大小， 2.19mm试件2在高度为100m的风荷载标准值 试验加载完成后逐级卸载并记录变形值 和设计值作用下跨中Z向挑度分别为1.15mm和 2.31mm；试验得到的变形值均小于规范规定的变 3试验结果与分析 表1试件在各级荷载下板底跨中Z向挠度试验值 3.1试验现象 Table 1The Z deflection test values at the mid-span of 1）在试验加载过程中装配式墙板随着荷载级 the plane bottom under various loads 数的增加墙板外表面有混凝土碎屑脱落，见图4. 荷载级数 殖载/（LNm²） 板底跨中2向烧度试验值/mm 2）当试件1加载到3491kN/m²时，下表面水 试件！
试件2 试件1 2. 195 1. 840 0.20 试件2 2.380 2. 211 0.46 0.31 泥纤维板面层出现较长的裂缝，长度达19mm左 2 2.566 0.67 右，且随着荷载级数进一步增加，裂缝长度逐渐加 3 2.803 2. 581 0.63 0.98 4 2. 788 0. 79 1. 15 大最后达到23mm左右，但由于龙骨很好的约束 5 2. 936 2. 951 0.95 1.30 6 3. 121 3. 137 1.21 1.52 作用墙板整体并未出现明显的破坏如图5所示.
7 3. 306 3.491 3.507 3. 321 1.44 1.72 试件2未出现裂缝.
8 3.692 1.63 1.97 9 3. 677 1.87 2. 19 2.12 3）在试验逐级卸载完成后2块装配式墙板均 10 3. 899 3. 914 2.31 62 工业建筑2017年第47卷第9期
形值.
根据CECS261:2009钢结构住宅设计规范》 中5.2.3条对墙板的要求在风荷载标准值作用下， 其挠度不应大于L/200（L为板跨）；JGJ133-2001 中4.2.3条的规定墙板度不应大于L/300 3.3支座处试验值分析 目前装配式建筑的外墙的安装方式主要分以下 0.0 跨中2向度m 253.0 两种：外挂式和内嵌式（多用于砌块类外墙）.
外挂 式主要是与梁、柱铰接连接，也就是常说的墙板的竖 -试件1;--试件2:--试件3 图63种试件荷载-度曲线对比 装和横装-竖装或横装墙板的两端都要形成铰接构 Fig. 6 Coparisn of lad-defletion cuves of three specimens 造所以试验方案设计一端较支座一端滚轴支座形 成对比分析.
但是泡沫混凝土相比聚苯乙烯发泡塑料具有 试验测得的装配式泡沫混凝土外墙板试件1、 如下优势：1）泡沫混凝土是一种完全不燃材料耐 试件2在铰支座和滚轴支座处各级荷载下的位移值 火度高达800℃以上能满足一级防火要求聚苯乙 烯发泡塑料容易燃烧，达B2级[".
2）泡沫混凝土 如表2所示.
表2试件较支座和滚轴支座处各级荷载下挑度试验值 承载强度1.2MPa聚苯乙烯发泡塑料承载能力低.
Table 2 Deflection test values of hinge bearings and 3)泡沫混凝土保质期为50年聚苯乙烯发泡塑料 roller bearings under various loads 易老化保质期6年在60℃时马上变形老化-4） 铰支座处挽度 浪轴支座处 泡沫混凝土无异味，无挥发物，无公害，是新型的环 荷截圾数 （）/ 试验值/ 换度试验值/mm 保材料.
聚苯乙烯发泡塑料有异味，含有有害健康 试件1试件2 试件2试件1试件2 2. 195 1.840 0.04 00- 0.150.08 的挥发物较易产生化学辐射- 2 1 2. 380 2.211 0.11 t00- 0. 22 0.14 目前泡沫混凝土有代替聚苯乙烯发泡塑料的 3 2. 566 2.581 0.12 0.08 0. 35 0.17 4 2. 788 2. 803 0.11 0.08 0. 37 0.22 趋势 2. 936 2.951 0.14 0.09 0. 43 0.23 6 3. 121 3. 137 0.16 0. 12 0. 57 -0.25 0.23 7 3. 306 3.321 0.21 0. 14 0. 74 5结束语 8 3. 491 3.507 0.22 0.19 0. 16 -0.94 0. 79 -0.27 0.28 9 3. 677 3.692 0.24 1)通过装配式泡沫混凝土外墙板抗风承载力 10 3. 899 3.914 0.33 0. 19 1. 10 0.30 试验验证了两种类型的外墙板均可用于高度不超过 由表2可以看出在铰支座和滚轴支座处墙板 100m的高层装配式建筑均能满足规范要求的抗 风承载力和度变形限值.
的挠度变化较小.
两块墙板的测量值有所不同，但 2)相同尺寸下物理发泡混凝土外墙板较化学 最大为1.1mm其竖向挠度差异在误差允许的范围 之内 发泡混凝土外墙板质量更重，但抗风承载力效果较 好.
相比于预制EPS混凝土试验墙板装配式泡沫 4与预制EPS混凝土墙板的试验对比分析 混凝土墙板阻燃、无毒、寿命长，是外墙板未来新的 发展趋势， 课题组普研发的预制EPS混凝土墙板主要由 水泥、沙子、聚苯乙烯颗粒、钢龙骨以及两侧纤维板 3)装配式泡沫混凝土外墙板实现了墙板的工 厂预制、现场装配建筑垃圾少噪声污染小安装安 混合而成.
与本试验的装配式泡沫混凝土外墙板的 全快捷提高了工作效率降低了施工成本.
本试验 主要区别是内部填充物为聚苯乙烯颗粒.
的成功将为装配式泡沫混凝土外墙板应用和进一步 现将本试验2个试件与预制EPS混凝土墙板 的试验进行对比分析，3种外墙板的板底跨中试验 开发提供重要的技术支撑.
值的均布荷载-位移曲线对比结果如图6所示.
其 参考文献 中试件3为预制EPS混凝土墙板 [1]于敬淘，丁永君李久鹏等.设置耗能外挂墙板结构的抗震性 从图6可以看出：物理发泡混凝土外墙板在相同 能[J].天津大学学报（自然科学版）2015（增刊）：122-126. 均布压力作用下其跨中Z向挠度变形值小于化学发 [2]王元光李建新.装配式轻质混凝土外增板的研发[J].新型键 泡混凝土外墙板.
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后27h左右达到最大值接近50℃；在浇筑后48h 4)变截面处混凝土收缩也是造成混凝土开裂 中心区域温度降至35℃.
筒身上层的新浇筑混凝 的原因之一.
混凝土的收缩应力与温度应力同时存 土对变截面混凝土的温度影响较小 在温度裂缝通常是两者共同作用的结果.
建议通 2）在混凝土浇筑后的升温阶段应尽快进行保 过对变截面处混凝土进行保湿以降低表层混凝土的 温如果表面晾晒混凝土内外很快形成温差混凝 收缩使收缩应力与温度应力相互抵消从而防止混 土短时间内产生较大的应力，此时混凝土的强度还 凝土温度裂缝的出现- 很低因此混凝土表面会出现裂缝.
3）筏板基础变截面处混凝土浇筑后0-48h内 参考文献 各测点的应变均为拉应变浇筑后48h各测点逐渐 [1]张心端核电厂大体积混凝土裂缝控制及施工技术[M].北 由拉应变转变为压应变：筏基变截面混凝土在浇筑 京：中国建材工业出版社2014. 后0-37h内处于压应力状态之后由压应力逐渐 [2]朱伯芳.大体积湿凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国 转变为拉应力：在浇筑后20d最大应力出现在变截 电力出版社2005. [3]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版 面与基础的交界面处和变截面的突变位置，此处是 社2007. 最容易开裂的位置.
这是由于混凝土的内外温差使 [4]刘西军.大体积混凝土湿度场温度应力仿真分析[D].杭州： 混凝土表面区域受拉，中心区域受压在底部受到基 浙江大学2005. 础的约束所以此处的拉应力值较大：而变截面突变 [5]中华人民共和国水利部，水工混凝土试验规程：SL.352-2006 处应力值较大是由于此处表面受拉叠加应力集中， [s].北京：中华水利水电出版社2006. 为了防止混凝土表面开裂建议在表层混凝土尤其 [6] LIM C K KIM J K SEO T. Predietion of Concrete Adiabatie Tempernture Rise Charaeteristiec by SemiAdislatic Temprature 是混凝土与基础的交界处以及变截面处布置6@ Rise Test and FEM Anlysis [J]. Construction and Building 250的钢筋网片 Materials 2016 125: 679 689. （上接第63页） [4]张波李建新.建筑工业化装配式外墙板的选择[J].广东建 133-2001[S].北京：中国建筑工业出版社2012. 材 2013( 7) : 5 8. [8]中国建筑金属结构协会建筑钢结构委员会，钢结构住宅设计 [5]王新祥杨仕超李建新，装配式泡沫混凝土外境板的研发[C]/ 规范：CECS 261:2009[S].北京：中国建筑工业出版社2012. 第四届全国特种湿凝土技术学术交流会论文集贵阳：2013： [9]由秀媒陈志华孙国军.蒸压加气混凝土墙板结构性能的试 381 384. 验与有限元理论研究[J].建筑材料学报2012 15（2）：268- [6]中华人民共和国住房和城乡建设部，建筑结构荷载设计规范： 273. GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社2012. [10]李良.泡沫混凝土墙板的制备和应用研究[J].新型境材2010 [7]中国建筑科学研究院，金属与石材幕墙工程技术规范：JG] ( 10) : 16 18. 安全壳筏基变截面处混减土温度场与温度应力研究一任国鹏等 29
