基于BIM技术的组合墙体抗压力学性能测试研究

2024-05-07刘洋王官庆荣彦召梁峰

粘接 2024年3期

刘洋王官庆荣彦召梁峰

摘要：为提高建筑工程用墙体的力学性能，通过采用不同体积分数的聚苯颗粒制备聚苯颗粒混凝土，采用不同体积分数的纤维制备纤维面板，然后组合不同掺入量的聚苯颗粒混凝土和纤维面板，得到不同抗弯能力的建筑用墙体。试验结果表明，当聚苯颗粒体积分数为41.6%的聚苯颗粒混凝土和纤维体积为2%的纤维面板进行组合时，墙体的力学性能最好。基于BIM技术对组合墙体整体安装，有效提高了建筑工程用墙体的力学性能，具有一定的实际应用价值。

关键词：建筑工程；聚苯颗粒混凝土；纤维面板；BIM技术

中图分类号：TQ177.6；TU502

文献标志码：A文章编号：1001-5922（2024）03-0103-04

Study on compressive mechanical performance test of composite walls based on BIM technology

LIU Yang1，WANG Guanqing1，RONG Yanzhao2，LIANG Feng3

（1.State Grid Inner Mongolia East Electric Power Co.，Ltd.，Hohhot City，Inner Mongolia 010010，China;

2.China Railway Construction Group First Construction Co.，Ltd.，Beijing 266400，China;

3.Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot，Inner Mongolia 010010，China

）

Abstract：To improve the mechanical properties of walls used in construction projects，polystyrene particle concrete was prepared using different volume fractions of polystyrene particles，fiber panels were prepared using different volume fractions of fibers，and then different amounts of polystyrene particle concrete and fiber panels were combined to obtain building walls with different bending resistance.The experimental results showed that when polystyrene particle concrete with a volume fraction of 41.6% and a fiber panel with a fiber volume fraction of 2% were combined，the mechanical performance of the wall was the best.Integrated installation of composite walls based on BIM technology effectively improves the mechanical performance of walls used in construction projects and has certain practical application value.

Key words：construction engineering;polystyrene particle concrete;fiber panel;BIM technology

目前，常用的建筑工程墻体包括混凝土墙、石材墙、轻钢龙骨墙等，在保温和节能方面表现出良好的性能。如在被动式绿色建筑墙体结构中应用玻璃砖幕墙节能技术，提出一种新型的节能环保施工技术［1］；针对相同墙体传热系数下不同构造形式下的经济性和碳排放水平，设计了一种碳排放最低、经济性最优的建筑墙体构造形式［2］；通过分析相变混凝土热物理性能，提出利用相变混凝土作为建筑用墙体，帮助建筑物实现保温隔热和节能减排［3］。通过上述研究可以发现，相关建筑用墙体的研究主要集中在节能减排方面，而对其力学性能的研究较少，因此，制备了不同抗弯变形能力的组合墙体，以得到具有良好变形能力的建筑工程用墙体。并基于建筑信息模型（BIM）技术对组合墙体整体安装、细化排版进行设计。

1 材料与方法

1.1 试验材料

用于制备聚苯颗粒混凝土的试验材料如表1所示，所采用的颗粒直径为5 mm［4］。用于制备纤维面板的试验材料如表2所示，其中轻烧氧化镁由质量分数分别为92.62%、1.86%、1.12%、0.61%、3.79%的氧化镁（MgO）、氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO2）、三氧化二铝（Al2O3 ）及其他物质组成；硫酸镁溶液由七水硫酸镁（ MgSO4·7H2O）和一定量卤粒（MgCl2·6H2O）混合于水形成［5］。试验设备为WDW-1000H微机控制电子万能试验机，其精度级别为1，规格为100 kN，加载速度为0.3 MPa/s。

1.2 试验方法

1.2.1 聚苯颗粒混凝土制备方法

为分析不同掺量的聚苯颗粒对混凝土性能的影响，研究参考文献［6］混凝土的最佳配比为水∶水泥∶硅灰∶减水剂=1.9∶3∶0.75∶0.018 75，并向其掺入体积分数分别为28.5%、33.3%、35.3%、41.6%、47.1%、50%、52.6%的聚苯颗粒，研究聚苯颗粒混凝土的抗压强度性能、σ-ε曲线及弹性模量。制备不同掺量的聚苯颗粒混凝土时，不同的材料含量如表3所示。

基于表3所示材料，分别采用100 mm×100 mm×100 mm、150 mm×150 mm×550 mm、100 mm×100 mm×300 mm的试模制备聚苯颗粒混凝土试件，并在20 ℃的养护箱中养护到定龄期取出［7］。其中，100 mm×100 mm×100mm规格的试件用于测试抗压强度，150 mm×150 mm×550 mm规格的试件用于测试抗折强度，100 mm×100 mm×300 mm规格的试件用于测试应力应变（σ-ε）曲线及弹性模量的测试。其中，σ-ε曲线及弹性模量的测试在万能试验机上进行，并以0.5 mm/min的位移方式进行加载。

抗压强度（fcu）和抗折强度（f）的计算方法［8-9］：

fcu=Nu/A

（1）

f=PLbh2

（2）

式中：Nu表示试件破坏荷载；A表示试件受压面积；P表示试件破坏荷载；L=450 mm表示支撑试件圆柱中心距离；b=h=150 mm，分别表示试件断面宽度和高度。

σ-ε曲线中σ和ε可通过式（2）和式（3）计算［10］：

σ=Fa2

（2）

ε=uL

（3）

式中：F表示加載力；a表示截面尺寸；u表示加载位移；L表示试件高度。

1.2.2 纤维面板制备方法

为分析不同掺量的纤维对面板性能的影响，研究参考文献［11］面板的最佳配比为氧化镁∶硫酸镁溶液=1∶1制备面板，并向其中掺入体积分数分别为0%、0.5%、1.0%、2.0%的纤维，研究纤维面板的抗压强度和拉伸性能。制备不同掺量的纤维面板时，不同材料的含量如表4所示。

基于表4所示材料，分别采用40 mm×40 mm×40 mm和400 mm×200 mm×5 mm的试模制备不同纤维含量的面板，并在20℃的养护箱中养护到定龄期取出。采用万能试验机对40 mm×40 mm×40 mm的试件进行抗压强度测试，对400 mm×200 mm×5 mm的试件进行拉伸性能测试。其中，抗压强度σ的计算方法：

σ=PcS

（5）

式中：Pc为破坏荷载；S为受压面积。

考虑到纤维面板是薄板，为避免集中应力的影响，将用于拉伸测试的试件进行了加工，处理为哑铃形状，其几何尺寸如图1所示［

12-13］。

1.2.3 组合墙板制备方法

根据实际墙板规格，本次实验设置所制备的聚苯颗粒混凝土和纤维面板组合墙板的尺寸为1 200 mm长、100 mm宽、100 mm厚。为分析不同组合墙板的性能，试验制备了4种不同组合的墙板试件，具体组合如表5所示，并进行受弯性能分析试验。将试件放置于70 mm高的2个钢滚轴上，其中一端固定，另一端可移动，通过千斤顶分配钢梁荷载到试件顶部［14］。最后，在钢梁1/4、1/2、3/4的位置放置位移计测量挠度变化。

2 结果与分析

2.1 聚苯颗粒混凝土性能试验结果与分析

2.1.1 抗压、抗折强度结果分析

表6为不同掺量的聚苯颗粒混凝土抗压、抗折强度试验结果。

由表6可知，随着聚苯颗粒体积分数的增加，聚苯颗粒混凝土的抗压强度逐渐下降，且下降趋势逐渐加剧。随着聚苯颗粒体积分数的增加，混凝土的抗折强度逐渐减小，且整个过程中试件未出现挠曲变形。

2.1.2 σ-ε曲线结果分析

图2为不同掺量的聚苯颗粒混凝土的σ-ε曲线。

由图2可知，不同体积分数掺量的聚苯颗粒混凝土σ-ε曲线不同，随着聚苯颗粒掺量的增加，混凝土应力强度快速降低，且由脆性材料转化为理想塑性材料；当聚苯颗粒体积分数为47.1%、50%、52.6%时，聚苯颗粒混凝土的σ-ε曲线不存在明显屈服点，且试验过程中可观察到聚苯颗粒混凝土逐渐被压密。综合来看，聚苯颗粒混凝土的σ-ε曲线可分为弹性上升、应力下降、应力稳定3个阶段。在弹性上升阶段，σ-ε曲线基本保持直线，说明混凝土的弹性变形较好；当聚苯颗粒体积分数为28.5%时，混凝土的弹性极限为0.01，强度为10.88 MPa；当聚苯颗粒体积分数为52.6%时，混凝土的弹性极限为0.025，强度为1.73 MPa，说明聚苯颗粒掺量对聚苯颗粒混凝土的性能影响较大。在应力下降阶段，当聚苯颗粒掺量较少时，应力达到极限强度后短暂下降，此时聚苯颗粒周围孔壁遭到破坏，导致试件表面形成裂缝。随着聚苯颗粒掺量增加，下降段基本消失。在应力稳定阶段，聚苯颗粒混凝土应变持续增加，应力基本达到稳定，此时具备较大的塑性变形能力。当应变达到极限值0.2时，聚苯颗粒混凝土仍具备承载能力。

2.1.2 弹性模量结果分析

弹性模量反映了应力与应变之间的相对关系［15-19］。通过拟合聚苯颗粒混凝土σ-ε曲线，可得到表7所示不同掺量的聚苯颗粒混凝土的弹性模量。

由表7可知，不同掺量的聚苯颗粒混凝土的弹性模量值介于85～1 520 MPa，相较于普通混凝土的弹性模量值更小。这说明聚苯颗粒混凝土具有较大的变形能力，可有效延长结构的自振周期，表现出良好的减震作用。

2.2 纤维面板性能试验结果与分析

2.2.1 抗压强度结果分析

表8为不同纤维掺量的纤维面板抗压强度试验结果。

由表8可知，不同纤维含量的面板极限抗压强度差距较小，说明纤维含量对面板的抗压强度影响较小。试验过程中，当应力达到顶峰时，试件出现裂缝。此时若纤维掺量为0%，试件裂缝扩展速度较快并失去承载力，而随着纤维掺量的增加，裂缝扩展速度明显变慢，说明纤维掺量对面板的承载力峰值变化具有较大影响。

2.2.2 拉伸试验结果分析

图1为不同纤维掺量的纤维面板受拉σ-ε曲线。

由图1可知，当纤维掺量为0%时，应力与压力变化线性增长，抗拉强度约为2.6 MPa，此时加大拉力，试件脆性断裂；当纤维掺量为2.0%时，应力与压力曲线先上升后下降，当拉力达到极限时，面板不会脆性断裂，而是出现应变软化现象。说明纤维的加入有效改善了面板的脆性特性。

2.3 组合墙体受弯试验结果与分析

图4为不同组合墙体受弯试验的试件荷载和位移变化曲线。

由图4可知，组合1试件的抗弯性能约为0.9 kN，当荷载超过0.9 kN后，试件底部开裂，承载力突降，表现出强烈的脆性破坏；组合2试件的承载力达到峰值后下降到峰值的55%出现短暂变形破坏；组合3试件的承载力达到峰值后，下降到峰值的60%左右区域稳定，且在稳定阶段具有一定的变形能力；组合4试件的承载力达到峰值后可保持承载峰值的90%应力，变形位移达到12 mm，具有较强的变形能力。

2.3 基于BIM的组合墙体安装

通过上述试验可知，组合4具有良好的抗弯性能，因此采用组合4作为组合墙体，并利用BIM技术指导墙体应用安装。基于BIM技术的强大建模功能，设计组合4墙体、具体细部模型，如图2所示。通过BIM技术，可关联实现墙体安装工程项目工程量的精确统计和计算，并根据统计和计算结果指导工程计量，进而实现工程人员间的信息共享以及自动化安排生产计划。

3 结语

（1）当水、水泥、硅灰、减水剂配比为1.9∶3∶0.75∶0.018 75时，分别掺入28.5%、33.3%、35.3%、41.6%、47.1%、50%、52.6%不同体积分数的聚苯颗粒，制备得到的聚苯颗粒混凝土其抗压强度介于1.73～10.88 MPa，弹性模量介于85～1 520 MPa，满足工程需要；

（2）聚苯颗粒混凝土σ-ε曲线主要分为弹性上升、应变下降、应力稳定3个阶段。在应力稳定阶段，当应变达到极限值0.2时，聚苯颗粒混凝土仍具备承载能力；

（3）当氧化镁、硫酸镁溶液配比为1∶1时，掺入体积分数分别为0%、0.5%、1.0%、2.0%的PVA纤维，制备得到的纤维面板抗压强度差距较小，但其抗拉强度明显不同。随着纤维掺量的增加，纤维面板的抗拉强度逐渐增强，有效改善了纤维面板的脆性；

（4）采用聚苯颗粒体积分数为41.6%的聚苯颗粒混凝土和纤维体积为2%的纤维面板组合的墙体，表现出波动性变化；

（5）基于BIM技术可实现组合墙体整体安装、细化排版设计，以及安装工程项目的工程量精确统计和计算，进而实现工程人员间的信息共享以及自动化安排生产计划，具有一定的实际应用价值。

【参考文献】

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