预制混凝土夹芯复合墙板的应用与住宅产业化*

肖力光 范 雪

(吉林建筑大学材料科学与工程学院,长春 130118)

预制混凝土夹芯复合墙板的应用与住宅产业化*

肖力光 范 雪

(吉林建筑大学材料科学与工程学院,长春 130118)

论述了住宅产业化及其在我国的发展,分析了预制混凝土夹芯复合墙板的特点和国内外研究现状,指出发展预制混凝土夹芯复合墙板是实现住宅产业化的重要支撑,发展预制混凝土夹芯复合墙板可以有效实现建筑节能,应进一步推广这种新型节能保温墙体材料的应用.

预制混凝土夹芯复合墙板；住宅产业化；建筑节能

随着我国城市建设的快速发展,住宅产业已成为带动国民经济发展的一项重要支柱产业.为实现住宅建设的可持续发展,满足人们日益增长的住房需求,就必须加快住宅产业化的进程,使我国的住宅产业尽快从落后的粗放型生产加工方式向集约型生产的先进模式转变,提高住宅质量[1].预制混凝土夹芯复合墙板作为新型节能保温墙体发展的代表产品,其保温性能和防火性能优越,具备建筑新型墙体工业化的条件,可实现预制生产,是推进住宅产业化的重要技术支撑[2].

1 住宅产业化

住宅产业化是指在住宅建设过程中,采用工业化的生产方式生产各类建筑构配件、半成品、成品,现场采用机械化装配.通过推广应用新技术、新设备、新材料、新工艺,缩短工期,降低成本,提高生产率,从而促进住宅建设成为我国新的经济增长点[3-4].

我国住宅产业化还处于粗放式的发展阶段,主要表现在:

(1) 工业化住宅建设程度低,工业化标准体系尚不健全;

(2) 尚未建立住宅产品标准化和通用化的模数协调体系,产品质量难以保证;

(3) 住宅建设能源消耗高,物质消耗高,劳动生产率低,科学进步贡献率低[5].

2 预制混凝土夹芯复合墙板和住宅产业化

2.1 预制混凝土夹芯复合墙板的特点

预制混凝土夹芯复合墙板是由内、外两层混凝土板内夹保温材料,通过连接件将三层材料连接形成具有良好保温节能效果的新型墙体材料(如图1和图2所示)[6-7].达到节能要求的同时符合国家环保要求,它与传统墙体材料相比具有以下特点:

图1 预制混凝土夹芯复合墙板构造示意

图2 预制混凝土夹芯复合墙板剖面

(1) 保温隔热. 预制混凝土夹芯复合墙板的内外叶墙采用抗压强度高、不燃烧的混凝土制成.保温材料则采用容重低、导热率低的硬质泡沫塑料,这种连续贯通的保温层构造使墙板的热工性能更优良,传热系数不超过0.50W/(m2·K).墙板还可根据保温隔热的实际需要改变厚度,使其达到各种墙体节能指标的要求.同时,墙板能与主体框架结构形成完全封闭,有效阻断室内外的热量流通,达到冬暖夏凉,低碳环保.

(2) 增加建筑使用面积. 混凝土夹芯复合墙板的厚度为160～200mm,与其他保温墙体材料相比,减少了50%左右[8],在相同的建筑面积条件下,能够增加建筑使用面积约5%.并且在复合墙板作为建筑围护结构时,可采取墙板在主体结构外侧外挂的连接方式,大大提高了建筑空间利用率.

(3) 满足装饰需求. 目前,我国外墙保温技术大多采用在建筑外墙粘贴聚苯乙烯板,除了耐久性和安全性差之外,还给建筑外墙的装饰装修提出了较大难题.复合墙板的应用，使这些问题得到了很好的解决,由于复合墙板的保温层是夹设在两层混凝土板中间,且内外混凝土层的平整度很高,为各类装饰材料提供了很好的基层条件,这样便可以按照不同的建筑装饰需求来设计装修墙板的外叶墙.

(4) 使用寿命长. 与现行的外墙保温技术相比,复合墙板除了保温、装饰功能外,还能有效地保护保温材料,使其不受到外部侵蚀环境等不利因素的影响,延长使用寿命30年以上,达到与建筑同寿命,这种保护对结构的耐久性起着至关重要的作用,同时也为社会减少了50%的建筑垃圾.

2.2 预制混凝土夹芯复合墙板的研究现状

(1) 国外研究发展现状. 预制混凝土夹芯复合墙板自1960年发明以来一直广泛应用于建筑领域,英国研究人员Fisher针对夹芯墙板的抗压强度与连接件的关系做了大量实验,实验结果表明,连接件的类型及间距对墙板的抗压强度影响并不大.同时,为了研究夹芯墙板的内外叶墙在垂直荷载作用下的承载情况,英国A.W.Hendry等学者进行了相关实验研究,结果显示,当夹芯墙板采用金属连接件连接,并且内外叶墙的厚度取半砖厚时,其承载能力与一砖厚的实芯墙板基本相同.当夹芯墙板加载至1/2的破坏荷载时,内外叶墙所承担的荷载分配比例为3/2,随着施加的荷载逐渐增大,内外叶墙的承载值也趋于相等[9-11].学者Ramn对采用简支和固定支撑的墙板进行了温度荷载试验,验证了预制混凝土夹芯复合墙板的“热弯曲”效应[12].

国外学者针对复合墙板的连接件已经进行了较为系统的研究分析.德国Kaiserslautern大学曾就采用棒式连接件连接的墙板进行抗剪试验[13],试验结果表明,连接件发生弯曲破坏.同年,Kaiserslautern大学又对其进行了拔出试验[14-16],连接件发生断裂破坏.同时,Kurama等人[17]还研究了格构式连接件在抗震试验中的抗震性能,并提出了墙板相关设计方案.目前很多研究都集中在抗剪连接件的优化改性上.美国学者Mahmut Ekenel,Ph.D.,P.E.,A.M.ASCE[7]研制了一种新型连接件,采用纤维增强复合材料网格连接“三明治”墙板,不仅热工性能优于普通钢筋作为连接件的墙板,而且还明显提高了墙板的耐久性.碳纤维导热率约为普通钢筋的14%,用碳纤维复合材料网格连接的混凝土夹芯复合墙板,可以充分发挥墙板在外界综合作用下的隔热性能.同时,玻璃纤维又是高抗拉强度和低导电率材料.这种使用玻璃或碳纤维作为连接件的混凝土复合墙板能有效地消除冷桥效应，以及材料温差在混凝土中产生的不良应变.碳纤维增强复合连接技术，使混凝土复合墙板结构的热阻高达32m2·K/W,是使用钢筋连接件同等厚度的复合墙板热阻的11～16倍.复合网格连接件还具有较强的耐腐蚀性,并且同钢筋连接件相比,表面防腐处理要求很低.但大多数复合材料通常具有低抗剪强度,为了避免复合墙板由于连接件失效而破坏,Mahmut Ekenel等研究人员做了相关研究[7],复合网格的制作采用浸渍在环氧树脂中的纤维持续成网并沿45°角切割成带状(如图3所示),同时对使用此种连接件的复合墙板进行了静力试验(如图4所示).

试验结果表明,纤维增强复合材料连接件能提供足够的抗剪承载力,满足复合墙板的受力要求.为进一步研究纤维增强复合网格的耐久性,将墙板置于潮湿环境中,通过测试水分子对抗剪连接件使用寿命的影响来确定纤维增强连接件材料的耐久性特点(测试结果见表1).从数据结果可以看出,纤维增强连接件材料具有很高的耐久性能.

表1 耐久性试验

图3 纤维增强网格的典型构造

图4 双剪切试验

总之,混凝土复合墙板在发达国家经过多年的推广和应用,理论及技术都趋于成熟.

(2) 国内研究现状. 我国在20世纪90年代末开始研究复合墙板技术,西安建筑科技大学曾就复合墙板的力学性能和抗震性能进行了试验研究,研究分析了墙板的开裂过程及裂缝的发展规律,指出复合墙板整个结构体系具有良好的受力性能和很高的抗震承载力,可以使用在不高于8°设防的地震区[2,18].并且在试验研究的基础上，对墙板的破坏机理进行了深入分析,给出各类荷载相应承载力的简便计算公式.为了研究复合墙板在内外叶墙不等厚时的工作性能,清华大学于2003年针对此类墙板进行了研究.试验论证了内外混凝土层不等厚时,复合墙板具有良好的协同工作性能,且墙板破坏是由于较薄的混凝土层达到了极限状态,而此时较厚的一侧混凝土层却并未达到其极限状态.除了试验研究外,我国学者还采用有限元分析程序ANSYS对复合墙板进行了力学性能的理论分析.分析结果认为,当墙板受到水平荷载和竖向荷载作用时,墙板各部分能够很好地协同工作,其力学性能与普通实心剪力墙相比没有较大差距,为复合墙板的简化设计提供了理论依据.2007年,同济大学与万科等多家企业合作,共同研发出板式FRP新型连接件,并针对已生产出的连接件进行了热工性能和力学性能测试[19](测试结果见表2).数据表明,板式FRP连接件的力学性能良好,具有较大的安全储备.同时,红外成像显示,采用FRP制作的墙板,表面温度均匀,没有明显的热桥效应,能够满足实际工程中的使用要求.

表2 连接件抗剪及拔出试验 (kN)

2.3 发展预制混凝土夹芯复合墙板是实现住宅产业化的重要支撑

混凝土夹芯复合墙板的加工制作是在预制构件厂里完成的,墙板的质量可以得到充分保证;采用预制墙板,大大减少了施工现场的湿作业,简化施工工序,加快工程进度;复合墙板的尺寸规格按照标准化和定型化生产,这在住宅建设过程中有利于实现机械化生产和科学化管理,提高工业化劳动生产率.这些特点都与住宅产业化的内涵相一致,并且符合我国住宅产业化的发展要求,为我国实现住宅产业化提供了重要支撑.

为了推进我国住宅产业化的发展,混凝土夹芯复合墙板的研发生产应重点解决以下问题:

(1) 新型混凝土夹芯复合墙板的研发. 使用普通混凝土制作的复合墙板自重过大,如何在保留普通混凝土诸多优点的同时,又可以使墙板变得轻质高强.同时,如何通过合理的结构构造设计,研发出抗震性能良好的复合墙板,使之满足住宅产业化结构体系要求[20];

(2) 预制混凝土夹芯复合墙板标准化体系的建立. 健全的标准化体系是实现住宅产业化的基础,墙板的规范标准和模数协调体系的建立,使复合墙板的生产应用向着标准化、体系化、通用化的方向发展.

2.4 预制混凝土夹芯复合墙板是实现建筑节能有效形式

建筑外围护结构各部分散失的热量分别为:屋顶8%～10%,外门窗48%～53%,楼地面3%,楼梯门、隔墙10%,外墙25%～28%[21-22].由此看出,在外围护结构中,通过外墙所损失的热量约占总热量损失的1/3.预制混凝土夹芯复合墙板是提高外墙的热工性能的有效形式之一.它采用构件厂预制,质量控制易于保证,能够满足大规模保温节能的要求,可以将外围护结构的使用能耗降到最低,有效地实现建筑节能.

3 结论

预制混凝土夹芯复合墙板的应用范围十分广泛,它能够最大限度地实现住宅部品化,是推进我国住宅产业化的重要技术支撑,同时具有符合建筑节能及可持续发展要求的特点.因此,预制混凝土夹芯复合墙板是值得大力发展的新型绿色墙材.

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The Application of Concrete Sandwich Composite Panel and Housing Industrialization

XIAO Li-guang，FAN Xue

(School of Material and Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun,China 130118)

This article expounds the development of the housing industrialization in China,analyses the characteristics and the current situation of the concrete sandwich composite panel,points out that the development of the concrete sandwich composite panel is the important support to realize the housing industrialization,and puts forward the development of the concrete sandwich composite panel can achieve the energy conservation in building effectively,so as to extend the application of this new type of energy-saving insulation panel.

concrete sandwich composite panel；housing industrialization；energy conservation in building

2014-07-20.

肖力光(1962～),男,吉林省长春市人,教授,博士.

吉林省科技发展计划重大攻关项目(20130204009SF);吉林省新型墙体材料研发项目(2012314).

TU 5

A

2095-8919(2015)01-0043-04