浅谈轻钢与泡沫混凝土组合结构的发展与应用技术

王晓彬

吉林建筑大学

1 引言

中国建筑技术集团有限公司开发的轻质泡沫钢混凝土结构体系是一种新型的建筑系统体系，其旨在对建筑进行工业化和绿色环保化为实施战略目标的一张新的结构类型体系。自从提出结构体系诞生以来[1]，中国建筑技术集团有限公司组织了科学研究以针对各种试点项目，从而重点对轻钢的开发以及连接和生产进行系统的测试研究[2]，与此同时开发了专用设计软件，编制了行业标准JGJ 383—2015《轻钢泡沫混凝土结构技术规程》［3］和协会标准CECS 378：2014《聚苯模板泡沫混凝土楼盖技术规程》，由此形成了完整的技术体系。

2 研发背景

2.1 传统建造方式存在问题及对策

随着城市化的不断发展，中国新房屋的建造方式主要采用以现场作业为主，劳动力需求大、生产效率低、材料损耗大、有悖节能减排和绿色施工的可持续发展的建筑产业政策导向。建筑技术的不断革新及建筑的自动与工业化是我国建筑行业发展的必然导向，其目的是在相当程度上降低技术成本，提高工作效率，并确保项目和建筑业产品中的质量和安全性[4]。就现阶段而言，我国的建筑工业化的道路相对较长，而不是简单的预制后进行装配的单一路线。结合中国建筑业的发展状况，将预制装配技术在相当程度上与现浇相技术的紧密结合也是改变传统建筑方法和建造工业建筑的一种方式。

2.2 轻钢泡沫混凝土结构概念的提出

由轻钢和泡沫混凝土制成的轻型建筑架构体系的概念来自国家科学技术促进计划“十一五”以及乡村和城市的“建筑技术和主要设备技术研究”的相关课题内容[5]。在此基础上，本课题组团队设定了工业化、高质量和新型建筑结构体系快速建设的综合研究探索目标。轻质泡沫钢混凝土结构体系保留了高度工业化和轻钢集成商快速建造的优势，并优化了墙体中的泡沫混凝土模板和成型技术实现结构完整性、安全性和房屋的支撑耐久性，因而能够在高程度上改善居住者的生活体验和舒适感。

3 体系概况及技术特点

3.1 体系概念

轻质泡沫钢混凝土结构以低碳钢和泡沫混凝土为主要材料，并以快速建造的钢质轻质框架为基础，该建造体系框架结合了集成免拆模板轻钢泡沫混凝土墙体、聚苯模板泡沫混凝土楼盖新技术，因此将与此技术相关的工厂制品的组装和施工与现场浇筑的混凝土结合起来，就能够使其具有新的施工体系它由工业化、高质量、环保和低碳材料组成等优势特征性的新型建造体系架构。根据轻钢、建造模板和泡沫混凝土等主要材料的不同类型，轻钢泡沫混凝土结构分为不同的系统框架。

3.2 种主要材料

泡沫混凝土结构的主要材料包括：轻钢，免拆固定式模板和泡沫混凝土，实际运用中较为典型材料。轻钢墙的厚度通常为1.0mm～2.5mm，截面主要为矩形，B 形，L 形和C 形。免拆固定式模板主要是硅酸钙片板块，纤维水泥片和聚苯乙烯材料样品等类型。泡沫混凝土主要由泡沫聚苯乙烯和泡沫混凝土组成，泡沫混凝土的强度在大多数情况下取决于其自身的密度等级，通常可以达到3MPa～20MPa[6]；强度可以根据施工工程结构的具体要求来设计。

3.3 体系构造

轻质泡沫钢混凝土结构系统系统包括轻钢泡沫混凝土墙、轻钢泡沫混凝土地板或泡沫聚苯乙烯混凝土地板、低碳钢屋顶和其他主要组件所构成。为了满足建筑功能的要求，如果施工计划中有一个退台并且楼层地板上有一个转换过渡凝土梁时，那么也可以使用少量的钢泡沫混凝土柱。轻钢泡沫混凝土墙体由轻钢构架、免拆模板和浇筑泡沫混凝土构成。上下层墙壁上的轻钢柱用特殊的连接器螺钉使其紧密结合在一起，轻型矩形钢柱通过钢管或U型接头连接，B型钢柱通过U型和方形接头连接。由轻钢泡沫混凝土制成的楼板均可以采用低碳泡沫混凝土地板中的矩形，B 型或C 型钢等架构构型，同时可以使用轻钢泡沫混凝土与之结合，从而形成建造体系。

3.4 技术特点及适用范围

轻钢泡沫钢混凝土结构具有节约材料、节省施工时间和环境保护的优秀特性，具体的表现形态如下：（1）轻钢框架，具有良好的强度和强度，承重能力，在施工过程中并便于快速安装模板而无需拆除；（2）泡沫混凝土材料具有良好的施工性能和良好的浇铸施工工艺，因此能够降低人工维护建造质量的难度；（3）泡沫混凝土可以与大量固体工业废料混合，例如粉煤灰、钢渣和脱硫石膏等低碳材料从而实现环境保护的可持续发展主题；（4）低碳钢和泡沫混凝土共同工作，不仅具有良好的完整性和抗震性能，而且与传统的钢材结构或是单一的混凝土结构相比，可以大大节省钢材的用量。

4 技术研发概况

4.1 泡沫混凝土材料性能

泡沫混凝土材料是影响轻钢泡沫混凝土结构性能的重要因素。本课题研究小组通过大量试验，掌握了适用于轻钢泡沫混凝土结构的聚苯颗粒泡沫混凝土和泡沫泡沫混凝土的配制技术，测试了泡沫混凝土强度和弹性模量等力学性能指标[7]。研究了泡沫混凝土浆体湿质量密度ρw与干质量密度ρ0、泡沫混凝土质量密度与强度、强度与弹性模量、强度与龄期的相关性。

4.2 轻钢泡沫混凝土墙的承载能力

轻钢泡沫混凝土墙是该建筑系统中最重要的组成部分。本课题研究小组系统地进行了各种墙体类型的虚拟和轻钢骨架剪力墙、泡沫混凝土剪力墙、轻钢泡沫泡沫混凝土剪力墙和等不同类型墙体的拟静力和轴心受压试验。研究表明，虽然在一定程度上泡沫混凝土尽管强度相对较低，但在改善墙体刚度和承载能力方面能够在基于房屋等建造质量方面做出了重大贡献，轻钢泡沫混凝土切割墙具有钢筋泡沫混凝土剪力墙的承载机制和破坏形态。

5 结语

经过多年的研究和开发，轻钢泡沫混凝土架构体系已发展成为一个完整的建筑系统体系，并在符合最初的提出目标上展现出了许多建筑技术、建筑质量方面的众多优势，具体例如有：工业化、高品质、节材省工有效利用资源和减少环境污染等。2014 年1 月，轻质泡沫塑料混凝土建筑架构体系的研究项目获得了住房和农村城乡发展部相关责任人员的批准。2013 年，轻钢泡沫混凝土结构的产业创新和产业化示范项目得到了国家发改委的大力支持，并列入了国家重点的投资高新技术产业发展计划纲领内。目前，此项技术已在实际的施工应用工程中流行开来，并受到了广泛的关注和专业人士的积极反馈，并由此促进我国建筑工业化的发展境况。