預(yù)制混凝土夾芯墻板的研究與應(yīng)用*

肖力光 許曉晛

(吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130118)

1 混凝土夾芯保溫墻板發(fā)展的必要性

《國務(wù)院辦公廳關(guān)于轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部綠色建筑行動方案的通知》[1]指出：我國建筑業(yè)“十二五”期間重點任務(wù)之一是切實抓好新建建筑節(jié)能工作和推進(jìn)既有建筑節(jié)能改造.自1973年世界能源危機以來,各國紛紛開展節(jié)能技術(shù)的研發(fā)與推廣,這對資源相對匱乏的中國來說,節(jié)能更是一項基本國策.近些年來,隨著我國城鄉(xiāng)生活水平的提高以及生活質(zhì)量的提升,城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,使我國一直保持較高的住宅需求量,2000-2011年間，平均每年城市住宅的建造面積增加達(dá)到3億m2[2],如此之大的建筑量使建筑耗能占我國能耗總量近三成,因此建筑節(jié)能刻不容緩.

由于使用實心粘土磚,全國每年60多萬畝良田被毀、糧食產(chǎn)量減產(chǎn)約4億多公斤,我國已經(jīng)禁止使用粘土磚,大力推行新型墻體及其節(jié)能技術(shù).節(jié)能技術(shù)中,外保溫復(fù)合墻體技術(shù)比較成熟、成本低、使用最廣泛.目前建筑用無機保溫材料極易受潮而降低保溫隔熱性能,且生產(chǎn)過程中嚴(yán)重污染環(huán)境,有機保溫材料即使采用加入阻燃劑等也無法阻止材料燃燒,燃燒同時會釋放大量有害氣體.加快發(fā)展防火隔熱性能好的建筑保溫體系和材料,積極發(fā)展多功能復(fù)合一體化墻體材料[1],推進(jìn)利廢環(huán)保的多功能復(fù)合一體化新型墻體材料的生產(chǎn)應(yīng)用[3],重點研發(fā)和推廣外墻復(fù)合保溫墻板產(chǎn)品及裝備[4]等政策相繼出臺,為新型墻體的發(fā)展指明了方向.

混凝土夾芯保溫墻板作為新型墻體發(fā)展的代表性產(chǎn)品,其防火性能、保溫性能優(yōu)越,可實現(xiàn)預(yù)制生產(chǎn),具備推動部品的標(biāo)準(zhǔn)化、實現(xiàn)建筑新型墻體工業(yè)化的條件[1],為實現(xiàn)住宅產(chǎn)業(yè)化提供了重要技術(shù)支撐.

2 混凝土夾芯保溫墻板的特點

(a)嵌內(nèi)式砌筑方式 (b)外掛式連接方式圖1 夾芯墻板與結(jié)構(gòu)主體的連接方式

混凝土夾芯保溫墻板一般由三部分構(gòu)成：一部分為內(nèi)核功能層(內(nèi)核保溫層)；另一部分為內(nèi)、外隔板.三者以相應(yīng)的方式連接起來,形成整體.內(nèi)核功能層材料多采用輕質(zhì)材料,其有效增大了結(jié)構(gòu)厚度,提高了截面的慣性矩,因此這種結(jié)構(gòu)具有密度低、比剛度和比強度高等優(yōu)點.從所用材料的特點來看,內(nèi)、外隔板采用混凝土制成,其具有抗壓強度高、耐久性好、不燃燒等特性,內(nèi)核保溫層多選用硬質(zhì)泡沫塑料制成,這種材料容重低、導(dǎo)熱率低,用混凝土材料做成的隔板將由硬質(zhì)泡沫塑料制成的內(nèi)核保溫層“保護(hù)起來”,就形成了熱工性能優(yōu)良的新型墻體.混凝土夾芯保溫墻板具有如下優(yōu)勢:

(1) 實現(xiàn)預(yù)制化和施工裝配化,提高工作效率及建筑質(zhì)量,半手工半機械化的建筑施工方式將會被替代,這使得部品的質(zhì)量受到嚴(yán)格控制,并能實現(xiàn)裝配化安裝,縮短施工工期,降低工程成本;

(2) 應(yīng)用混凝土夾芯保溫墻板,施工現(xiàn)場省去了外墻砌筑施工以及墻體外保溫施工,大大縮短工期;

(3) 采用混凝土夾芯保溫墻板作為建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)時,增加了建筑使用面積,提高了建筑利用率.非承重型混凝土夾芯墻板與結(jié)構(gòu)主體之間的連接可以采用“掛”在主體結(jié)構(gòu)外側(cè)的方式,與傳統(tǒng)的嵌內(nèi)式砌筑方式截然不同,增加了建筑的使用面積(見圖1);

(4) 墻體保溫材料設(shè)置于由混凝土制成的內(nèi)、外隔板間,能有效地防止火災(zāi)、外部侵蝕環(huán)境等不利因素對保溫材料的破壞,防火性能與耐久性良好.

混凝土夾芯保溫墻板技術(shù)解決了墻體保溫節(jié)能技術(shù)的安全隱患,且保溫性能優(yōu)越、節(jié)約資源、大大縮短工期、降低工程成本,發(fā)展此種技術(shù)符合我國基本國情.

3 國內(nèi)外研究及其應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

(a)非復(fù)合式 (b)半復(fù)合式 (c)復(fù)合式圖2 夾芯墻板類型

Reissner夾芯理論和Hoff夾芯理論于上世紀(jì)50年代被相繼提出.Reissner夾芯理論忽略隔板的抗彎剛度,隔板被看做是一層薄膜來進(jìn)行解析；Hoff夾芯理論不僅考慮隔板彎曲剛度,同時內(nèi)核功能層的橫向剪切變形也被認(rèn)為是影響墻板的因素,隔板被看做是一塊彈性薄板進(jìn)行分析,上述兩種理論被廣泛應(yīng)用于夾芯結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計中.最初這種夾芯技術(shù)僅僅應(yīng)用于航天和軍工,后涉及到的領(lǐng)域越來越廣,在航天、汽車制造、船舶業(yè)等方面應(yīng)用廣泛,比如現(xiàn)今在航空超輕面板、超輕殼結(jié)構(gòu)和一些汽車產(chǎn)業(yè)構(gòu)件中,就廣泛的應(yīng)用到了這種技術(shù)[5].在建筑領(lǐng)域,上世紀(jì)90年代,Amin Einea，David C，Salmon等人[6-7]對混凝土夾芯墻板做了系統(tǒng)研究,依舊采用平截面假定來分析這種結(jié)構(gòu),基于保溫性能的考慮,認(rèn)為使用普通鋼筋作為連接件降低了混凝土夾芯墻板的保溫性能,因而采用導(dǎo)熱系數(shù)小、抗拉強度高、強耐腐性的纖維增強復(fù)合塑料(FRP)代替普通鋼筋,使得性能優(yōu)于采用普通鋼筋為連接件的混凝土夾芯墻板,并以此假設(shè)為依據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的測試和實驗,建立起混凝土夾芯墻板的理論體系.無論是承重型還是非承重型墻板,從復(fù)合方式看,墻板被分類為非復(fù)合式、復(fù)合式和半復(fù)合式三種[8](見圖2).非復(fù)合式墻板是指兩層混凝土隔板被垂直于保溫內(nèi)核層的柔性連接器連接在一起,兩層隔板均獨立作用,共同承擔(dān)荷載作用,但一般重量較大；復(fù)合式墻板是指由鋼筋所構(gòu)成的桁架穿過內(nèi)核保溫層連接內(nèi)外兩層混凝土隔板,桁架起到連接件的作用——傳遞剪切,將墻板三部分連接起來.這種墻板抗側(cè)向作用的能力優(yōu)異,但是鋼筋的傳熱系數(shù)高,容易形成冷橋,使保溫性能大打折扣；半復(fù)合式墻板是將保溫內(nèi)核層沿板長方向非連續(xù)布置,非連續(xù)處與內(nèi)外隔板整澆在一起,形成非復(fù)合點.這種墻板的剛度和強度介于上述兩種墻板之間,而且不穩(wěn)定因素較多[9].三種墻板各有利弊,均得到了廣泛的應(yīng)用.同期還有R.N.Swamy及 Mohamed[10]對混凝土夾芯墻板進(jìn)行的研究,他們所研制的墻板是承重型夾芯墻板,這種墻板是兩個由普通混凝土所制成的隔板和由一種低密度輕質(zhì)混凝土所制成的功能內(nèi)核層組成的,隔板可以提供強度和耐久性,可以有效的承擔(dān)荷載,增強耐候性,輕質(zhì)內(nèi)核提供隔熱隔聲能力.

近期,英國技術(shù)人員針對這種結(jié)構(gòu)的抗壓強度做了大量實驗.實驗結(jié)果顯示,夾芯墻板的抗壓強度和彈性模量幾乎不受連接件的間距及類型的影響.同時,A.W.Hendry等人開展的相關(guān)實驗研究.結(jié)果表明,對夾芯墻板加至1/2破壞荷載時,內(nèi)外隔板所承受的荷載比值為3/2,隨著荷載的增加,兩隔板承受的荷載的比值趨于1/1.此外,A.W.Hendry還進(jìn)行了夾芯墻板平面內(nèi)受風(fēng)荷載作用的力學(xué)研究,提出了夾芯墻板拱效應(yīng)理論[11].隨著研究的不斷進(jìn)展,為提高夾芯墻板的熱工性能,Byoung-Jun Lee和Stephen Pessiki[12]嘗試提出了雙層保溫板的混凝土夾芯墻板結(jié)構(gòu)形式,并將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用其中,研究這種結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和熱工性能.根據(jù)Amin Einea，David C，Salmon等人的研究,鋼筋作為連接件會使這種結(jié)構(gòu)的熱工性能降低.然而,近年Richard S.Henry[13]研制了一種新型的低碳鋼連接件.試驗表明,不僅熱工性能比使用普通鋼筋作為連接件的墻板有所提高,而且發(fā)生地震時,這種新型連接件能夠附予夾芯墻板極好的抗震能力.北卡羅萊納州立大學(xué)[14]的實驗研究專注于FRP,GFRP連接件在混凝土夾心保溫墻板中的力學(xué)用作,著重研究這種結(jié)構(gòu)的變形和傳遞剪切原理,為了更好地兼顧力學(xué)性能和熱工性能,ElKashef 和 AbdelMooty[15]將泡沫混凝土大膽的作為制作內(nèi)核保溫層的材料來取代輕質(zhì)泡沫塑料材料,并得到了不錯的實驗結(jié)果.總之,夾芯墻板在發(fā)達(dá)國家通過多年的推廣,發(fā)展至今理論趨于成熟.

在理論研究的同時,這種技術(shù)也應(yīng)用于實際工程中,混凝土作為主要材料被廣泛應(yīng)用在夾芯外掛墻板面層的制作上,上世紀(jì)60年代美國CS&M公司開始生產(chǎn)混凝土夾芯墻板.在此基礎(chǔ)上,1976年,美國COVINTEC公司生產(chǎn)的墻板通過了當(dāng)時美國相應(yīng)的各種實驗,此后這種技術(shù)和產(chǎn)品得到了大力的發(fā)展并被美國建筑行業(yè)規(guī)范認(rèn)可.這種結(jié)構(gòu)的裂縫、鋼筋布置以及橫向支撐長度等在美國建筑規(guī)范(U.B.C.)中均被嚴(yán)格要求.從1980年開始,美國首次將這種墻板技術(shù)應(yīng)用于一幢9層公寓的施工中,隨后明尼蘇達(dá)州Ganglehoff中芯、威斯康辛州百事可樂灌裝公司、飛利浦莫里斯工廠等均使用了混凝土夾芯墻板,直至今日,在美國已有數(shù)千萬平這樣的墻板得以應(yīng)用,加州地震區(qū)也有數(shù)千平的墻板應(yīng)用于實際工程中[8].在澳大利亞,采用Thermomass系列連接件的預(yù)制混凝土夾芯墻體已被廣泛應(yīng)用于公共建筑及商業(yè)建筑中.在日本,預(yù)制混凝土夾芯保溫墻體及FRP新型連接件已經(jīng)被三菱公司等多家大型公司聯(lián)合研發(fā)成功,夾芯墻板生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)可以生產(chǎn)出高4.6m×2.3m寬的墻板,能夠應(yīng)用到大多數(shù)民用及工業(yè)建筑中.

3.2 國內(nèi)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

借鑒國外技術(shù),我國于上世紀(jì)90年代開始研究這種“三明治”技術(shù).水泥夾芯板相應(yīng)的研究[16]得出結(jié)論:在滿足平截面假定的前提下,穿過中間內(nèi)核層的連接件能有效傳遞剪力,使夾芯板作為整體來承受效應(yīng),并可按鋼筋混凝土受彎構(gòu)件來進(jìn)行承載力的計算.1998年至2000年,西安建筑科技大學(xué)研究人員對混凝土夾芯墻板的抗震性能進(jìn)行了研究,通過相應(yīng)實驗證明在工程中使用這種墻板,建筑物可具備良好的抗震性能,可在不高于8度設(shè)防的地震區(qū)內(nèi)使用,并對混凝土夾芯墻板的力學(xué)模型進(jìn)行了深入研究,同時給出相應(yīng)承載力的簡化計算公式.針對夾芯結(jié)構(gòu)的特點,趙彤等將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用在這種結(jié)構(gòu)中,并進(jìn)行了相應(yīng)的研究.結(jié)果表明,預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用能夠有效加大夾芯結(jié)構(gòu)的剛度,并增強這種結(jié)構(gòu)抗裂的能力.哈爾濱工業(yè)大學(xué)相關(guān)研究利用數(shù)值法來獲得夾芯板彈性彎曲的規(guī)律,通過計算實例,分析了夾芯板的計算跨度、混凝土強度等級、鋼筋桁架間距、功能內(nèi)核層厚度，以及隔板厚度等因素對墻板的影響.為了進(jìn)一步驗證混凝土夾芯墻板在實際工程中的性能,國內(nèi)學(xué)者對此種墻體的承載能力、滑移等問題進(jìn)一步探究[17].王振龍等人[18]利用有限元分析軟件ANSYS對混凝土組合夾芯墻板試件進(jìn)行有限元建模分析.結(jié)果表明，這種墻板具有良好的抗彎性能,可以應(yīng)用于實際工程中.近年來,由于普通鋼筋作為連接件的缺點明顯,研制低導(dǎo)熱系數(shù)、力學(xué)性能優(yōu)良的抗剪連接件已經(jīng)成為一種趨勢.2011年同濟大學(xué)[19]開發(fā)了采用有機保溫材料的預(yù)制混凝土夾芯保溫墻體及FRP連接件,并對墻體及連接件的受力性能、設(shè)計方法等開展了系統(tǒng)的研究工作.楊佳林等人[20]對FRP連接件的材料性能進(jìn)行了研究,研究顯示,連接件抗拔性能優(yōu)異,能夠滿足實際工程中的使用要求.

理論研究上取得的成果帶來了實際工程中的應(yīng)用，采用預(yù)制混凝土墻板結(jié)構(gòu)的住宅建筑在北京、上海、吉林省等地陸續(xù)出現(xiàn),天津萬科東麗湖項目、北京豐臺萬科預(yù)制研究開發(fā)研究中心實驗樓、吉林省長春市基隆路廉租房項目、上海城建海港基地2號實驗樓等項目，均采用了這種混凝土夾芯墻板技術(shù).雖然國內(nèi)此項研究還在不斷發(fā)展與累積中,但逐漸與國際趨勢相接軌.

4 結(jié)語

近年來,預(yù)制混凝土裝配整體式技術(shù)的應(yīng)用逐年增多,作為這種技術(shù)的代表性產(chǎn)品,混凝土夾芯墻板技術(shù)應(yīng)用廣泛,是值得推廣的綠色建材.但其自身也存在著不足,使用混凝土制作混凝土夾芯墻板的隔板使墻板本身過重,如何在保留混凝土材料優(yōu)點的同時,讓墻板更加的“輕質(zhì)”及“高強”，是今后需要解決的重點及難點問題.

參 考 文 獻(xiàn)

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