基于裝配式建筑鋼纖維保溫一體化疊合外墻的研究與應(yīng)用

劉海濤，張亞東

（1.濰坊市第二建筑工程公司，山東 濰坊 261021；2.山東海龍建筑科技有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

在現(xiàn)階段，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步帶來了人們生產(chǎn)和生活質(zhì)量水平的提高，也帶來了基礎(chǔ)建設(shè)的現(xiàn)代化，是實(shí)現(xiàn)住宅建設(shè)由粗放型向集約化，提高住宅質(zhì)量，節(jié)約住宅能耗的一項(xiàng)重大舉措，是保證建筑業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。在以往的建筑施工中，其施工流程復(fù)雜，施工時(shí)間長(zhǎng)，且容易發(fā)生質(zhì)量問題，不能適應(yīng)現(xiàn)在急速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)需求。為適應(yīng)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)和人口對(duì)生活質(zhì)量的高要求，裝配式建筑憑借節(jié)能、環(huán)保、綠色、高效、高速等高質(zhì)量的特點(diǎn)，極大地滿足了社會(huì)需求，是將來建筑業(yè)的發(fā)展方向[1]。

反映裝配式水平的最重要指標(biāo)是外墻的裝配化程度，普及應(yīng)用組裝式保溫一體化疊層混凝土外墻板符合國(guó)家建筑節(jié)能和綠色建筑的產(chǎn)業(yè)政策,這是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。建筑外墻是建筑的主要組成部分,其結(jié)構(gòu)和使用的材料影響建筑能耗指標(biāo)和室內(nèi)居住舒適性[2]。

在住宅建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗中：外墻可占34%，樓梯間隔墻占11%。發(fā)展高質(zhì)量保溫一體化疊合外墻是實(shí)現(xiàn)建筑裝配化和推廣節(jié)能建筑的重要捷徑[3]。鋼筋混凝土外墻的力學(xué)性能、抗?jié)B性和抗裂性普遍不足，但在混凝土中摻入鋼纖維有利于提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度與折壓比[4]。鋼纖維混凝土外墻具有良好的耐久性能和力學(xué)性能，如具有良好的耐火、耐腐蝕、抗?jié)B等耐久性能和良好的抗剪、拉伸、彎曲、變形等力學(xué)性能，極大地彌補(bǔ)了鋼筋混凝土外墻的缺陷[5]。丁一寧等[6]采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究不同纖維摻量下鋼纖維自密實(shí)混凝土的彎曲韌性。周平等[7]研究了層間接觸效應(yīng)的鋼纖維混凝土隧道單層襯砌內(nèi)力分布規(guī)律。江學(xué)良等[8]通過對(duì)國(guó)內(nèi)外大量拉拔試驗(yàn)和梁式試驗(yàn)得到GFRP筋與混凝上粘結(jié)性能試驗(yàn)結(jié)果的調(diào)查分析,探討了GFRP筋的表面形狀與表面處理方法。

1 設(shè)計(jì)原理

保溫一體化（疊合）外墻多采取夾心保溫三明治板的構(gòu)造形式，即外葉板+保溫板+內(nèi)葉墻的構(gòu)造形式。外葉板板厚較薄，且與內(nèi)葉墻板之間存在保溫板隔開，通過保溫連接件和內(nèi)葉墻聯(lián)系在一起。尺寸較大的保溫一體化疊合外墻板在構(gòu)件安裝后，長(zhǎng)期使用過程中多會(huì)存在外葉板表面出現(xiàn)不同程度的裂縫問題[9]。在保溫一體化疊合外墻中，預(yù)制構(gòu)件的構(gòu)造形式采用外葉板+保溫板，構(gòu)件尺寸較大，構(gòu)件上面有門窗及洞口開設(shè)時(shí)，外葉板在構(gòu)件生產(chǎn)后很容易出現(xiàn)表面龜裂和貫通現(xiàn)象，增加了構(gòu)件生產(chǎn)的難度。對(duì)預(yù)制構(gòu)件的產(chǎn)品感官造成不利影響，增加了裝配式建筑產(chǎn)品的質(zhì)量隱患。在保溫一體化生產(chǎn)工藝中，外葉板需配置單層冷軋帶肋鋼筋網(wǎng)片，增加了施工工藝，提高了構(gòu)件生產(chǎn)成本，同時(shí)單層鋼筋網(wǎng)片的敷設(shè)所起到的增加外葉板整體性及避免外葉板出現(xiàn)裂縫所起到的作用不顯著，經(jīng)濟(jì)性也得不到很好的體現(xiàn)。

圖1 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的平面設(shè)計(jì)圖

預(yù)制外墻作為鋼筋混凝土墻體中的重要一環(huán)，是在工廠中對(duì)預(yù)制外墻進(jìn)行預(yù)制，待其達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裝配。通過鋼纖維材料的選取可顯著減少裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度，降低生成貫通裂縫的可能性，起到了阻斷混凝土內(nèi)毛細(xì)裂縫的作用，使混凝土的抗?jié)B性、抗裂性能得到明顯改善。使混凝土內(nèi)水分、氯離子、空氣的轉(zhuǎn)移率降低，從而起到延緩鋼筋銹蝕的作用[10]。此外，如圖1所示，鋼纖維保溫一體化疊合外墻通過鋼纖維的使用，代替或減少外葉板單層雙向鋼筋的使用，可有效提高保溫一體化疊合外墻外葉板整體性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性，降低外葉板表面裂縫的產(chǎn)生。創(chuàng)新優(yōu)化改進(jìn)保溫一體化疊合外墻流水化生產(chǎn)工藝，研究探索鋼纖維材料使用和添加的最優(yōu)實(shí)施和生產(chǎn)方案。

2 研究?jī)?nèi)容

①通過分析保溫一體化疊合外墻在已建成工程長(zhǎng)期使用過程中外葉板表面出現(xiàn)不同程度的裂縫問題，分類匯總表面裂縫、龜裂、通縫等質(zhì)量問題，分析查找影響裂縫產(chǎn)生及擴(kuò)大的關(guān)鍵因素。

②從材料角度優(yōu)化外葉板構(gòu)造組成，采用鋼纖維代替或減少外葉板鋼筋使用，提高外葉板整體剛度和耐久性，建立數(shù)值模擬模型，分析優(yōu)化研究設(shè)計(jì)方案。

③采用添加鋼纖維類附加材料，提高和改善預(yù)制混凝土裂縫開裂現(xiàn)象技術(shù)方案，分析對(duì)比不同纖維材料的性能，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和可實(shí)施性等方面綜合考慮鋼纖維材料的選取和應(yīng)用。

④如圖2所示，試驗(yàn)對(duì)比保溫一體化疊合外墻鋼纖維不同配合比下材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，了解構(gòu)件不同配合比作用下實(shí)驗(yàn)室材料力學(xué)和物理性能；篩選確定最優(yōu)保溫一體化疊合外墻構(gòu)件材料配比。

圖2 保溫一體化疊合外墻的鋼纖維配合比試驗(yàn)

⑤調(diào)整保溫一體化疊合外墻流水化生產(chǎn)工藝，確保鋼纖維的正常使用和下料，使鋼纖維技術(shù)效果實(shí)現(xiàn)最優(yōu)。

⑥保溫一體化疊合外墻試生產(chǎn)及構(gòu)件安裝，跟蹤預(yù)制構(gòu)件全過程質(zhì)量問題，及時(shí)掌握和記錄出現(xiàn)的新問題，確保構(gòu)件的質(zhì)量安全可靠。

3 技術(shù)難點(diǎn)

3.1 鋼纖維最優(yōu)配合比選取

3.1.1 存在問題

鋼纖維混凝土攪拌時(shí)易結(jié)團(tuán)，混凝土和易性差，泵送困難、難以施工且易銹蝕。

鋼纖維在使用過程中破壞形態(tài)主要是被拔出，而不會(huì)被拉斷，這說明鋼纖維與混凝土的粘附性不足，這會(huì)影響提高混凝土抗拉強(qiáng)度的效果，它增韌增強(qiáng)的原理是當(dāng)裂縫產(chǎn)生后由于鋼材的高模量和單根的高抗拉強(qiáng)度，阻止了裂縫的進(jìn)一步開展；但由于數(shù)量有限，對(duì)微觀裂縫約束效果不大，對(duì)抗?jié)B、凍融等性能提高并不明顯。

施工中鋼纖維密度過大，振動(dòng)澆筑時(shí)往往會(huì)沉于混凝土下部，不可能均勻分布。

3.1.2 解決方式

如圖3所示，在進(jìn)行配合比試驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)選取能增進(jìn)混凝土的韌性、抗疲勞性，提高混凝土抗沖磨性能的最優(yōu)配合比。攪拌時(shí)將鋼纖維攪拌均勻，擇優(yōu)選取鋼纖維，保證鋼纖維質(zhì)量，防止鋼纖維在施工中銹蝕。

圖3 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的成組立模生產(chǎn)

混凝土主要用于保溫一體化疊合外墻板，其類型不屬于高強(qiáng)混凝土，主要為了改善混凝土裂縫問題，對(duì)粘附性沒有很高的要求。

疊合外墻板的鋼纖維主要用于外葉板，總厚度只有60mm，采用振動(dòng)臺(tái)施工，會(huì)大大降低鋼纖維沉降，避免振動(dòng)時(shí)的分布不均勻。

對(duì)比不同配合比下鋼纖維材料的材料性能，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和可實(shí)施性等綜合考慮鋼纖維材料的選取和應(yīng)用；重點(diǎn)在配合比試驗(yàn)時(shí)，選取增進(jìn)混凝土的韌性、抗疲勞性，提高混凝土的抗沖磨性能的最優(yōu)配合比。

3.2 經(jīng)濟(jì)性與安全性

3.2.1 存在問題

經(jīng)濟(jì)性與安全可靠性要在使鋼纖維材料發(fā)揮自身材料性能的基礎(chǔ)上，確保材料本身及和其他材料共用時(shí)安全環(huán)保，經(jīng)久耐用。在長(zhǎng)期使用過程中，化學(xué)及力學(xué)性能不會(huì)發(fā)生根本性變化。

3.2.2 解決方式

在進(jìn)行配合比試驗(yàn)時(shí)，重點(diǎn)考慮外加劑原材料供應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)配比難易程度、人員生產(chǎn)效率及配置設(shè)備費(fèi)用等綜合因素。選取能增進(jìn)混凝土的韌性、抗疲勞性，提高混凝土抗沖磨性能的最優(yōu)配合比。進(jìn)而分析對(duì)比保溫一體化疊合外墻采用鋼纖維材料的經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

鋼纖維保溫一體化疊合外墻，不僅有效降低了預(yù)制混凝土表面出現(xiàn)混凝土裂縫、崩角、表面彎曲等問題的產(chǎn)生，而且有效提高預(yù)制構(gòu)件產(chǎn)品的質(zhì)量，而且降低了運(yùn)輸過程中由于碰撞導(dǎo)致的掉角、裂縫的產(chǎn)生，且在長(zhǎng)期使用過程中，化學(xué)及力學(xué)性能不會(huì)發(fā)生根本性變化。

圖4 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的成品修補(bǔ)

如圖4和圖5所示，通過對(duì)鋼纖維的使用，代替或減少外葉板單層雙向鋼筋的使用，有效提高保溫一體化疊合外墻外葉板整體性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性。通過生產(chǎn)完成后的成品進(jìn)行檢驗(yàn)修補(bǔ)后采用車輛進(jìn)行運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。創(chuàng)新優(yōu)化了保溫一體化疊合外墻流水化生產(chǎn)工藝，研究了探索鋼纖維材料使用和添加的最優(yōu)實(shí)施和生產(chǎn)方案。

圖5 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的運(yùn)輸

從材料角度選取鋼纖維作為較少和避免保溫一體化疊合外墻裂縫產(chǎn)生的添加材料，鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入亂向分布的短鋼纖維所形成的一種新型的多相復(fù)合材料。這些亂向分布的鋼纖維能夠有效地阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展及宏觀裂縫的形成，顯著減少裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度，避免生成貫通裂縫。鋼纖維的使用有效阻斷混凝土內(nèi)毛細(xì)裂縫的作用，明顯提高和改善了混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，具有較好的抗?jié)B性與延性。

5 應(yīng)用分析

綠色建筑及建筑產(chǎn)業(yè)化是未來建筑業(yè)發(fā)展的方向，研究分析對(duì)比不同配合比下鋼纖維材料性能，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和可實(shí)施性的角度綜合考慮鋼纖維材料的選取和應(yīng)用。如圖6所示，通過綜合考慮外加劑的原材料供應(yīng)、現(xiàn)場(chǎng)配比難易程度、人員生產(chǎn)效率等綜合因素，得出鋼纖維保溫一體化疊合外墻的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)優(yōu)于其他類型的外墻。且在長(zhǎng)期使用過程中，安全可靠性也在鋼纖維材料發(fā)揮自身材料優(yōu)勢(shì)性能的基礎(chǔ)上，與其他材料結(jié)合后更加安全環(huán)保，經(jīng)久耐用，材料穩(wěn)定性強(qiáng)。

圖7 鋼纖維保溫一體化疊合外墻的裝配式項(xiàng)目

如圖7所示，在使用鋼纖維保溫一體化疊合外墻的裝配式項(xiàng)目中，不僅有效降低了預(yù)制混凝土構(gòu)件表面出現(xiàn)的龜裂、裂縫等問題，且有效地增加了預(yù)制構(gòu)件的材料性能，可以降低模具成本、加快施工速度，提高經(jīng)濟(jì)效益。鋼纖維保溫一體化疊合外墻在底部加強(qiáng)區(qū)的成功應(yīng)用，擴(kuò)大了保溫一體化墻體的適用范圍，對(duì)實(shí)現(xiàn)建筑裝配化和推廣節(jié)能建筑具有重要意義。符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展和綠色低碳環(huán)保的節(jié)能理念。同時(shí)鋼纖維保溫一體化疊合外墻符合節(jié)能減排、低碳環(huán)保的理念，社會(huì)效益顯著，有助于在市場(chǎng)快速推廣。

6 結(jié)論

通過依托工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)分析研究保溫一體化疊合外墻表面裂縫的原因，采用添加鋼纖維以及附加纖維類材料，提高預(yù)制混凝土耐久性，改善外葉板裂縫開裂現(xiàn)象。通過采用鋼纖維代替或減少外葉板鋼筋使用，提高外葉板整體性、耐久性以及經(jīng)濟(jì)性，降低外葉板表面裂縫的產(chǎn)生，減少裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度和寬度，降低生成貫通裂縫的可能性，起到了阻斷混凝土內(nèi)毛細(xì)裂縫的作用，使混凝土的抗?jié)B性、抗裂性能得到明顯改善，從而起到延緩鋼筋銹蝕的作用。

從分析結(jié)果可得出，附加纖維類材料，可極大提高預(yù)制混凝土的耐久性，改善外葉板裂縫開裂現(xiàn)象?？梢灶A(yù)期的是，在未來的結(jié)構(gòu)中，鋼纖維保溫一體化疊合外墻的使用可獲得更高的耐久性能和力學(xué)性能。